【文章內容簡介】 法帶來了諸多的困難。尤其是起動性能的設計計算問題，磁路法的準確性和精度都存在一定的誤差。但磁路法的簡便和快捷仍然使之成為異步起動永磁同步電動機設計的重要方法，尤其是經過磁路法的粗算可以為有限元法的精確計算提供建模的圖形基礎。本章采用磁路法方法對異步起動永磁同步電動機的各部分結構參數進行設計,并得出結論。主要研究的內容包括永磁同步電動機的總體結構和永磁同步電動機的轉子結構及其基本幾何尺寸。 永磁同步電動機的結構 永磁同步電動機的總體結構三相異步起動永磁同步電動機定子沖片及繞組型式與三相感應電機基本相同，轉子結構較為復雜。目前多數文獻將三相異步起動永磁同電動機結構按照磁極磁路結構的不同分為三大類型：徑向式、切向式、混合式等三種結構。轉子磁極多數選用具有高的矯頑力、剩磁密度及磁能積的稀土永磁材料。1定子 2永磁體 3轉軸 4轉子鐵心西北工業(yè)大學的李鐘明、劉衛(wèi)國教授在結構設計研究方面提出了可根據使用需要選擇不同的轉子結構形式的觀點，并提出了兩種新型具有聚磁作用的切向式結構的永磁同步電機結構方案，同時申請了國家專利。早在80年代中期，國外學者就提出了徑向磁路的異步起動永磁同步電機的轉子結構。當極數較多時，還可以采用切向磁路結構。，其效率可達到 %。切向結構磁極每極有效面積比徑向結構的約大一倍，但切向結構漏磁大，且需要隔磁環(huán)。由于直軸電樞反應較強，引起從Xq它使得二次反應式轉矩在090。范圍內為負值，從而減小了有效轉矩。為此，為了避免氣隙磁場有嚴重的諧波畸變，空氣槽應該是閉口的，而且閉口槽沿徑向逐漸加寬，加寬的程度受空載電勢的減小和轉子鐵心飽和程度的限制。除了采用徑向磁路和切向磁路結構，還可以采用混合式磁極結構。對于混合式磁極結構，應用較為普遍。這種結構可以增加永磁體的橫截面積以增加氣隙主磁通。德國 SIMENS公司提出的一種混合式結構，采用非磁性轉軸或采用隔磁銅套，主要應用于剩磁密度較低的鐵氧體永磁材料制造的的永磁同步電動機。永磁同步電動機也由定子、轉子和端蓋等部件構成。定了與普通感應電動機基本相同。也采用疊片結構以減少電動機運行時的鐵耗。轉子鐵心可以做成實心的。也可以用疊片疊城市而面。電樞繞組既有采用集中整距繞組的，也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的，一般來說，矩形波永磁同步電動機通常采用集中整距繞組，而正弦波永磁同步電動機更常采用分布短距繞組。在一些正弦波電流控制永磁同步電動機中，為了減小繞組產生的磁動勢空間諧波，使之更接近正弦分布以提高電動機的有關性能，采用了一些非常規(guī)繞組?？纱鬁p小電動機轉矩紋波，提高電動機運行平衡性，為減小電動機雜散損耗，定子繞組通常采用星形接法。永磁同步電動機的氣隙長度是一個非常關鍵的尺寸，盡管它對這類電動機的無功電流的影響不如對感應電動機那么敏感，但是它對電動機的交、直軸電抗影響很大，進而影響到電動機的其他性能。此外，氣隙長度的大小還對電動機的裝配工藝和電動機的雜散損耗有著較大的影響。永磁同步電動機與其他電機的最主要的區(qū)別是轉子磁路結構。轉子磁路結構不同，則電動機的運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合也不同。近年來，外轉子永磁同步電動機在一些領域得到了廣泛的應用。它的主要優(yōu)點在于電動機轉動慣量比常規(guī)永磁同步電動機大，且電樞鐵心直徑可以做得較大，從而提高了在不穩(wěn)定負載下電動機的效率和輸出功率。外轉子永磁同步電動機除結構與常規(guī)永磁同步電動機有異外，其他均相同。按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電動機的轉子磁路結構一般可分為三種：表面式、內置式和爪極式。這種結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向，且永磁體外表面與定子鐵心內圓之間一般僅套以起保護作用的非磁性圓筒，或在永磁磁極表面包以無續(xù)下班比帶作保護層。有的調速成永磁同步電動機的永磁磁極用話多矩形小條拼裝成瓦片形，能降低電動機的制造成本。表面式轉子磁路結構又分為凸出式和插入式兩種。對采用稀土永磁的電機來說，由于永磁材料的相對回復磁導率接近于1，所以表面凸出式轉子在電磁性能上屬于隱極轉子結構；而表面插入式轉子的相鄰兩個永磁磁極間有著磁導率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉子結構。 表面式轉子磁路結構a)凸出式 b)插入式 1永磁體 2轉子鐵心 3轉軸1）表面凸出式轉子結構 由于其具有結構簡單、制造成本較小、轉動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永磁同步電動機和恒功率運行范圍不寬的正高強度波永磁同步電動機中得到了廣泛應用。此外，表面凸出式轉子結構中的永磁磁極易于實現最優(yōu)設計，使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動機以至整個傳動系統(tǒng)的性能。2）表面插入式轉子結構 這種結構可充分得用轉子磁路的不對稱性所產生的磁陰轉矩，提高電動機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調速永磁同步電動機所采用。但漏磁系數和制造成本都有較凸出式大?？傊砻媸睫D子磁路結構的制造工藝簡單、成本低，應用較為廣泛，尤其適宜于矩形波永磁同步電動機。但因轉面無法安裝起動繞組，無異步起動能力，不能用于異步起動永磁同步電機。 內置式轉子磁路結構這類結構的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，極靴可以放置鑄鋁籠或銅條籠。起阻尼或起動作用，動、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動能力或動態(tài)必能高的永磁同步電動機。內置式轉子內的永磁體受到極靴的保護，其轉子磁路結構的不對稱性所產生的磁阻轉矩也有助于提高電動機的過長能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴速。按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，內置式轉子磁路結構又可分為徑向式、切向式和混合式三種。 徑向式。 該結構的優(yōu)點是漏磁系數小、轉軸上不需采取隔磁措施、極弧系數易于控制、轉子沖片機械強度高、安裝永磁體后轉子不易變形等，圖 (a)是一種工藝簡單、制造成本低、永磁體利用率高的結構。圖(b)和(c)中，永磁體軸向插入永磁體糟，并通過隔磁磁橋來限制漏磁通，結構簡單，運行可靠，轉子機械強度高、近年來應用較為廣泛，其中(c)比(b)提供了更大的永磁體空間。 切向式: 該結構的漏磁系數較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電機極數較多、徑向式結構不能提供足夠的每極磁通時，這種結構的優(yōu)勢就顯得更為突出，此外，采用該結構的永磁同步電動機的磁阻轉矩可占到總電磁轉矩的40%，對提高電機的功率密度和擴展恒功率運行范圍都是很有利的。 混合式: 該結構集中了徑向式和切向式的優(yōu)點，但結構和制造工藝都比較復雜，制造成本也比較高。圖33(a)是德國西門子公司發(fā)明的結構，需要采用非磁性轉軸或采用隔磁銅套，主要應用于使用鐵氧體的永磁同步電動機。(b)和((c)圖是由徑向式結構徹和(c)衍生而來的，其永磁體徑向部分和切向部分的磁化方向長度相等， (b)和((c)這四種結構，轉子依次可為安放永磁體提供更多的空間，空載漏磁系數依次減小，但制造工藝卻依次更加復雜，轉子的機械強度也依次有所下降。 內置徑向式轉于磁路結構 1轉軸 2永磁體槽 3永磁體 4轉子導條 內置切向式轉于磁路結構 1轉軸 2空氣隔磁槽 3永磁體 4轉子導條 內置混合式轉于磁路結構1轉軸 2永磁體槽 3永磁體 4轉子導條在選擇轉子磁路結構時還應考慮到不同轉子啼路結構電機的交、直軸同步電抗Xq、Xd及其比例Xq/Xd（稱為凸極率）也不同。在相同條件下，上述三類內置式轉子磁路結構電動機的直軸同步電抗Xd相差不大，但它們的交軸同步電抗Xq卻相差較大。切向式轉子結構電動機的Xq最大，徑向式轉子結構電動機的Xq次之。由于磁中結構和尺寸多種多樣，Xq、Xd的大小需要根據所選定的結構和具體尺寸運用電磁場數值計算求得。較大的Xq和凸極率可以提高電動機的牽入同步能力、磁阻轉矩和電動機的過載倍數，四此設計高過載倍數的電動機時可充分利用大的凸極率所產生的磁阻轉矩。 爪極式轉子磁路結構爪極式轉子磁路結構通常由兩個帶爪的法蘭盤和一個圓環(huán)形的永磁體構成，左右法蘭盤的爪數相同，且二者的爪極互相錯形象，沿圓周均勻分布，永磁體軸向充磁，因而左右法蘭盤的爪極分別形成極性相異，相互錯開的永磁同步電動機的磁極。爪極式轉子結構永磁同步電動機的性能較低，又不具備異步電動能力，但結構和工藝較為簡單。 隔磁措施為不使電機中永磁體的漏磁系數過大而導致永磁材料利用率過低，應注意各種轉子結構的隔磁措施。上圖為幾種典型的隔磁措施，圖中標尺寸b的沖片部件稱為隔磁磁橋，通過磁橋部位磁通達到飽和來起限制漏磁的作用。隔磁磁橋寬度b越小，該部位磁陰便越大，越能限制漏磁通。但是b過小將使 沖片機械強度變差，并縮短沖模的使用壽命。隔磁磁橋長度w也是一個關鍵尺寸，計算結果表明，如果隔磁磁橋長度不能保證一定的尺寸，即使磁橋寬度小，磁橋的隔磁交果也將明顯下降。但當w達到一定的大小后，再增加w，隔磁交果不再有明顯的變化，而過大的w將使轉子機械強度下降，制造成本提高。切向式轉子結構的隔磁措施一般采用非磁性轉軸或在轉軸上加隔磁銅套，這合我得電動機的制造成本增加，制造工藝變得復雜。近年來，有些單位研制了采用空氣隔磁加隔磁磁橋的新技術，取得了一定的效果。但是，當電動機容量較大時，這種結構使得轉子的機械強度顯得不足，電動機可靠性下降。 幾種典型的隔磁措施1轉軸 2轉子鐵心 3永磁體槽 4永磁體 5轉子導條 永磁同步電動機的基本理論 穩(wěn)態(tài)運行和相量圖電動機穩(wěn)定運行于同步轉速時，永磁同步電動機的電壓方程為：式中： E?！来艢庀痘ù艌鏊a生的每相空載反電動勢有效值(V)； U。—外施相電壓有效值(V)；I1—定子相電流有效值(A)；—定子繞組相電阻；、—直、交鈾電樞反應電抗；—定子漏抗；—直軸同步電抗: —交軸同步電抗， 、—直、交軸電樞電流(A) —I1與E。間的夾角，稱為內功率因數角，I1超前E。時為正。 由電壓方程可畫出永磁同步電動機于不同情況下穩(wěn)定運行時的幾種典型相量圖。圖中，為氣隙合成基波磁場所產生的電動勢，稱為氣隙合成電動勢(V)；為氣隙合成基波磁場直軸分量所產生的電動勢，稱為直軸內電動勢(V)；為超前的角度，即功率角，也稱轉矩角；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因角。圖37a、b和c中的電流均超前于空載反電動勢，直軸電樞反應均為去磁性質，導致電動機直軸內電動勢小于空載反電動勢。圖37e中電流滯后于，此時直軸電樞反應為增磁性質，導致直軸內電動勢大于。圖37d所示是直軸增，去磁臨界狀態(tài)(與同相)下的相量圖，由此可列出電壓方程：從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢 永磁同步電動機幾種典型相量圖相量圖，由此可列出電壓方程：從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢 穩(wěn)態(tài)運行性能分析與計算永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能包括效率、功率因數、輸入功率和電樞電流等與輸出功率之間的關系以及失步轉矩倍數等。電動機的這些穩(wěn)態(tài)性能均可從其基本電磁關系或從相量圖推導而得。 電磁轉矩和矩角特性從圖38可得出如下關系： 從上式可求得電動機定子電流的直、交軸分量：定子相電流 而電動機的輸入功率（W）忽略定子電阻，上式可得電動機的電磁功率（W）除以電動機的機械角速度，即可得電動機的電磁轉矩式中：—電動機的電角速度；—電動機的極對數。圖39a為計算所得的(電磁轉矩/額定轉矩)轉矩角曲線，圖中，曲線1為上式第1項由永磁氣隙磁場與定子電樞反應磁場相互作用產生的基本電磁轉矩，又稱永磁轉矩；曲線2為上式中第2項，即由于電動機d、q軸磁路不對稱而產生的磁阻轉矩；曲線3為曲線1和曲線2的合成。由于永磁同步電動機直軸同步電抗一般小于交軸同步電抗，磁阻轉矩為一負正弦函數，因而矩角特性曲線上轉矩最大值所對應的轉矩角大于，而不象電勵磁同步電動機那樣小于，這是永磁同步電動機一個值得注意的特點。 矩角持性()上的轉矩最大值被稱為永磁同步電動機的失步轉矩，如果負載轉矩超過此值則電動機將不再能保持同步轉速。最大轉矩與電動機額定轉矩的比值稱為永磁同步電動機的失步轉矩倍數。 永磁同步電動機的矩角持性 a）計算曲線 b）實測曲線 工作待性曲線 計算出電動機的、和等參數后，給定一系列不同約轉矩角，便可求出相應的輸入功率、定子相電流和功率因數等，然后求出電動機此時的損耗，便可得到電動機的輸出功率和效率，從而得到電動機穩(wěn)態(tài)運行性能(、和等)與輸出功率之間的關系曲線，即電動機的工作持性曲線。 永磁同步電動機的磁路分析與計算 磁路計算特點 進行永磁同步電動機磁路計算時，可采用通常的電機