【正文】 4定子軛計(jì)算高度 4定子齒磁路計(jì)算長(zhǎng)度 4定子軛磁路計(jì)算長(zhǎng)度 4定子齒體積 4定子軛體積 繞組型式 4繞組形式 定子繞組采用單層繞組交叉式、接法4轉(zhuǎn)子齒距 50、轉(zhuǎn)子齒磁路計(jì)算長(zhǎng)度 對(duì)平底槽=5轉(zhuǎn)子軛計(jì)算高度 對(duì)平底槽 5轉(zhuǎn)子軛磁路計(jì)算長(zhǎng)度 a ) 轉(zhuǎn)子槽形 。 轉(zhuǎn)子槽尺寸 定子齒距 4定子斜槽距離 4定子齒寬 其中 將相關(guān)數(shù)值代入求得=,=。= 式中 ——永磁體密度。180。180。 永磁體計(jì)算2永磁材料牌號(hào) 計(jì)算剩磁密度 3計(jì)算矯頑力 式中 ——20時(shí)的計(jì)算矯頑力，為8753相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率 式中 3磁化方向長(zhǎng)度 3寬度 3軸向長(zhǎng)度 3提供每極磁通的截面積 3永磁體總質(zhì)量 kg19.3104.70.1854.011223=180。2定轉(zhuǎn)子每極槽數(shù) 2極矩 2硅鋼片質(zhì)量 式中：——沖剪余量，——、中較大者，——硅鋼片的密度，——鐵心疊壓系數(shù)，～。因?yàn)檫@里定轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度相等，所以的值為18, 代入數(shù)值得 2定、轉(zhuǎn)子槽數(shù) 每極每相槽數(shù)取整數(shù)，參考類似規(guī)格電機(jī)取=3(即取60相帶)，則==2323=36。 第4章 8kW永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算算例基于前幾章內(nèi)容對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)的了解，自行設(shè)計(jì)一臺(tái)11KW具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，定型為SYGT（稀土永磁高效同步電動(dòng)機(jī)），主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓：380V，3相，額定功率：11KW，額定效率:93％，額定功率因數(shù)：，失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：，起動(dòng)電流倍數(shù)：。牽入同步過程中，永磁體磁場(chǎng)與定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間夾角減小(即功角變小)，磁場(chǎng)儲(chǔ)能減少，電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加，是一個(gè)永磁體磁場(chǎng)對(duì)外做功的過程。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的逐漸增加，永磁體磁場(chǎng)在電機(jī)定子繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，但發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)過程中并沒有持續(xù)增加，而是在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到極值點(diǎn)后又逐漸減小最后逐漸接近并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，永磁體始終隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而且其建立的磁場(chǎng)很強(qiáng)，因此其對(duì)電機(jī)的起動(dòng)過程有較大影響。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到一定值后，在永磁脈振轉(zhuǎn)矩的作用下，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)速振蕩，最后在同步轉(zhuǎn)矩的作用下被牽入同步。在異步起動(dòng)階段，電機(jī)從投入電網(wǎng)起動(dòng)開始，在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、由轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱引起的磁阻轉(zhuǎn)矩以及單軸轉(zhuǎn)矩等的共同作用下，從靜止逐漸加速。因此起動(dòng)電流的有效值 （323）由此可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比同規(guī)格的普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的要大。上述兩個(gè)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩中，由永磁體磁場(chǎng)引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩幅值遠(yuǎn)大于由轉(zhuǎn)子起動(dòng)繞組和磁路不對(duì)稱所引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩幅值。當(dāng)時(shí)，此脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩將不存在。轉(zhuǎn)速為的定（轉(zhuǎn)）子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)速為的轉(zhuǎn)（定）子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生脈動(dòng)頻率為2的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這是由轉(zhuǎn)子起動(dòng)繞組的存在和轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱而引起的磁阻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其幅值為。轉(zhuǎn)速相同的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生三個(gè)平均轉(zhuǎn)矩。因此異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的總平均轉(zhuǎn)矩由、和三個(gè)平均轉(zhuǎn)矩分量構(gòu)成，即：異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)差率S變化的曲線如圖314所示。當(dāng)n＜，即s，定子受到的反向轉(zhuǎn)矩反作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子受到正向轉(zhuǎn)矩，0,起拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用；當(dāng)n＞，即s ，定子不動(dòng)，定子受到的正向轉(zhuǎn)矩反作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子受到反向轉(zhuǎn)矩，0 ，起制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用；當(dāng)n=，即s=，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)定子是靜止的，磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩=0。 轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)出頻率為的電流，產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為，與轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也是彼此相對(duì)靜止，兩者相互作用產(chǎn)生另一異步轉(zhuǎn)矩稱為磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出頻率為 的交流電流，由于交、直軸電抗不相等，轉(zhuǎn)子電流建立起的氣隙磁場(chǎng)可分解成兩個(gè)正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分別為 和。 當(dāng)只考慮定子電壓源的作用而忽略永磁體磁場(chǎng)的作用時(shí)，因永磁體的磁阻很大，可以近似地看成空氣，這時(shí)可以將內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)看作一臺(tái)磁路不對(duì)稱的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)通常有異步起動(dòng)、反拖并網(wǎng)和變頻起動(dòng)三種起動(dòng)方法，相對(duì)于其他兩種起動(dòng)方法，異步起動(dòng)法省去了復(fù)雜的起動(dòng)設(shè)備和昂貴的變頻器，在許多場(chǎng)合成為永磁同步電動(dòng)機(jī)的首選起動(dòng)方式。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于在轉(zhuǎn)子上安放了永磁體，使得其起動(dòng)過程比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更為復(fù)雜；在起動(dòng)過程中既有平均轉(zhuǎn)矩，又有脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且這些轉(zhuǎn)矩的幅值均隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而變化。3. 4異步啟起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣、在起動(dòng)過程中也要求具有一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)和最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。氣隙磁通波形系數(shù)電機(jī)基波磁通與氣隙主磁通之比，是永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通的波形系數(shù)。此外，永磁體的充磁方式不同，也有很大差異。 磁極裝有極靴的永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布和計(jì)算極弧系數(shù)的計(jì)算與電勵(lì)磁電機(jī)相同。即： （321）的大小取決于氣隙徑向磁場(chǎng)沿圓周的分布。為了便于磁路計(jì)算，引入了計(jì)算極弧系數(shù)。對(duì)于圖313所示的切向結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)空載漏磁系數(shù)的定義，為永磁體空載時(shí)的總磁通與進(jìn)入電樞的氣隙主磁通之比，即： （320） 式中AAAA4分別為圖312中節(jié)點(diǎn)4的磁位值。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路徑復(fù)雜多變，用解析法計(jì)算漏磁系數(shù)的誤差較大，一般只能用作粗略估算。當(dāng)較小時(shí)，說明永磁體提供總磁通一定時(shí)，漏磁通相對(duì)較小，永磁體的利用率就高；但是，另一方面，太小也不利，小，表明對(duì)電樞反應(yīng)的分流作用小，電樞反應(yīng)對(duì)永磁體兩端的實(shí)際作用值變大，永磁體的抗去磁能力減弱?？蛰d漏磁系數(shù)是指電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的總磁通與主磁通之比，它反映的是空載時(shí)永磁體向外磁路提供的總磁通的有效利用程度?？蛰d漏磁系數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載漏磁包括極間漏磁和端部漏磁，其中極間漏磁占主要部分。而且能否準(zhǔn)確計(jì)算修正系數(shù)直接影響到磁路計(jì)算的準(zhǔn)確程度。磁路計(jì)算時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形可近似簡(jiǎn)化為311矩形波——計(jì)算極弧寬度內(nèi)磁密幅值為而極間磁密為零。永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形如圖310所示。 永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)分析 磁路計(jì)算特點(diǎn) 進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)磁路計(jì)算時(shí)，可采用通常的電機(jī)磁路的磁位差計(jì)算方法。永磁同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗目前還沒有一個(gè)準(zhǔn)確實(shí)用的計(jì)算公式，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和具體情況取定。因此永磁同步電動(dòng)機(jī)鐵耗的準(zhǔn)確計(jì)算非常困難，工程上常采用與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)鐵耗計(jì)算類似的公式，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行修正。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組電阻損耗可按常規(guī)公式計(jì)算： (319) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗不僅與電動(dòng)機(jī)所采用的硅鋼片材料有關(guān)，而且隨電動(dòng)機(jī)的工作溫度、負(fù)載大小的改變而變化。其中，有些隨著負(fù)載大小變化，或者運(yùn)行狀況的不同而變化，稱為可變損耗，如銅耗，鐵耗和雜散損耗:與之對(duì)應(yīng)的，有些基本不受運(yùn)行條件變化影響的損耗，可稱之為不變損耗，如穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的機(jī)械損耗。磁阻轉(zhuǎn)矩的存在使得凸極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩峰值可以做的更大一些。矩角特性的最大值也就是永磁同步電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過該值，則電動(dòng)機(jī)將不能保持在同步轉(zhuǎn)速。合成轉(zhuǎn)矩為永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩的疊加。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性曲線如圖38所示： 圖38永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性曲線圖38中永磁轉(zhuǎn)矩是由永磁氣隙磁場(chǎng)與定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的這些穩(wěn)態(tài)性能均可從其基本電磁關(guān)系或從相量圖推導(dǎo)而得。實(shí)際值由永磁體產(chǎn)生的空載氣隙磁通算出，比較與，如果，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于去磁工作狀態(tài)，反之，則運(yùn)行于增磁工作狀態(tài)。左圖 c)所示為增、去磁臨界狀態(tài)時(shí)的向量圖，此 時(shí)，與I1相位相同。載反電勢(shì)E。a ) 欠勵(lì)時(shí)的向量圖 b)過勵(lì)、單位功率因數(shù)時(shí)的向量圖 圖37永磁同步電動(dòng)機(jī)相量圖 圖 a)中電流滯后于空載反電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)直軸電樞反應(yīng)為增磁性質(zhì)，導(dǎo)致電機(jī)直軸內(nèi)電動(dòng)勢(shì)大于空載反電動(dòng)勢(shì)。 根據(jù)電壓方程可以畫出異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同情況下運(yùn)行時(shí)的典型向量圖，如圖37所示: 圖中，為氣隙合成基波磁場(chǎng)直軸分量所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為直軸內(nèi)電動(dòng)勢(shì)；為超前的角度，即功率角，也稱轉(zhuǎn)矩角；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角；為與間的夾角，稱為內(nèi)功率因數(shù)角，超前E。間的夾角，稱為內(nèi)功率因數(shù)角。需要指出的是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小，使得電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反應(yīng)電感。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)相量圖 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁恒定，其運(yùn)行狀態(tài)是設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，為了達(dá)到高力能指標(biāo)和低成本兩個(gè)因素，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)通常設(shè)計(jì)在欠勵(lì)去磁狀態(tài)下。較大的和凸極率可以提高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)，但會(huì)使得電機(jī)在起動(dòng)過程中的振動(dòng)和噪聲變大，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。在相同條件下，上述三類內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗相差不大，但它們的交軸同步電抗卻相差很大。隨著永磁材料的發(fā)展，該結(jié)構(gòu)在稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)中逐漸失去了優(yōu)勢(shì)。 2 4 a） b） 5 圖33 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)于磁路結(jié)構(gòu) 1轉(zhuǎn)軸 2隔磁套 3永磁體 4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 5空氣隔磁槽混合式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)和制造工藝都比較復(fù)雜，制造成本也比較高。圖33 b）的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了圖33 a）中的隔磁套2，轉(zhuǎn)子沖片具有整體性。此外，采用該結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40%，對(duì)提高電機(jī)的功率密度和擴(kuò)展恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的。其優(yōu)點(diǎn)是一個(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。圖32 b）的V字形永磁體結(jié)構(gòu)最早見于英國(guó)某產(chǎn)品中，該結(jié)構(gòu)有效地利用了轉(zhuǎn)子空間。徑向式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)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。在該結(jié)構(gòu)中，永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。該結(jié)構(gòu)因轉(zhuǎn)子表面無法安放起動(dòng)繞組，無異步起動(dòng)能力，不能用于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)可充分得用轉(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，但漏磁系數(shù)和制造成本都有較凸出式大。 a) 凸出式