【正文】 一步發(fā)展和改進(jìn)，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[1]。近年來，永磁材料性能的改善以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步，推動了新原理、新結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的開發(fā)，有力地促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)、品種及功能的發(fā)展，某些永磁同步電機(jī)已形成系列化產(chǎn)品，容量從小到大，已達(dá)到兆瓦級，應(yīng)用范圍越來越廣；其地位越來越重要，從軍工到民用，特殊到一般迅速擴(kuò)大，不僅在微特電機(jī)中占優(yōu)勢，而且在電力推進(jìn)系統(tǒng)中也顯示出了強(qiáng)大的生命力。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文永磁同步電機(jī)的設(shè)計畢業(yè)論文 目 錄摘要…… IAbstract II第1章 緒論 4 課題背景 4 永磁電機(jī)發(fā)展趨勢 5 本文研究主要內(nèi)容 6第2章 永磁同步電動機(jī)的原理 7 7 永磁材料的概念和性能 7 釹鐵硼永磁材料 8 9 轉(zhuǎn)速和氣隙磁場有關(guān)系數(shù) 9 感應(yīng)電動勢和向量圖 10 交直軸電抗及電磁轉(zhuǎn)矩 12 小結(jié) 13第3章 永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計 14 永磁同步電機(jī)本體設(shè)計 14 永磁同步電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo) 14 定子沖片和氣隙長度的確定以及定子繞組的設(shè)計 15 轉(zhuǎn)子鐵心的設(shè)計 16 18 額定數(shù)據(jù)及主要尺寸 18 永磁體及定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計 19 繞組計算 23 磁路計算 26 參數(shù)計算 29 工作特性計算 33 起動特性計算 37 小結(jié) 41第4章 永磁同步電動機(jī)的性能分析及磁場分析 42 永磁同步電動機(jī)的性能分析 42 永磁同步電動機(jī)性能曲線 42 重要參數(shù)的變化對性能的影響 44 永磁同步電動機(jī)的磁路分析 46 永磁同步電動機(jī)的模型 46 在Ansoft Maxwell 2D 中運(yùn)行后的結(jié)果圖 47 小結(jié) 52結(jié)論 53致謝 54參考文獻(xiàn) 55附錄 A 56第1章 緒論 課題背景永磁同步電動機(jī)（PMSM）具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵磁繞組勵磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單。永磁同步電機(jī)以其效率高、功率大、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，體積小，質(zhì)量輕，損耗小，效率高，電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域[3]。日本1965年就開始研制電動車，于1967年成立了日本電動車協(xié)會[5]。m。在電動車驅(qū)動電機(jī)的選擇上，不同國家各有側(cè)重：英國、法國偏重于永磁無刷直流電機(jī)，德國偏重于開關(guān)磁阻電機(jī)。其最高轉(zhuǎn)速為12,500r/min，最大輸出功率32kW。在美國，感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計及其控制策略的發(fā)展較為成熟，所以電動車驅(qū)動電機(jī)還主要以感應(yīng)電機(jī)為主。 永磁電機(jī)發(fā)展趨勢永磁電機(jī)向大功率、高轉(zhuǎn)速、高力矩、高效率同時質(zhì)輕發(fā)展。高功率：德國西門子公司于1986年完成了1100kW，230r/ min機(jī)電一體化的交流永磁同步推進(jìn)電機(jī)；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)相比減少很多。高轉(zhuǎn)速：超高速電機(jī)典型產(chǎn)品如美國通用電氣公司早期研制的150kW，轉(zhuǎn)速為23000r/min的航空用起動發(fā)電機(jī)和日本的1000kW，轉(zhuǎn)速為15000r/min的釤鈷永磁同步發(fā)電機(jī)。高效率：永磁電機(jī)又是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié)電率高達(dá)10%以上，專用稀土永磁電機(jī)的節(jié)電率可高達(dá)15%~20%。在水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)需要無級變頻調(diào)速的場合，異步變頻調(diào)速可節(jié)電25%左右，而永磁變頻調(diào)速節(jié)電率高達(dá)30%以上[8]；竇滿鋒等[9]提出了油田抽油機(jī)專用稀土永磁同步電機(jī)的設(shè)計方法，%，功率因數(shù)提高13%，起動轉(zhuǎn)矩提高50%。國外提高電動機(jī)效率的主要途徑是：（1）通過對同步電動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計，增加銅、鋁、電工鋼板等有效材料用量，降低繞組損耗和鐵耗；（2）采用較好的磁性材料和工藝，以降低鐵耗；（3）合理設(shè)計通風(fēng)結(jié)構(gòu)和選用高性能軸承，降低機(jī)械損耗；（4）通過改進(jìn)設(shè)計和工藝，降低雜散損耗。美國提出將電動機(jī)推至極限，將生產(chǎn)超高效電動機(jī)。永磁電機(jī)的輕型化、微型化、高功能化、專業(yè)化、微型化。已開發(fā)的150W、轉(zhuǎn)速3000 r/min，工作在200～300℃Pa真空度環(huán)境下的三相四極永磁電動機(jī)，直徑105 mm、長145 mm，采用高溫特性好的永磁體[8]。專用電機(jī)是根據(jù)不同負(fù)載特性專門設(shè)計的，如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20%，可見專業(yè)電機(jī)的節(jié)能潛力和高功能匹配性。高性能、高檔永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)高性能、高檔永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)隨著我國航空航天、汽車、船舶、電站設(shè)備和國防工業(yè)等制造業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在裝備制造業(yè)中的重要性愈來愈明顯。高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。 本文研究主要內(nèi)容本文主要研究永磁同步電動機(jī)的本體設(shè)計，先掌握永磁同步電動機(jī)的原理，在此基礎(chǔ)上對一臺30kW容量的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行設(shè)計，并對其電機(jī)性能和磁場分布進(jìn)行仿真分析，具體內(nèi)容如下：1）論述永磁同步電動機(jī)的原理，包括永磁材料的特點(diǎn)，永磁同步電動機(jī)的基本電磁關(guān)系。3）用Ansoft軟件的Rmxprt模塊對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行性能分析，得到了永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)、電流、效率、轉(zhuǎn)矩的特性曲線，分別改變了永磁同步電動機(jī)的定子鐵心長，每槽導(dǎo)體數(shù)和永磁體磁化方向長度，得出這些參數(shù)對永磁同步電動機(jī)性能的影響。第2章 永磁同步電動機(jī)的原理 永磁材料的概念和性能永磁材料又稱“硬磁材料”。我們通常所說的永磁材料的磁性能，指的就是這四項。除磁性能外，永磁材料的物理性能還包括密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等；機(jī)械性能則包括維氏硬度、抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性等。永磁材料具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。圖 21磁滯回線對同一鐵磁材料，以不同的磁場強(qiáng)度分別進(jìn)行反復(fù)多次反復(fù)磁化，可得到多個大小不等的磁滯回線，如下圖22所示。圖 22 基本磁化曲線 釹鐵硼永磁材料釹鐵硼永磁材料是近年來發(fā)展起來的第三代稀土永磁材料，具有高磁能積、高矯頑力、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，但目前尚存在溫度系數(shù)大和使用溫度低等缺點(diǎn)。釹鐵硼永磁的主要成分是，是目前磁性能最強(qiáng)的永磁材料。由于不含鈷且釹在稀土中的含量遠(yuǎn)高于釤，釹鐵硼的價格比稀土鈷要低得多。常溫下退磁曲線下部發(fā)生彎曲，若設(shè)計不當(dāng)，易發(fā)生不可逆退磁。電動自行車電機(jī)、電腦驅(qū)動電機(jī)、車床等的行速與轉(zhuǎn)速的測量電機(jī)、電梯的曳引機(jī)電機(jī)、麻將電機(jī)、冰箱空調(diào)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)動電機(jī)、汽車發(fā)動電機(jī)等等應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。在永磁同步電動機(jī)中，可以認(rèn)為空載氣隙磁場是帶有諧波的平頂波，計算極弧系數(shù)直接影響到基波幅值的大小。假設(shè)交軸位置與直軸位置的磁阻相同，則產(chǎn)生一假象的氣隙磁密正弦波，其幅值為，交軸電樞反應(yīng)磁密波形系數(shù)為（26）（5）電樞反應(yīng)系數(shù)電樞反應(yīng)磁動勢為正弦波，勵磁磁動勢為方波，兩者的波形不同，求合成磁場時，通常將電樞反應(yīng)磁動勢折算到相應(yīng)的勵磁磁動勢。直軸電樞反應(yīng)磁動勢折算到勵磁磁動勢時應(yīng)乘以直軸電樞反應(yīng)系數(shù)，交軸電樞反應(yīng)磁動勢折算到勵磁磁動勢時應(yīng)乘以交軸電樞反應(yīng)系數(shù)。 感應(yīng)電動勢和向量圖（1）感應(yīng)電動勢定子繞組每相空載感應(yīng)電動勢的有效值為（29）式中：為永磁體產(chǎn)生每極基波磁通，為定子極距。圖 22 永磁同步電動機(jī)的向量圖（2）永磁同步電動機(jī)的相量圖在永磁同步電動機(jī)中，定子繞組滿足的電壓方程為（216）故（217）根據(jù)式（217）可畫出永磁同步電動機(jī)工作狀態(tài)下的向量圖，如圖22所示。在進(jìn)行計算時，可以認(rèn)為不隨鐵心飽和程度變化，而則受磁路飽和程度影響較大，應(yīng)考慮飽和影響。（221）式中：是電樞電流為純直流時的基波氣隙磁通。對于串聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)。 小結(jié)本章對永磁同步電動機(jī)的原理進(jìn)行了介紹，介紹了永磁材料和永磁同步電動機(jī)最常用的釹鐵硼永磁材料，對永磁同步電動機(jī)的基本電磁關(guān)系進(jìn)行了說明，講解了永磁同步電動機(jī)的基本向量圖，給出了永磁同步電動機(jī)的重要關(guān)系式，是了解永磁同步電動機(jī)的重要基礎(chǔ)。永磁同步電動機(jī)主要在要求高效節(jié)能的場合替代感應(yīng)電動機(jī)，因此設(shè)計的目標(biāo)是：高功率因數(shù)、高效率、起動性能好、經(jīng)濟(jì)好、工作可靠。在永磁電機(jī)的設(shè)計中,永磁材料的尺寸確定是非常重要的。永磁體尺寸包括軸向長度lm、磁化方向長度hm和磁化方向?qū)挾萣m 。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實際，運(yùn)用有關(guān)設(shè)計理論和計算方法，設(shè)計出性能要求和外形尺寸要求等，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實際，運(yùn)用有關(guān)設(shè)計理論與計算方法，設(shè)計出性能符合要求、可靠性高、經(jīng)濟(jì)型號的合格產(chǎn)品。永磁同步電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)組要有：（1）額定功率：額定運(yùn)行時轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。（3）額定頻率：額定運(yùn)行時的電源頻率。永磁同步電動機(jī)的主要性能指標(biāo)有：（1）額定效率。（3）最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)）；最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值，也稱過載能力。（5）起動電流倍數(shù)：起動過程中的最小轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比。（7）牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：牽入轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。當(dāng)較大時，定子諧波磁場減小，附加損耗降低；定子槽漏抗減??；槽中線圈邊的總散熱面積增大，有利于散熱；絕緣材料用量和加工工時增加，槽利用率低。對于常規(guī)用途的小功率永磁同步電動機(jī)，為提高零部件的通用性，縮短開發(fā)周期和成本，通常選用Y系列或Y2系列或Y3系列小型三相感應(yīng)電動機(jī)的定子沖片。在感應(yīng)電動機(jī)中，為減小激磁電流、提高功率因數(shù)，通常使氣隙長度盡可能小，而在永磁同步電動機(jī)中，功率因數(shù)可以通過調(diào)整繞組匝數(shù)和永磁體進(jìn)行調(diào)整，氣隙長度對雜散損耗影響較大，~。 定子繞組的設(shè)計永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場含有大量的諧波，感應(yīng)電動勢中諧波含量也較高，為避免三次諧波在繞組各相之間產(chǎn)生環(huán)流，三相繞組的連接通常采用Y形接法。其中單層繞組又分為同心式、鏈?zhǔn)胶徒徊媸剑瑓^(qū)別在于端接形狀、線圈節(jié)距和線圈之間的連接順序。單層繞組的優(yōu)點(diǎn)是：① 槽內(nèi)無層間絕緣，槽利用率高；② 同一槽內(nèi)導(dǎo)體屬于同一相，不會發(fā)生層間擊穿；③ 線圈數(shù)比雙層少一倍，線圈制造和q嵌線方便。其中同心式繞組的端部用銅多，線圈尺寸不同，制造復(fù)雜，多適用于=8的二極電機(jī)；鏈?zhǔn)嚼@組適用于=2的8極電機(jī)；交叉式繞組適用于為奇數(shù)的電機(jī)。缺點(diǎn)是絕緣材料用量多，嵌線麻煩。為消弱磁勢及感應(yīng)電動勢中的5次、7次諧波，通常選擇節(jié)距=。正弦繞組。（2）每相串聯(lián)匝數(shù)的確定永磁同步電動機(jī)的起動性能和功率因數(shù)都與每相串聯(lián)匝數(shù)直接相關(guān)。永磁同步電動機(jī)的起動能力比感應(yīng)電動機(jī)差，故每相串聯(lián)匝數(shù)少，起動電流倍數(shù)高。導(dǎo)線截面積為 （31）式中：為并繞根數(shù)。小型永磁同步電動機(jī)通常采用圓銅線，為便于嵌線，線徑應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)值。 轉(zhuǎn)子鐵心的設(shè)計 定轉(zhuǎn)子槽配合同感應(yīng)電動機(jī)類似，當(dāng)永磁同步電動機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合不當(dāng)時，會出現(xiàn)附加轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生振動和噪聲增加，效率下降。（2）為避免起動過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的異步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該使轉(zhuǎn)子槽數(shù)。（4） 為避免單向振動力，應(yīng)、。為了有效隔磁，通常用采用平底槽。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的主要作用是用于起動，同步運(yùn)行時，氣隙基波磁場不再轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)電流，因此在設(shè)計轉(zhuǎn)子槽和導(dǎo)條時，主要考慮起動性能、牽入同步性能和轉(zhuǎn)子齒、軛部磁密裕度較大。用于永磁體是從轉(zhuǎn)子端部放入轉(zhuǎn)子鐵心的，從工藝方面考慮，通常永磁體槽和永磁體之間有一定的間隙，其大小取決于沖片的加工和疊壓工藝水平，~。確定永磁體充磁方向長度的原則是：在永磁材料用量盡可能少的前提下，保證永磁體在電機(jī)最大去磁工作狀態(tài)下不會發(fā)生不可逆去磁，保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下有合理的工作點(diǎn)。 額定數(shù)據(jù)及主要尺寸（1）額定功率：（2）相數(shù)：（3）額定線電壓：（4）額定頻率：（5）極對數(shù)：（6）額定效率：（7）額定功率因數(shù)：（8）失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：（9）起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：（10）起動電流倍數(shù)：（11）繞組形式：雙層、Y聯(lián)接（12）額定相電壓：（13）額定相電流：（14）額定轉(zhuǎn)速：（15）額定轉(zhuǎn)矩：（16）轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)：串聯(lián)式結(jié)構(gòu)（17）氣隙長度：（18）定子外徑：（19）定子內(nèi)徑：（20）轉(zhuǎn)子外徑：（21）轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：（22）定/轉(zhuǎn)子鐵心長度：（23）電樞計算長度：式中：。 永磁體及定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計（28）永磁材料：永磁體為燒結(jié)釹鐵硼永磁。（31）磁化方向長度：（32）每極永磁體寬度：（33）永磁體軸向長度：（34）提供每極磁通的截面積：（35）永磁體重量：式中：。槽絕緣面積：槽絕緣厚度：槽有效面積：槽滿率：。（57）繞組分布因數(shù)：（58）斜槽因數(shù)：。，雙層線圈端部斜邊長：式中：為線圈節(jié)距有關(guān)的系數(shù)，對單層同心式線圈或單層交叉式線圈，平均值，對其他形式線圈。 磁路計算（64）極弧系數(shù)：（65）計算極弧系數(shù)：（66）氣隙磁密波形系數(shù)：（67）氣隙磁通波形系數(shù)：（68）氣隙系數(shù)：式中：（69）永磁體空載工作點(diǎn)假定值：（70）空載漏磁通系數(shù)假定值：（71）空載漏磁通：（72）氣隙磁密：（73）氣隙磁位差：直軸磁路交軸磁路。（78）轉(zhuǎn)子齒磁密：（79）轉(zhuǎn)子齒磁位差：。轉(zhuǎn)子內(nèi)部漏磁系數(shù)轉(zhuǎn)子端部漏磁系數(shù)空載漏磁系數(shù)：（84）齒磁路飽和系數(shù)：（85）主磁導(dǎo)：（86）主磁導(dǎo)標(biāo)幺值：（87）外磁路總磁導(dǎo)標(biāo)幺值：（88）漏磁導(dǎo)標(biāo)幺值：（89）永磁體空載工作點(diǎn)：（90）氣隙磁密基波幅值：（91）空載反電動勢： 參數(shù)計算（92）定子直流電阻：式中：銅線電阻率。（94）轉(zhuǎn)子繞組重量：