【正文】 藝較為簡(jiǎn)單。 表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡(jiǎn)單，常被某些調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)所采用。為減小磁場(chǎng)引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心通常由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，內(nèi)嵌三相對(duì)稱繞組。 由于 稀土鈷永磁材料硬而脆，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均較低，僅能進(jìn)行少量的電火花或線切割加工，所以在永磁體尺寸的設(shè)計(jì)上要避免過(guò)多的加工余量以免造成浪費(fèi)和成本增加。 匹配邊界條件是模擬周期性結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面，使主邊界和從邊界場(chǎng)量具有相同的幅度，相同或想反的方向。它是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，也是工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析的出發(fā)點(diǎn)。 1996年， 12相、 1800kW 、 180r/min 永磁推進(jìn)電機(jī)及 控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。同時(shí)功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網(wǎng)投資。在當(dāng)今強(qiáng)調(diào)節(jié)約、綠色概念的社會(huì)，節(jié)能和節(jié)約材料的永磁同步電機(jī)已經(jīng)在國(guó)外蓬勃發(fā)展，而在國(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)也以驚人的速度在發(fā)展。 永磁同步電動(dòng)機(jī)，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)到 甚至容性） ，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可提高 2~8 個(gè)百分點(diǎn)。 鐵氧體永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了廣泛應(yīng)用。船舶推動(dòng)電機(jī) 要求低速大轉(zhuǎn)矩。對(duì)于偏微分方程，使其解成為唯一的輔助條件可分為兩種：一種是表達(dá)場(chǎng)的邊界所處的物理情況、稱為邊界條件；另一種是確定場(chǎng)的初始狀態(tài)，稱為初始條 件。它規(guī)定了邊界處勢(shì)的分布，勢(shì)是邊界位置的函數(shù)，也可以是常數(shù)和零。其特點(diǎn)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 rB 、磁感應(yīng)矯頑力 cH 及最大磁能積 max()BH 都很高。 另外，由于 釹鐵硼 永磁材料的溫度系數(shù)較高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般分為三種：表面式、內(nèi)置式和爪極式。其優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。下面對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。 為下一章的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備 。當(dāng)1/2nn? ，即 ? 時(shí)， (1 2 ) 0sf??，相當(dāng)于這臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，在次級(jí)繞組（定子）中無(wú)感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)矩為零。隔磁磁橋很窄通過(guò)較小的磁通就可使其達(dá)到飽和，從而限制漏磁，磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，但機(jī)械強(qiáng)度越差，通常為 1 左右 [11]。但轉(zhuǎn)子表面無(wú)法安裝起動(dòng)繞組，無(wú)異步起動(dòng)能力，不能用于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。 (a) (b) 圖 2—2 定子槽型 (a)— 梨形槽 (b)— 梯形槽 為提高零部件的通用性、縮短開發(fā)周期，在進(jìn)行異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，常常選用感應(yīng)電機(jī)的定子沖片、機(jī)殼、端蓋和軸等。室溫下 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 rB 現(xiàn)可高達(dá) ，磁感應(yīng)矯頑力 cH可達(dá) 992kA/m ，最大磁能積 max()BH 高達(dá) ，是目前磁性能最高的永磁材料。 本 文主要研究?jī)?nèi)容 、存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)單介 紹有電磁 場(chǎng)有限分析 ， 及 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。位函數(shù)包括磁矢位 A 和磁標(biāo)位 ? ， 由于使用磁矢位可以很方便地給出磁力線分布并求出磁通，目前二維電磁場(chǎng)計(jì)算大都采用磁矢位。 由于釹鐵硼永磁的最大磁能積很高，特別是能制成超薄型的永磁體，從而使過(guò)去難以制作的超微型和低慣量電動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 的發(fā)展是與永磁材料技術(shù)、 電機(jī)結(jié)構(gòu) 、電力電子技術(shù)、微 電子 技術(shù) 和電機(jī)控制理論 的發(fā)展歷史 是 緊密相關(guān)的 。 Y系列電機(jī)在 60%的負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降 15%，功率因數(shù)下降 30% ，力能指標(biāo)下降 40%；而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有 20%負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80%以上。主要進(jìn)行了電機(jī)的磁路計(jì)算、繞組計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、損耗計(jì)算。s emphasis on saving energy, with the concept of environment protection, energysaving materials, permanent mag synchronous motor has been flourishing in foreign countries, and in the national domestic, motor industry at an alarming rate in the development. Depended on the practical technical requirements, a high performance NTP permanent mag motor is designed. The rated speed is 1500rpm, and the rated power is 15kW. The magic circuit design, winding design, parameter calculation and loss calculation are carried on. The inductance parameter that impacts the control performance of the motor is calculated and simulated by Ansoft, and the result is pared to the conventional magic circuit calculation. Through the change of the length of length armature, the thickness of the silicon steel sheet, air gap length and the pole slot number, the motor design is optimized. The low cost, small volume and high efficiency motor is obtained. Keywords Permanent mag synchronous； Electromagic calculation。 存在問(wèn)題 在開發(fā)高性能永磁同步電機(jī)過(guò)程中，取得上述成果的同時(shí)，也得到了一些問(wèn)題 [5]，有待于更深入地研究和探索。目前正在研制每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)。已開發(fā)的有 150W、 3000r/min ，工作在 200～300℃ 高溫和 10 Pa?? 真空度環(huán)境下的三相四極永磁電動(dòng)機(jī)，直徑105mm 、長(zhǎng) 145mm ，采用高溫特性好的 2 17SmCo 永磁體 [78]。 Maxwell 所提到的是齊次諾 伊曼邊界，即法向?qū)?shù)是零。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，鼠籠轉(zhuǎn)子不再起作用，其工作原理與電勵(lì)磁同步 電動(dòng)機(jī)基本相同，不同之處在于永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體提供機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需要的磁場(chǎng)，取消了電勵(lì)磁永磁同步電動(dòng)機(jī)中的集電環(huán)、電刷以及勵(lì)磁電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能量密度顯著提高，隨著永磁體材料性能的不斷提高和對(duì)節(jié)能的迫切需求，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在紡織、油田等行業(yè)得到了較大范圍的應(yīng)用。所以要對(duì)其表面進(jìn)行涂層處理，目前常用的涂層有環(huán)氧樹脂噴涂、電泳和電鍍等，一般涂層厚度為 10～40 m? 。 1VL? 2VL? 3VL? 4VL? 5VL? 圖 2— 3 轉(zhuǎn)子槽型 籠型永磁轉(zhuǎn)子是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖 2— 3 所示。這類結(jié)構(gòu)（圖 2— 5(b)）的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流（忽略定子諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流），此時(shí)轉(zhuǎn)子上只有永磁磁場(chǎng)，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的總平均轉(zhuǎn)矩 avT 由 aT 、 bT 和 gT 三個(gè)平均轉(zhuǎn)矩分量構(gòu)成。 下面再分析轉(zhuǎn)子中永磁體的作用。在這個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不同，產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。 按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系， .內(nèi)置式轉(zhuǎn) 子磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。這種結(jié)構(gòu)靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，無(wú)需起動(dòng)繞組。因而在高溫下使用時(shí)磁損失較大。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2章 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的 基本原理 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)式具有自起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，兼有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。是不同媒介交界場(chǎng)量的切向和法向邊界條件。 在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場(chǎng)合難以使用傳統(tǒng)電機(jī)，而稀土永磁電機(jī)可以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體 )，且體積小，正好能滿足這些特殊要求。 永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)部分沒(méi)有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長(zhǎng)度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。 便于構(gòu)成新型磁路。 關(guān)鍵詞 永磁同步； 電磁計(jì)算 ；有限元仿真 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Design of Internal Rotor Line Start Permanent Mag Synchronous Motor Abstract With advances in magic materials technology and electronic power technology development, technical difficulties are gradually being overe。 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(jì)算，與電機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)磁路法進(jìn)行了對(duì)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(jì)的準(zhǔn)確性。 ，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。尤其是近年來(lái)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(guó)內(nèi)外又進(jìn)人了一個(gè)新的時(shí)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?，F(xiàn)已制成外徑 、長(zhǎng) 的世界上最小的永磁電動(dòng)機(jī)。 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。 并通過(guò)改變參數(shù)來(lái)分析各參量變化后對(duì)電機(jī)的影響，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)。 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 ?? 。實(shí)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。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(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，而且有易于“弱磁”擴(kuò)速。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。當(dāng) 1/2nn? ，即 ? 時(shí)，則相反，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)與 1n 方向相同的轉(zhuǎn)矩， b 0T? 。圖 2— 7 為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率變化的曲線 [12]。 由此可見(jiàn)，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)起動(dòng)的，起動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就是異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 。 (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(duì)極磁路中只有一個(gè)永 磁體提供磁動(dòng)勢(shì)，但由兩個(gè)永磁體并聯(lián)提供每極磁通。 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(dòng)機(jī)中， 由于受永磁體放置的限制，通常采用定子斜槽。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。 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。它是 Maxwell 系統(tǒng)默認(rèn)的邊界條件，不需要用戶指定。 電磁場(chǎng)有限元分析簡(jiǎn)介 電磁場(chǎng)的分析和計(jì)算通常歸結(jié)為求微分方程的解。 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。 如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過(guò)高 (釹鐵硼永磁 )或過(guò)低 (鐵氧體永磁 )溫度時(shí)，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(dòng)時(shí)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(wú)