【正文】 較為復(fù)雜，制造有很大的難度，因此使得轉(zhuǎn)子沖片的機械強度依次也有所下降，加工成本也比較高。因此轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇原則有以下幾點：1) 為保證電機的性能需要能放置足夠多的永磁體；2) 要有可行的隔磁措施；3) 轉(zhuǎn)子的機械強度要足夠高；4) 要有適當(dāng)?shù)亟?、直軸同步電抗及其比例Xq/Xd。由于轉(zhuǎn)子上安裝的永磁體自身的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸、異性相斥的原理，進(jìn)而在定子中的旋轉(zhuǎn)磁場就會帶著轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同。電動機是在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁路的不對稱而引起磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)矩等共同作用下使得電動機的轉(zhuǎn)速從零開始逐漸增大，并在這個過程中的轉(zhuǎn)速是震蕩著上升的。當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速從零逐漸增大接近于定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度時，永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速有可能會超過同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而會出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象，但是經(jīng)過一段時間的轉(zhuǎn)速震蕩后，最終會在同步轉(zhuǎn)矩的作用下將其牽入到同步運行狀態(tài)。(1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、噪聲低、具有很明顯的節(jié)能效果；(2) 功率密度大、功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速；(3)運行效率高，轉(zhuǎn)子中有永磁體勵磁，無需勵磁，轉(zhuǎn)子無繞組并且定子繞組的損耗較??；(4)電機的體積小、重量輕、便于維護保養(yǎng)；(5)內(nèi)置式交直軸的磁阻不同，進(jìn)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁路不對稱，弱磁性能也好，但表面式的弱磁性能較差；(6)電機性能受到氣隙長度的影響要遠(yuǎn)小于感應(yīng)電機，因此氣隙要比同功率的感應(yīng)電動機大的多；(7)具有較寬的經(jīng)濟運行范圍，可在其25%—120%中有效額定負(fù)載范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和高效率；(8)制造工藝較為復(fù)雜，成本也高。由于異步啟動永磁同步電動機主要用在高效節(jié)能來代替感應(yīng)電動機的場合，因此它在設(shè)計方面也有了一定的要求，即它的設(shè)計要與產(chǎn)品規(guī)格、實際使用環(huán)境并且符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是高效率、經(jīng)濟運行可靠、高功率因數(shù)和起動性能好。其中異步起動永磁同步電動機的電磁設(shè)計的任務(wù)主要包括主要尺寸的確定、定轉(zhuǎn)子沖片及槽形的尺寸和繞組參數(shù)等的參數(shù)設(shè)計進(jìn)而滿足生產(chǎn)實際的需求。所以對其進(jìn)行電磁設(shè)計時，最重要的就是對電機主要尺寸的確定，主要尺寸大小的確定直接會影響到電動機自身的體積、成本、性能和經(jīng)濟可靠性。由于永磁同步電機的內(nèi)部要安置永磁體，因此我們要盡可能的去選擇相對比較小的主要尺寸，也就是說要選擇相對比較大的轉(zhuǎn)子尺寸以便有足夠大的空間來放置永磁體[3]。~[11]。因此為了避免三次諧波在繞組中產(chǎn)生環(huán)流，電動機的定子三相繞組常采用Y型聯(lián)結(jié)。因此為滿足這些要求，定子槽通常選用半閉口的梨形槽。為了有更好的隔磁效果，在小型內(nèi)置式永磁同步電動機中，槽高度較小、轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)沒有感應(yīng)電動機的明顯而且凸形槽和刀形槽的形狀復(fù)雜，沖模加工難度系數(shù)大，所以常采用梯形槽。在電動機對牽入轉(zhuǎn)矩的要求不高時，轉(zhuǎn)子槽可做小一些。所以要盡可能的減小轉(zhuǎn)子電阻并且轉(zhuǎn)子槽不能開的過淺過窄。為了減少因電動機的定轉(zhuǎn)子槽配合不當(dāng)而出現(xiàn)附加轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而增加電動機的振動和噪聲，使其效率下降。p ，Q2≠Q(mào)1＋2p；（4）為了避免單向振動力，應(yīng)使Q2≠Q(mào)1177。p177。本文設(shè)計的永磁同步電動機，綜合考慮每極永磁體總寬度和永磁體的磁化方向長度進(jìn)而選擇采用分散性能較小的矩形永磁體。永磁體充磁方向長度要能夠在盡可能少用永磁材料的前提下，電樞磁動勢產(chǎn)生最大去磁時不會發(fā)生不可逆去磁。目前，用于永磁同步電機電磁設(shè)計的方法主要有等效磁路法和數(shù)值解法，其中數(shù)值解法中用的最多的是有限元分析法。（2）數(shù)值解法—有限元法有限元法具有各個環(huán)節(jié)統(tǒng)一、通用的優(yōu)點，可以很好的處理非線性問題，程序易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，適用于計算機的計算，近年來在實踐工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1415]。(26). 定/轉(zhuǎn)子槽數(shù)：(27).定子每極每相槽數(shù)：(28).極距：(29).硅鋼片質(zhì)量：式中，—沖剪余量 ，；為和中最小者；鐵的密度 ，； —鐵心的疊壓系數(shù) 。(32)．計算矯頑力：式中，—時燒結(jié)釹鐵硼永磁剩磁矯頑力。(34)．磁化方向長度：(35). 每極永磁體寬度：(36). 永磁體軸向長度：(37). 提供每極磁通的截面積：(38). 永磁體的總質(zhì)量：式中， —永磁體的密度。(52). 轉(zhuǎn)子軛磁路計算長度：(53). 每槽導(dǎo)體數(shù)：(54). 并聯(lián)支路數(shù)：(55). 并繞根數(shù)線徑：式中，為并繞根數(shù)；為導(dǎo)線裸線直徑（mm）。槽絕緣面積：式中，—槽絕緣厚度，槽有效面積： 槽滿率: 式中，—導(dǎo)線的雙邊絕緣厚度， (58). 節(jié)距：y=12槽(59).繞組節(jié)距因數(shù)：式中。(61). 斜槽因數(shù)：式中。(64). 線圈端部軸向投影長：(65).線圈端部平均長：(66).定子導(dǎo)線質(zhì)量：(67). 極弧系數(shù)：(68). 計算極弧系數(shù)：(69).氣隙磁密波形系數(shù)：(70).氣隙系數(shù)：(71).氣隙磁通波形系數(shù)：式中，(72). 空載漏磁系數(shù)假定值：(73).永磁體空載工作點假定值：(74).空載主磁通：(75).氣隙磁密：(76).氣隙磁位差：直軸磁路交軸磁路式中，—永磁體在磁化方向上與永磁體槽間的間隙，以下列式中所用到的有關(guān)場強H的值均為根據(jù)所對應(yīng)磁密B查硅鋼片磁化曲線所得到(77).定子齒磁密：(78). 定子齒磁位差：(79).定子軛磁密：(80).定子軛磁位差：式中，—定子軛部校正系數(shù)，查表得。(85).每對極總磁位差：計算漏磁系數(shù)時，每極總磁位差為：(86).空載漏磁系數(shù)計算：1) 通過轉(zhuǎn)子槽的漏磁通為2) 通過隔磁磁橋的磁通為式中，—隔磁磁橋1的寬度，；—隔磁磁橋2的寬度。5) 空載漏磁系數(shù)與設(shè)定值之間的誤差小于1%，合格。(93).氣隙磁密基波幅值：(94).空載反電動勢：(95). 定子直流電阻：式中，—銅線電阻率，(96).轉(zhuǎn)子折算電阻：導(dǎo)條電阻：端環(huán)電阻：式中， （對鑄鋁轉(zhuǎn)子）；—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條長度，；—導(dǎo)條截面積，；—端環(huán)平均直徑，—端環(huán)截面積，；—導(dǎo)條電阻率，；—端環(huán)電阻率。(106).轉(zhuǎn)子槽漏抗：(107).轉(zhuǎn)子諧波漏抗：式中， 。(129).總損耗：(130).輸出功率：(131).效率：(132).工作特性：給定了一系列遞增功角，可分別求出在這些不同功角下的電機、等性能參數(shù)，即為電機的計算工作特性。因為永磁同步電機的最大功率出現(xiàn)在時，因此其結(jié)果可取第二象限的值，得到，進(jìn)而得到的電磁功率的最大值為(134).永磁體額定負(fù)載工作點：(135).電負(fù)荷：(136).電流密度： (137).熱負(fù)荷：(138).永磁體最大去磁工作點： 式中，(139). 起動電流假定：(140).漏抗飽和系數(shù)：由查得式中， (141). 齒頂漏磁飽和引起定子齒頂寬度的減小：(142).齒頂漏磁飽和引起轉(zhuǎn)子齒頂寬度的減?。?143).起動時定子槽比磁導(dǎo)：式中，(144).起動時定子槽漏抗：(145).起動時定子諧波漏抗：(146).起動時定子斜槽漏抗：(147).起動時定子漏抗：(148).考慮擠流效應(yīng)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相對高度：式中，—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條實際高度，—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條實際寬度與轉(zhuǎn)子槽實際寬之比，對鑄鋁轉(zhuǎn)子取1。(150).槽漏抗等效高度：式中。(153).起動時轉(zhuǎn)子槽下部漏磁導(dǎo)：(154).起動時轉(zhuǎn)子槽比漏磁導(dǎo)：式中， (155).起動時轉(zhuǎn)子槽漏抗：(156).起動時轉(zhuǎn)子諧波漏抗：(157).轉(zhuǎn)子起動漏抗：(158).起動總漏抗：(159).轉(zhuǎn)子起動電阻：(160).起動時總電阻：(161).起動總阻抗：(162).起動電流： (163). 起動電流倍數(shù)： (164).異步起動轉(zhuǎn)矩曲線： 式中，；；。第四章永磁同步電機的有限元分析 Ansoft 簡介Ansoft 公司的Maxwell 2D/3D是具有強大功能、結(jié)果精確、使用也比較容易的二維/三維并且是用于電磁場的有限元分析的一款軟件。而且它在易用性上要領(lǐng)先于其他軟件，是因為它自身所具有的特點，即它的用戶界面是自上而下進(jìn)行執(zhí)行的、自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)也是比較領(lǐng)先的同時它也具有用戶定義的材料庫等。 Ansoft軟件的特點 第一，該軟件擁有許多已開發(fā)成熟的電機模型，這給使用者帶來了極大的方便，可以直接從中Rmxprt調(diào)用；第二，使用者可以直接從Rmxprt中生成2D模型，甚至可以進(jìn)一步生成3D模型；第三，該軟件尤其是特別設(shè)計的電機驅(qū)動電路部分Simplorer，他可以與電機模型一起進(jìn)行仿真，并且可提供一個整體的電機系統(tǒng)思路，而且還能夠同Matlab/Simulinks進(jìn)行聯(lián)調(diào)仿真[18 20 ]。它的位函數(shù)要比場量的本身更容易建立邊界條件，因此在電機的磁場分析中通常都采用位函數(shù)來表示。其中積分形式所使用的求解方式是積分方程法，而微分方程則對應(yīng)的是微分方程法。所謂有限元法，它就是要將整個大區(qū)域分割成許多個很小的子區(qū)域，因此這些子區(qū)域通常稱為“單元”或者稱為“有限元”，通常是將求解邊界問題的原理應(yīng)用在這些子區(qū)域中，進(jìn)而來求解每一個小區(qū)域，通過選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)使得每個單元計算起來比較簡單，并進(jìn)行重復(fù)的簡單計算，最后將各個小區(qū)域的結(jié)果總和起來進(jìn)而得到整個區(qū)域的解。表41 永磁同步電機的設(shè)計參數(shù)項目數(shù)值項目數(shù)值極對數(shù)2轉(zhuǎn)子外徑/mm軸長/mm180轉(zhuǎn)子內(nèi)徑/mm80定子外徑/mm368轉(zhuǎn)子槽數(shù)40定子內(nèi)徑/mm245永磁體厚度/mm133定子槽數(shù)48永磁體寬度/mma)電機的總體結(jié)構(gòu)模型圖 （b）電機的四分之一模型圖，剖分單元就是前面所提到的三角形剖分單元，其中氣隙的剖分較為緊密。根據(jù)上一章所述的永磁同步電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們利用了Ansoft有限元軟件對電機進(jìn)行了建模和仿真，并且得到了該電機的轉(zhuǎn)子氣隙的磁力線分布和氣隙的磁密云分布的情況。:氣隙磁密的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是符合要求的的。當(dāng)然，我們也不可以忽略3次諧波在諧波含量中的比例。根據(jù)上一章所設(shè)計好的自起動永磁同步電機的參數(shù)，我們在Ansoft軟件中進(jìn)行了建模和仿真，并且獲得了其啟動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，、。這說明了電機的啟動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速已達(dá)到了設(shè)計要求。就像前一章所示，異步起動永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩為：由上式異步起動的永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式我們可以看出，該電機的電磁轉(zhuǎn)矩主要是由兩個部分組成的，一是由電樞反應(yīng)磁場和永磁磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，即永磁轉(zhuǎn)矩；二是由直軸和交軸磁阻不等所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。 異步起動永磁電機的功角特性曲線我們知道，在電勵磁同步電機中，直軸電抗大于交軸電抗，電磁轉(zhuǎn)矩最大值對應(yīng)的功角小于90176。[23]。的位置上的，同時這與理論計算所得出的結(jié)果 110176。自啟動永磁同步電機產(chǎn)生的損耗主要包括定子鐵耗、定子繞組銅耗、機械損耗和雜散損耗。由于自起動永磁同步電機定子繞組導(dǎo)線面積很小，可以忽略其集膚效應(yīng)，而鼠籠轉(zhuǎn)子只有在電機起動的時候才起作用，因此可以忽略轉(zhuǎn)子銅耗。定子銅耗中諧波含量很小，主要為基波損耗[25]。永磁同步電機正常運行時，在定轉(zhuǎn)子鐵心中還會產(chǎn)生鐵耗，如圖所示。本文設(shè)計的電機穩(wěn)定運行時鐵耗為782W，比等效磁鏈法計算值小，有限元計算本身就會導(dǎo)致誤差。我們都知道，本文中電機的數(shù)值法所采用的是二維場，而實際上的電機模型卻是3D的立體結(jié)構(gòu)，由于在2D的數(shù)值法中并沒有過多的考慮電機的疊壓系數(shù)，這就可能會導(dǎo)致結(jié)果上的差異，進(jìn)而影響了用兩種計算方法所得出的電機的額定效率及功率因數(shù)等數(shù)值上的差異。由以上所給出的仿真結(jié)果的圖形我們可以看出，前文所設(shè)計好的電機及其性能基本都已達(dá)到要求。第五章 結(jié)論針對目前應(yīng)用前景最為廣泛的擁有異步啟動能力的永磁同步電機，本文利用了常規(guī)感應(yīng)電動機的設(shè)計方法，對功率為40Kw的永磁同步電機進(jìn)行了電磁設(shè)計。(2)對一臺功率為40Kw的永磁同步電動機進(jìn)行了性能設(shè)計，其中包括我們使用了等效磁路法和數(shù)值解法兩種不同的方法所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，并對此進(jìn)行了比較分析也驗證了電機的功角特性和起動特性。從這些分析結(jié)果可以說明，我們利用Ansoft仿真的結(jié)果與用等效磁路法的結(jié)果差不多是相符合的，同時這也進(jìn)一步證明了利用電磁分析軟件Ansoft進(jìn)行建模與仿真的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)[1] （第2版）.中國電力出版社，.[2] 唐任遠(yuǎn)、安忠良、.[3] 、設(shè)計與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，.[4] Jacek ,Mitchell Wing. 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