【正文】 機(jī)設(shè)計 摘要 隨著永磁材料工藝的進(jìn)步和電子電力技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)逐漸克服技術(shù)難點，逐步占領(lǐng)市場。 利用基于有限元 Ansoft 軟件 進(jìn)行了電機(jī)參數(shù)的相關(guān)計算，與電機(jī)設(shè)計的傳統(tǒng)磁路法進(jìn)行了對比，分析了兩者之間的誤差以及誤差產(chǎn)生的原因，提高了電機(jī)設(shè)計的準(zhǔn)確性。 永磁同步電動機(jī)特點 永磁同步電機(jī)采用永磁體勵磁，具有電勵磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點 [23]。 ，重量輕 ，耗材少 同容量的永磁同步電機(jī)體積、重量、所用材料可以減小 30%左右。在設(shè)計時既需要根據(jù)具體使用場合和要求進(jìn)行性能、價格的比較后取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)化，以降低成本。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體 的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進(jìn)人了一個新的時期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展。另外 1760kW 永磁同步推進(jìn)電機(jī)裝于 U212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)相比減少 40%?，F(xiàn)已制成外徑 、長 的世界上最小的永磁電動機(jī)。目前，電磁場問題主要研究的是沒有初始條件而只有邊界條件的定解問題 —— 邊值問題。 自然邊界條件是軟件系統(tǒng)的默認(rèn)邊界條件，不需要用戶指定。奇對稱邊界可以模擬一個設(shè)備的對稱面，在對稱面的兩側(cè)電荷、電位、電流大小相等，符號相反。 并通過改變參數(shù)來分析各參量變化后對電機(jī)的影響，實現(xiàn)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計。另外稀土鈷永磁材料 rB 的溫度系數(shù)比鐵氧體永磁材料低，通常為 %K?? 左右，并且居里溫度較高，一般為 710~880℃ 。 釹鐵硼 永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般為 300~410℃ 左右；溫度系數(shù)較高， rB 的 溫度系 數(shù)可達(dá) %K?? ， ciH 的溫度系數(shù)達(dá)1( )% K ?? 。 基本結(jié)構(gòu) 與其他旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，異步起動永磁同步電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定定轉(zhuǎn)子之間存在空氣隙。實心永磁體轉(zhuǎn)子鐵心由整塊鋼加工而成，上面銑出操以放置永磁體。 表面式轉(zhuǎn) 子磁路結(jié)構(gòu)又分為凸出式（圖 2— 4(a)）和插入式（圖 2—4(b)）兩種，對采用稀土永磁的電機(jī)來說，由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近 1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動機(jī)的過載能力和功率密度，而且有易于“弱磁”擴(kuò)速。此外，采用切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩中的比例可達(dá) 40%， 這 對充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)功率密度和擴(kuò)展電機(jī)的恒功率運行范圍都是很有利的。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相同，共同作用，產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速。在起動過程中，當(dāng)定子繞組饋以頻率為 f 的三相對稱交流電流時，在氣隙中產(chǎn)生的磁場以同步轉(zhuǎn)速 1n 旋轉(zhuǎn)。當(dāng) 1/2nn? ，即 ? 時，則相反，轉(zhuǎn)子受到一個與 1n 方向相同的轉(zhuǎn)矩， b 0T? 。 52 1P ,kW 2P ,kW 1I ,A dI ,A qI ,A ? ,% cos? 21 156 2 WP P P? ? ? ? 12 1 0 0 % 9 2 .5 0 5 %PP? ? ? ? 工作特性見表 3— 4 * maxp0N PT P?? 由于電磁功率中還包含鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗，所以輸出功率會略小于電磁功率，因此實際的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)會小于該值。圖 2— 7 為異步起動永磁同步電動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩隨電動機(jī)轉(zhuǎn)差率變化的曲線 [12]。 轉(zhuǎn)子的反旋轉(zhuǎn)磁場與定子繞組中感應(yīng)出頻率為 (1 2 )sf? 的電流 bI ， bI哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 所產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速也是 1(1 2 )sn? ，與轉(zhuǎn)子反旋轉(zhuǎn)磁場也是彼 此相對靜止，兩者互相作用產(chǎn)生另一異步轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩 bT 。 由此可見，異步起動永磁同步電動機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)起動的，起動完成后轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，而由永磁體和定子繞組共同產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，這就是異步起動永磁同步電動機(jī)的工作原理 。 為不使電機(jī)中的漏磁系數(shù)過大而導(dǎo)致永磁體材料的利用率過低，應(yīng)注意各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的隔磁措施。 (a)切向式 (b) 徑向式 (c)混合式 圖 2— 5 典型的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 1— 鐵心； 2— 永磁體 3— 導(dǎo)條； 4— 空氣槽； 5— 軸 切向式結(jié)構(gòu) 即每對極磁路中只有一個永 磁體提供磁動勢，但由兩個永磁體并聯(lián)提供每極磁通。但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。 需要注意的是，感應(yīng)電機(jī)中常采用轉(zhuǎn)子斜槽，但在永磁同步電動機(jī)中， 由于受永磁體放置的限制，通常采用定子斜槽。定子槽型通常采用半閉口槽，如圖 2— 2 所示，其中梨形槽的槽面積利用率高，沖模壽命長，且槽絕緣的彎曲程度較小，不易損傷，應(yīng)用廣泛。不同涂層的抗腐蝕能力不一樣， 環(huán)氧樹脂涂層抗溶劑、抗沖擊能力良好，抗鹽霧能力較差。 釹鐵硼永磁材料 釹鐵硼 永磁材料是 1983 年問世的高性能永磁材料。 稀土永磁材料 稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積的稀土永磁材料，但在某些性能上有較大區(qū)別，所以分別介紹。 氣球邊界條件是 Maxwell 2D 求解器常見的邊界條件，常常指定在求解區(qū)的外邊界處，用于模擬絕緣系統(tǒng)等。它是 Maxwell 系統(tǒng)默認(rèn)的邊界條件，不需要用戶指定。 麥克斯韋方程組包括微分和積分兩種形式，在此僅給出它們的微分形式，通過它們可以導(dǎo)出能用有限元處理電磁問題的微分方程。 電磁場有限元分析簡介 電磁場的分析和計算通常歸結(jié)為求微分方程的解。同年，英國展出了“海航”號輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計模型。 耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。此外，以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行元件的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于永磁同步電機(jī)本身是具有一定非線性、強(qiáng)耦合性和時變性的系統(tǒng)，同時其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時易受到不同程度的干擾，因此采用先進(jìn)控制策略、先進(jìn)的控制系統(tǒng)實現(xiàn) 方式 (如基于 DSP 控制 )，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個主要突破口 [6]。 如果設(shè)計或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過高 (釹鐵硼永磁 )或過低 (鐵氧體永磁 )溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能下降，甚至無法使用。 在需要大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備 (如油田抽油電 機(jī) )中，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的 Y系列電機(jī)。 FEM simulation 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 .......................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................... II 第 1 章 緒論 ........................................................................................................ 1 永磁同步電動機(jī)概述 ............................................................................... 1 永磁同步電動機(jī)特點 ........................................................................ 1 存在問題 ............................................................................................ 2 發(fā)展趨勢 ............................................................................................ 2 電磁場有限元分析簡介 ........................................................................... 4 本文主要研究內(nèi)容 ................................................................................... 5 第 2 章 異步起動永磁同步電動機(jī)的基本原理 ................................................ 6 稀土永磁材料 ........................................................................................... 6 稀土鈷永磁材料 ................................................................................ 6 釹鐵硼永磁材料 ................................................................................ 6 基本結(jié)構(gòu) ................................................................................................... 7 定子結(jié)構(gòu) ............................................................................................ 7 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) ............................................................................................ 8 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) .................................................................................... 8 工作原理 ................................................................................................. 11 本章小結(jié) ................................................................................................. 12 第 3 章 15kW 異步起動永磁同步電動機(jī)電磁計算 ....................................... 13 額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求 ............................................................................. 13 電磁計算程序 ......................................................................................... 14 主要尺寸 .......................................................................................... 14 永磁體計算 ...................................................................................... 15 定、轉(zhuǎn)子沖片 .................................................................................. 16 主要尺寸 .......................................................................................... 16 繞組計算 ...................................................................