【正文】 效率和功率密度 。 2． 1 永磁同步電機(jī) 分類 永磁同步電機(jī)分類方法主要有： ? 按工作主磁場(chǎng)方向分為：徑向磁 場(chǎng)式、軸向磁場(chǎng)式； ? 按電樞繞組位置可分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常規(guī)式）、外轉(zhuǎn)子式； ? 按轉(zhuǎn)子上有無(wú)啟動(dòng)繞組可分為： 無(wú)起動(dòng)繞組電動(dòng)機(jī)（用于變頻器供電場(chǎng)合，利用頻率的逐步升高啟動(dòng)，并隨頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)）、有起動(dòng)繞組電動(dòng)機(jī)（既可用于調(diào)速運(yùn)行又可在某一頻率和電壓下利用起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，常稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)）； ? 按供電電流可分為：矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)、正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）。 2． 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵心可做成實(shí)心或疊片疊壓而成。一般來(lái)說(shuō)，矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用整距繞組，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用分布短距繞組。定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)類似。 永磁同步電機(jī)的定子為三相對(duì)稱繞組，與三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相同。驅(qū)動(dòng)器為交 直 交電壓型逆變器，通過(guò)正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度 1 2/fp??? ,其中 p 為電動(dòng)機(jī)對(duì)數(shù)。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)θ功率角，負(fù)載愈大，θ也愈大，直到一個(gè)極限角度θ m，電動(dòng)機(jī)失步為止。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。又由于它只能在頻率漸升情況下才能啟動(dòng)，所以也不適于快速啟動(dòng)。 (2) 可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動(dòng)態(tài)需求 常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達(dá)要求，需選擇更大容量的異步電動(dòng)機(jī)，而到了正常運(yùn)行狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)則又處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。 (3) 能滿足 低速直接驅(qū)動(dòng)的需求 為了提高控制精度、減小振動(dòng)噪聲、杜絕油霧帶來(lái)的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的需求，近年來(lái)對(duì)低速電動(dòng)機(jī)的需求也不斷增長(zhǎng)。又如船用吊艙式電力推進(jìn)器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)置于船艙外的吊艙，無(wú)需原來(lái)的傳動(dòng)系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，實(shí)現(xiàn)船舶的運(yùn)行和控制。 (4) 能滿足 多極高功率因數(shù)的需求 近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)朝著多極化發(fā)展，多極電機(jī)可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機(jī)體積、減少鐵心用量。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子采用 60 極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)房電梯。而該 60 極永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高達(dá) ，空載、輕載時(shí)甚至可達(dá) 1，節(jié)能效果明顯。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于無(wú)需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負(fù)荷，使電機(jī)尺寸縮小。傳統(tǒng)電機(jī)的齒槽結(jié)構(gòu)，約束著磁負(fù)荷和電負(fù)荷的關(guān)系，過(guò)高的磁負(fù)荷將減小放置繞組的空間，成為實(shí)現(xiàn)高功率密度的瓶 頸。橫向永磁電機(jī)我國(guó)目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。此外橫向磁場(chǎng)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。由于永磁同步電 動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向矢量變換控制，因此近年來(lái)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高科技設(shè)備的主流。外國(guó)產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國(guó)內(nèi)所有市場(chǎng)，功率一般為 20W～ 15KW。 此外機(jī)械加工設(shè)備的更新，需要各種永磁同步電動(dòng)機(jī) 。 3． 2 電機(jī) 結(jié)構(gòu) 本電機(jī)適用于 噸以下車輛，采用徑向磁場(chǎng) 、 繞組內(nèi)置 、 W 型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，其 大致 尺寸如下圖： 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 31 本電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸 3． 3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能 分析 3． 3． 1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和相量圖 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）與電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來(lái)研究。 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論可寫(xiě)出永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 [8]： 0 1 1 1 10 1 1d ad q aqd d q qU E I R j I X j I X j I XE I R j I X j I X? ? ? ? ?? ? ? ? （ 31） 式中 0E— 永磁氣隙基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的每相空載反電動(dòng)勢(shì)有效值（ V）； U — 外施 相電壓有效值（ V）； 1I— 定子相電流有效值（ A）； 1R — 定子繞組相電阻（ ? ）； 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 adX 、 aqX — 直、交軸電樞反應(yīng)電抗（ ? ）； 1X — 定子漏抗（ ? ）； dX — 直軸同步電抗， 1d adX X X?? （ 32） qX — 交軸同步電抗， 1q aqX X X?? （ 33） dI 、 qI — 直、交軸電樞電流（ A） 11sincosdqIIII???? （ 34） ? —1I與0E的夾角（ ），稱為內(nèi)功率因數(shù)角 ，1I超前0E時(shí)為正。 圖 32 永磁電機(jī)的幾種典型向量圖 其中 E? 為氣隙和成基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)； dE 為氣隙和成基波磁場(chǎng)直軸分北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 量所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) ，稱為直軸內(nèi)電動(dòng)勢(shì)； ? 為 U 超前0E的角度，即功率角，也成為轉(zhuǎn)矩角，這一角度與 輸入功率、輸出功率密切相關(guān)； ? 為電壓 U 超前定子相電流1I的角度，即功率因數(shù)角 [9]。E相同）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程： 0 1 1cos 39。 qE U I X I R? ? ? （ 36） 上式通常用來(lái)判斷所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)是運(yùn)行于增磁狀態(tài)還是運(yùn)行于去磁狀態(tài)。E ，若前者大于后者，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于去磁工作狀態(tài)，反之將運(yùn)行于增磁工作狀態(tài)。 3． 3． 2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能分析計(jì)算 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能包括：效率、功率因數(shù)、輸入功率、電樞電流與輸出功率之間的關(guān)系以及失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等。 m） 20 11s in s in 22emem d d qP m p E U m p UT X X X???? ??? ? ? ???? ?? （ 316） 式中 ? — 電動(dòng)機(jī)的電角速度； p — 電動(dòng)機(jī)的 極對(duì)數(shù)。 圖 33（ a）為計(jì)算所得的“（電磁轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩） — 轉(zhuǎn)矩角”曲線 ，圖中曲線 1 為式（ 16）第一項(xiàng)，即永磁氣隙磁場(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，又稱永磁轉(zhuǎn)矩；曲線 2 為 式（ 16）中第二項(xiàng)，既由于電動(dòng)機(jī)d、 q 軸磁路不對(duì)稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩；曲線 3 為曲線 1 與曲線 2 的合成。 圖（ b）為本同步電動(dòng)機(jī)的“（輸出轉(zhuǎn)矩 /額定轉(zhuǎn)矩） 轉(zhuǎn)矩角曲線” [11]。最大轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩NT 的比值 0 max/pNT T T? 稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù) [12]。 圖 34 本設(shè)計(jì)中平底槽電機(jī)的工作特性曲線 （ 每槽導(dǎo)體數(shù) sN =5） 由圖 34 可見(jiàn)，輸出功率的不斷增大，要求有更大的 輸入功率，即要求有更高的定子相電流提供更強(qiáng)的磁場(chǎng)。電動(dòng)機(jī)的工作曲線圖是電動(dòng)機(jī)的工作性能重要體現(xiàn)。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)溫度和負(fù)載的變化導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中永磁體體工作點(diǎn)改變，定子齒、軛部磁密也隨之變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)的鐵耗。 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)試驗(yàn)值進(jìn)行修正。 由 ?? 不難求出定子齒、軛部磁密 ，進(jìn)而求出電動(dòng)機(jī)的鐵耗。 3． 3． 3． 4 雜散損耗 永磁同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗 sp 目前沒(méi)有還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確實(shí)用的計(jì)算公式，一般取根據(jù)具體情況和經(jīng)驗(yàn)取定。當(dāng)定子相電流為 1I 時(shí)電動(dòng)機(jī)的雜散損耗（ W）可用下式近似計(jì)算： 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 2 *31 10s sN NNIp p PI???????? 其中 NI — 電動(dòng)機(jī)額定相電流（ A）； sNp — 電動(dòng)機(jī)輸出額定功率 時(shí)的雜散損耗（ W）。永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形如圖 34 所示。圖中永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形基本上為一平頂波，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形相差較大，而與直流電機(jī)的空載氣隙磁密波形相似。 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 36 永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密近似波形 圖 37 內(nèi)置混合式 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 3． 4． 1． 1 計(jì)算極弧系數(shù) 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式不同，其極弧系數(shù)p?和計(jì)算極弧系數(shù)i?的計(jì)算公式也不同。 3． 4． 1． 2 氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù) 如圖 35 所示，經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解后，可得到永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密基波幅值（ T） 1 4 si n 2iBB?????? （ 322） 因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形系數(shù) 1 4 s in2if BK B?? ????? （ 323） 永磁同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)永磁體提供的氣隙磁通（ Wb） 400 0 10m r mb B A? ????? （ 324） 式中 mA — 永磁體提供每級(jí)磁通的面積（ 2cm ）； 空載時(shí)永磁體提供的氣隙基波磁通（ Wb） 41 0 1 12 10efBL? ?? ?? ? ? （ 325） 式中 efL — 電樞計(jì)算長(zhǎng)度（ cm）。 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 3． 4． 2 永磁體工作點(diǎn)的計(jì)算 3． 4． 2． 1 空載和負(fù)載工作點(diǎn)的計(jì)算特點(diǎn) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)包括：徑向式、切向式和混合式。 永磁體磁動(dòng)勢(shì)源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì) 22 10c c MF H h ??? （ 327） 永磁體虛擬內(nèi)稟磁通 410r r mBA ?? ? ? （ 328） 式中 rB ， cH — 在工作溫度下永磁材料的計(jì)算剩磁密度和計(jì)算矯頑力。 永磁同步電動(dòng)機(jī)直軸電樞磁動(dòng)勢(shì) adF （ A/極） 1 .3 5 dp adad dK NKFIp? （ 330） 則其作用于永磁體的去磁磁動(dòng)勢(shì) 標(biāo)么值 39。 將 上述式（ 327）至式（ 331）進(jìn)行迭代計(jì)算（在迭代計(jì)算中具 體論述）即得到永磁體工作點(diǎn)。 0E （ V）由電動(dòng)機(jī)中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生，其值為 00400 4 10dpm r mdpE fK N Kb B AfK K????????? （ 332） 0E 的大小不僅決定了電動(dòng)機(jī)是運(yùn)行于去磁狀態(tài)還是增磁狀態(tài)，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能有很大的影響。 3． 5． 2 交、直軸電樞反應(yīng)電抗 對(duì)于一臺(tái)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)直軸電流 dI 從 增大到 NI 時(shí)，其直軸電樞反 應(yīng)電抗 adX 從 ? 增至 ? ；而交軸電流從 增大到 NI 時(shí)，交軸電樞反應(yīng)電抗 aqX 從? 降至 ? 。 考慮交軸磁路飽和時(shí) aqX 需迭代求解，其步驟在迭代計(jì)算部分中具體闡述。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，電動(dòng)機(jī)的交、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)也各有差別。 fK 可由 式（ 323）得到， dK 、 qK 為電動(dòng)機(jī)交、直軸電樞反應(yīng)磁密的波形系數(shù)。本設(shè)計(jì)中取 dK =1， qK =。 3． 6． 1 主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的選擇 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與普通電動(dòng)機(jī)的主要尺寸一樣，包括定子沖片內(nèi)徑 1iD 和電樞計(jì)算長(zhǎng)度 efL 。在這種情況下，待設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)一般要求與原來(lái)電動(dòng)機(jī)同中心高，顧客在原來(lái)電動(dòng)機(jī)主要尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步的估算，然后再調(diào)整設(shè)計(jì)，直至電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成功。在這種情況下，由給定