毕业论文（设计）：电动汽车用永磁同步电动机设计.doc

北京理工大学本科生毕业设计（论文）第1章 引 言1.1电动车辆发展背景汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁，再综合能源问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划1，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。 电动汽车是以电为动力的汽车，电动机是其主要动力来源。1.2电动汽车分类目前的电动汽车分类主要有以下两种：1） 燃料电池电动汽车 初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不方便、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想发展电动汽车必须在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年代，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的016kW/kg，提高到2000年的047kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车发展的希望2。 燃料电池汽车(Fuel CellPowered E1ectric Vehicles)实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的发展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在研究攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的革命。1996年，北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上，参展的电动汽车有福特的Ranger电动轻卡车，通用的EV1型车，丰田的RAV4L型车，PSA集团的SAXO型车，菲亚特的ZIC等车型，充分展示了电动汽车的发展水平。此外，还有很多混合动力汽车展出。1999年，在日本东京国际车展上，展出的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW的燃料电池汽车；奔驰公司A级燃料电池汽车，车内空间与内燃机车型相同。功率为50kW，最高速度为150km/h；三菱公司功率为40kW的燃料电池汽车；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料电池汽车的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了号称“氢动一号”的燃料电池汽车，应用液态氢驱动燃料电池组，总体积与一台普通汽油机相当，功率为80120kW，整车质量为1575kg，0100km/h加速时间仅为12秒，这些指标与相应的汽油机汽车基本相当。丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV4，输出功率为90kW，最高时速150km，续驶里程250km。 现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇和乙醇等等，这些代用燃料汽车都已投入实际使用，尤其是压缩天然气和液化石油气汽车使用得更广泛一些。另外，还有正在研究阶段的太阳能汽车，以及在设想中的核能汽车等新能源汽车。但是从资源的角度和现在发展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的发展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会逐渐解决。各大公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线。据说，戴姆勒克莱斯勒、通用、福持、丰田、本田的电动车路试工作已结束，2002年将投入商业化生产。估计到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1左右。图1-1 氢燃料电池车基本工作原理2）混合动力汽车 混合动力汽车也称为复合动力汽车(Hybrid Vehicle)。混合动力汽车是兼顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。也就是说，可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多(见表3)，虽然比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要容易实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式并联和混联(串联与并联混合)。在并联形式中，电动机与蓄电池都控制在最小范围内，有利于控制成本和质量；而混联的形式。比较接近电动车，所以燃油经济性较好。日产公司的Dino混合动力车装备1.8L 4缸发动机，无级变速电动机和理离子蓄电池，采用并联方式联接。三菱公司的SUW Advence混合动力车装备1.5L 77kW直喷汽油机，与12kW电动机组合一起，并配以锂离子蓄电池。图1-2混合动力汽车工作原理图13常见电机简介通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为旋转电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机3。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。图1-3感应电动机磁感线分布示意图图1-4感应电动机绕组模型各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机4。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。控制电动机输入功率以调节电动机的转速。图1-5电动机转速控制原理框图图1-5燃料电池工作原理示意图电动车不在发动机内燃烧汽油。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。正如远距离控制的模拟电动汽车一样，电动车配有用来旋转车轮的电发动机以及使发动机运转的电池。 电动汽车主电动机的特征是：机壳由机座内衬和机座外套组成，新型体积小、重量轻，对电机的冷却及时可靠。 电动汽车主电动机，包括端盖、定子铁心、转子、定子绕组，其特征在于：机壳由机座内衬和机座外套组成，机座内衬的内侧固定定子铁心。铁心的冷却方式采用水冷或者风冷，本设计采用风冷方式，由固定在转子轴上的风扇实现，所实现的冷却较为可靠。第2章 永磁同步电动机概述永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究比较多并在各个领域中得到原来越广泛应用的一种电机。21永磁同步电机分类永磁同步电机分类方法主要有：l 按工作主磁场方向分为：径向磁场式、轴向磁场式；l 按电枢绕组位置可分为：内转子式（常规式）、外转子式；l 按转子上有无启动绕组可分为：无起动绕组电动机（用于变频器供电场合，利用频率的逐步升高启动，并随频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机）、有起动绕组电动机（既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机）；l 按供电电流可分为：矩形波永磁同步电动机、正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机）。 本课题所涉及电动机为径向磁场、内转子式的异步起动永磁同步电动机，采用正弦波供电电流。22永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可做成实心或叠片叠压而成。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用整距绕组，正弦波永磁同步电动机通常采用分布短距绕组。23永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。 当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。永磁同步电机的定子为三相对称绕组，与三相异步电动机结构相同。转子上粘有钕铁硼（NdFeB）磁钢5。驱动器为交-直-交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（SPWM）输出频率、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度,其中为电动机对数。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载愈大，也愈大，直到一个极限角度m，电动机失步为止。由此可见：同步电动机在运行中，要么转速与频率严格成比例旋转，否则就失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步。它的静态误差为零；在负载扰动下，只是功率角变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。这是其它调速系统做不到的。但是，因为它存在失步问题，所以它不适合用于重载下运行。又由于它只能在频率渐升情况下才能启动，所以也不适于快速启动。24永磁同步电动机的特点永磁同步电动机应用广泛，具有以下特点：(1) 更高的综合节能效果 永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数（可达1甚至容性）；定子电流小，定子铜耗显著减小；转子无铜耗（三相异步电动机转子绕组损耗约占总损耗的2030），因而发热低，可以取消风扇或减小风扇，从而无风摩耗或减少风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高28，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行时节能效果更显著。 (2) 可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求 常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步起动能力的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果6。 (3) 能满足低速直接驱动的需求 为了提高控制精度、减小振动噪声、杜绝油雾带来的不安全，也为了大转矩驱动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引机，转矩提高了十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推进器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。这是船舶驱动技术的又一发展，国外自上世纪九十年代已成功用于豪华邮轮、专用油轮等7。 (4) 能满足多极高功率因数的需求 近年来，永磁同步电动机朝着多极化发展，多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减小电机体积、减少铁心用量。多极电机还显著减小了定子端部长度，减小定子铜耗、从而减少发热、提高了效率。如某安装于轿厢和井壁间隙的永磁同步电动机，转子采用60极结构，显著缩短了定子线圈端部长度，实现无机房电梯。若仍用异步电动机驱动，随着极数增加，其功率因数明显降低，在轻载和空载时，功率因数将更低，因此在Y型系列电机中，10极电机已不多见。而该60极永磁同步电动机功率因数高达0.98，空载、轻载时甚至可达1，节能效果明显。 (5) 高功率密度的需求 舰船、车辆受体积所限，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。永磁同步电动机由于无需激磁绕组，空间结构小，高性能的钕铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力，从而可提供很高的磁负荷，使电机尺寸缩小。有些并联供磁的电机，磁负荷甚至可高达1特斯拉以上。传统电机的齿槽结构，约束着磁负荷和电负荷的关系，过高的磁负荷将减小放置绕组的空间，成为实现高功率密度的瓶颈。1986年德国H.Weh教授首先提出横向磁场永磁电机（TransverseFluxPMMachineTFM）的设想，该设想一反传统结构，使电机的磁负荷和电负荷不再相互制约，特别适合高功率密度、大转矩、低速和直接驱动的场合。横向永磁电机我国目前还处于实验研究阶段。英国研制的用于舰艇的横向磁场电机，功率达10MW，转速为180r/min。此外横向磁场电机在风力发电和海洋潮汐发电中也有应用。 (6) 能够满足运动控制系统的需求 目前电气传动技术已从简单的速度控制发展到运动轨迹控制。由于永磁同步电动机比异步电动机更易于实现磁场定向矢量变换控制，因此近年来永磁同步伺服电动机系统成了高精度数控机床、机器人等高科技设备的主流。在某些场合，甚至实现了1000001的调速范围和小于12的低速转矩波动。外国产品几乎占据了国内所有市场，功率一般为20W15KW。我国交流伺服电动机和驱动器，尚处在发展初期。 此外机械加工设备的更新，需要各种永磁同步电动机。 第3章 车用永磁同步电机设计过程31电机基本设计参数 本电动机是为满足一般小型乘用车的使用而设计的，完成一般客运的功率提供功能，其基本设计参数如下：额定功率 ：；额定转速 ：；额定线电压 ：380V；额定效率 ：；绝缘等级 ：F；起动转矩倍数 ：2.6；定子外径 ：0.26m；定子内径 ：0.17m；气隙长度 ：0.065m；转子内径 ：0.06m；铁心长度 ：0.19m；定转子槽数 ：36/32；铁心材料 ：DW315-50；转子结构型式内置径向型。32电机结构本电机适用于1.5吨以下车辆，采用径向磁场、绕组内置、W型转子导条结构，其大致尺寸如下图：图3-1本电机设计尺寸33永磁同步电动机的稳态性能分析331稳态运行和相量图正弦波永磁同步电动机（以下简称永磁同步电动机）与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系，故可采用双反应理论来研究。需要指出的是，由于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感，这一点异于电励磁凸极同步电动机。电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压方程8： （3-1）式中 永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值（V）； 外施相电压有效值（V）； 定子相电流有效值（A）； 定子绕组相电阻（）；、直、交轴电枢反应电抗（）； 定子漏抗（）； 直轴同步电抗， （3-2）交轴同步电抗， （3-3）、直、交轴电枢电流（A） （3-4） 与的夹角（），称为内功率因数角，超前时为正。 由电压方程可以画出永磁同步电动机不同情况下稳定运行时的典型相量图，如下图所示。图3-2永磁电机的几种典型向量图其中为气隙和成基波磁场所产生的电动势；为气隙和成基波磁场直轴分量所产生的电动势，称为直轴内电动势；为超前的角度，即功率角，也成为转矩角，这一角度与输入功率、输出功率密切相关；为电压超前定子相电流的角度，即功率因数角9。图d中所示是直轴增，去磁临界状态（即与相同）下的相量图，由此可列出如下电压方程： （3-5）从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势 （3-6） 上式通常用来判断所设计的电动机是运行于增磁状态还是运行于去磁状态。实际值由永磁体所产生的空载气隙磁通算出比较与，若前者大于后者，则电动机运行于去磁工作状态，反之将运行于增磁工作状态。且由上图可知，要使电动机运行于单位功率因数（图3-2b）或容性功率因数状态(图3-2a)，只有设计在去磁状态时才能达到10。332稳态运行性能分析计算 永磁同步电动机的稳态运行性能包括：效率、功率因数、输入功率、电枢电流与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数等。3321电磁转矩和矩角特性从图3-2中可得到以下关系： （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） 从式（3-9）（3-10）中整理得定子电流的直、交轴分量： （3-11） （3-12）定子相电流 （3-13） 而电动机的输入功率（W）可表示为 （3-14） 忽略定子电阻，由式（3-14）可得电动机的电磁功率（W） (3-15)除以电动机的机械角速度，即可得电动机的电磁转矩（Nm） （3-16）式中 电动机的电角速度； 电动机的极对数。 （a） （b）图3-3是永磁同步电动机的矩角特性曲线。图3-3（a）为计算所得的“（电磁转矩/额定转矩）转矩角”曲线，图中曲线1为式（16）第一项，即永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，又称永磁转矩；曲线2为式（16）中第二项，既由于电动机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩；曲线3为曲线1与曲线2的合成。由于永磁同步电动机直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大之所对应的转矩角大于，这是永磁同步电动机一个值得注意的特点。图（b）为本同步电动机的“（输出转矩/额定转矩）-转矩角曲线”11。矩角特性上的转矩最大值被称为永磁同步电动机的失步转矩，如果负载转矩超过此值则电动机将不再能保持同步转速。最大转矩与电动机额定转矩的比值称为永磁同步电动机的失步转矩倍数12。3322工作特性曲线 计算出电动机的、和等参数后，给定一系列不同的转矩角，便可求出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机此时的损耗，便可得到电动机的输出功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线。图3-4本设计中平底槽电机的工作特性曲线（每槽导体数=5） 由图3-4可见，输出功率的不断增大，要求有更大的输入功率，即要求有更高的定子相电流提供更强的磁场。同时也可看到，在低功率运行时电动机的效率和功率因数是很低的。电动机的工作曲线图是电动机的工作性能重要体现。333损耗分析计算 永磁同步电动机稳态运行时的损耗包括下列四项3331定子绕组电阻损耗 常规计算公式： （3-17）3332铁心损耗 永磁同步电动机的铁耗不仅与电动机所采用的硅钢片材料有关，而且随电动机的工作温度、负载大小的改变而变化。这是因为电动机温度和负载的变化导致电动机中永磁体体工作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化，从而影响到电动机的铁耗。工作温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，电动机的铁耗就越小14。永磁同步电动机铁耗的准确计算非常困难。这是因为永磁同步电动机定子齿、轭磁密饱和严重，且磁通谐波含量非常丰富的缘故。工程上常采用与感应电动机铁耗计算类似的公式，然后根据试验值进行修正。永磁同步电动机在某负载下运行时，从相量图中可求出其气隙基波合成电动势（V） （3-18）气隙合成磁通（Wb） （3-19）其中 电源频率（Hz）； 绕组因数； N定子绕组每相串联匝数；气隙磁场的波形系数。由不难求出定子齿、轭部磁密，进而求出电动机的铁耗。3333机械损耗 永磁体同步电动机的机械损耗与其它电机一样，可根据实测值或参考其它电机机械损耗的计算方法。3334杂散损耗 永磁同步电动机杂散损耗目前没有还没有一个准确实用的计算公式，一般取根据具体情况和经验取定。 随着负载的增加，电动机电流随之增大，杂散损耗近似随电流的平方关系增大。当定子相电流为时电动机的杂散损耗（W）可用下式近似计算： 其中 电动机额定相电流（A）； 电动机输出额定功率时的杂散损耗（W）。34 磁路分析与计算341 磁路计算特点进行永磁同步电动机磁路计算时，一般采用通常的电机磁路的磁位差计算方法。永磁同步电动机的空载气隙磁密波形如图3-4所示。图3-5永磁同步电动机空载气隙磁密波形1-气隙磁密 2-基波 3-三次谐波 4-五次谐波图3-4为永磁同步电动机实测气隙磁密波形（不涉及定子槽开口时）。图中永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一平顶波，与感应电动机的气隙磁密波形相差较大，而与直流电机的空载气隙磁密波形相似。磁路计算时，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形可近似简化为图3-5所示的矩形波15。图3-6永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形图3-7内置混合式转子磁路结构3411计算极弧系数永磁同步电动机转子磁路结构形式不同，其极弧系数和计算极弧系数的计算公式也不同。对采用图3-6转子磁路结构的永磁同步电动机，经电磁场计算个气隙磁密波形分析，存在如下关系： （3-20） （3-21）式中 永磁同步电动机的转子槽数； 电动机定子极距（cm）； 气隙长度（cm）。3412气隙磁场波形系数如图3-5所示，经傅立叶级数分解后，可得到永磁同步电动机空载气隙磁密基波幅值（T） （3-22）因此，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形系数 （3-23）永磁同步电动机空载时永磁体提供的气隙磁通（Wb） （3-24）式中 永磁体提供每级磁通的面积（）；空载时永磁体提供的气隙基波磁通（Wb） （3-25）式中 电枢计算长度（cm）。因此，电机基波磁通与气隙总磁通之比，即永磁同步电动机气隙磁通的波形系数 （3-26）由式（3-26）可知，的大小影响气隙基波磁通与气隙总磁通的比值，即影响永磁材料的利用率。342 永磁体工作点的计算3421空载和负载工作点的计算特点 永磁同步电动机的转子磁路结构包括：径向式、切向式和混合式。本设计采取径向式结构。永磁体磁动势源的计算磁动势 （3-27）永磁体虚拟内禀磁通 （3-28） 式中 ，在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力。 为经磁路计算所得的电动机每对极主磁路的总磁位差（A），其值为 （3-29）式中 、分别为电动机每对极的气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等部位的磁位差（A）。 永磁同步电动机直轴电枢磁动势（A/极） （3-30）则其作用于永磁体的去磁磁动势标么值 （3-31）式中 电机直轴电枢磁动势折算系数。将上述式（3-27）至式（3-31）进行迭代计算（在迭代计算中具体论述）即得到永磁体工作点。35永磁同步电动机参数计算和分析351空载反电动势空载反电动势时永磁同步电动机一个非常重要的参数。（V）由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，其值为 （3-32）的大小不仅决定了电动机是运行于去磁状态还是增磁状态，而且对电动机的动、稳态性能有很大的影响。合理设计可降低定子电流，提高电动机效率，降低电动机的温升。352交、直轴电枢反应电抗对于一台内置式永磁同步电动机的电磁场进行数值计算不难发现：当电动机直轴电流从0.005增大到时，其直轴电枢反应电抗从33.0增至35.0；而交轴电流从0.008增大到时，交轴电枢反应电抗从124.4降至89.7。可见，在计算永磁同步电动机的交、直轴电抗时，可不考虑的非线性，但必须考虑交轴磁路的饱和对的影响。考虑交轴磁路饱和时需迭代求解，其步骤在迭代计算部分中具体阐述。353交、直轴电枢磁动势折算系数 交、直轴电枢磁动势折算系数和反映了电动机磁路结构对电动机电枢反应电抗和的影响。转子磁路结构不同，电动机的交、直轴电枢磁动势折算系数也各有差别。由定义有：，。可由式（3-23）得到，、为电动机交、直轴电枢反应磁密的波形系数。 对本设计，可取=1，因而其直、交轴电枢磁动势折算系数为 （3-33）或者由经验给出。本设计中取=1，=0.36。3.6异步起动永磁同步电动机的设计特点异步起动永磁同步电动机一般应用于要求高效的场合，因而对电动机的要求主要是效率高、功率因数高、起动品质因数（）高和单位功率的永磁体用量省等。361主要尺寸和气隙长度的选择异步起动永磁同步电动机的主要尺寸与普通电动机的主要尺寸一样，包括定子冲片内径和电枢计算长度。一般来说，异步起动永磁同步电动机的设计可能有以下三种情况：1）替代原来的感应电动机或原有性能较差的永磁同步电动机。在这种情况下，待设计的永磁同步电动机一般要求与原来电动机同中心高，顾客在原来电动机主要尺寸的基础上进行初步的估算，然后再调整设计，直至电动机设计成功。2）要求待设计的永磁同步电动机直接利用某特定的定子冲片，以提高电动机定子冲片的通用性和缩短电动机的研制周期。在这种情况下，由给定的定子冲片既可知道定子冲片内径，再由电动机的功率和电机常数选择电枢计算长度。3）仅给定电动机的性能指标，而无其它限制。此时选择电动机主要尺寸的自由度要比前两种情况大得多。根据预估的电磁负荷，由电动机的功率和转速可选定电动机的，然后凭经验选取一定的主要尺寸比，得出电动机的主要尺寸。一般来说，如无其它限制，电动机的主要尺寸比应选小一点，以便于在转子内部放置更多的永磁材料。永磁同步电动机为减小过大的杂散损耗，降低电动机的震动与噪声和便于电动机的装配，其气隙长度一般要比同规格感应电动机的气隙大。且电动机中心高度越大，永磁同步电动机的气隙长度比感应电动机的气隙大得也越多。362永磁体设计永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度、磁化方向长度和宽度。永磁体的轴向长度一般取得与电动机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度，因此实际上只有两个永磁体尺寸（即和）需设计。设计时，应考虑下列因素：1）的确定应是电动机的直轴电抗。因为是决定的一个重要因素，而又影响电动机的许多性能。2）不能过薄。这主要是从两方面考虑：一是将导致永磁体生产的废品率上升，永磁体成本提高，且使用磁体不易运输和装配；二是永磁体太薄将使其易于退磁。3）设计应使永磁体工作与最佳工作点。因为电动机中永磁体的工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度。4）为调整电动机的性能，常常要调整，因为直接决定了永磁体能够提供磁通的面积。当要求电动机磁负荷较高时，应选择能安装更多永磁体，也就是能安装更大的转子磁路结构。永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外，还影响着电动机中永磁体的空载漏磁系数，从而也决定了永磁体的利用率。计算结果表明，永磁体尺寸越大，越小。经过一些列推导，可得内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为 （3-34）式中 电动机的饱和系数，其值可取1.05-1.3； 与转子结构有关的系数，其取值范围为0.7-1.2。363电枢绕组设计 异步起动永磁同步电动机的绕组可采用与普通交流电动机一样的三相绕组。由于永磁同步电动机由永磁体励磁，气隙磁场谐波较多，使电动式中的谐波也较多。因此，为设计高性能的电动机，必须在绕组设计上采取一定的措施。异步起动永磁同步电动机通常采用Y接的双层短距绕组以避免电动机绕组中产生环流，并削弱电动式谐波。永磁同步电动机的绕组匝数和线规可根据电动机的电磁负荷、定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定。37异步启动同步电动机设计中的迭代计算371迭代计算一般方法迭代法也称辗转法，是一种不断用变量的旧值递推新值的过程,跟迭代法相对应的是直接法（或者称为一次解法），即一次性解决问题。迭代法又分为精确迭代和近似迭代。“二分法”和“牛顿迭代法”属于近似迭代法。迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或一定步骤）进行重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值。 利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作： 1）确定迭代变量。在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量。 2）建立迭代关系式。所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式（或关系）。迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成。 3）对迭代过程进行控制。在什么时候结束迭代过程？这是编写迭代程序必须考虑的问题。不能让迭代过程无休止地重复执行下去。迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来；另一种是所需的迭代次数无法确定。对于前一种情况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制；对于后一种情况，需要进一步分析出用来结束迭代过程的条件。下面我们使用上述方法对有关电动机设计的三个重要问题进行迭代计算。372异步起动永磁同步电机设计中的涉及的三个迭代过程3721空载永磁体工作点的确定永磁体空载工作点的标么值为，在设计电动机过程中占有重要地位，影响着电机的多种性能。在标么值表示情况下，退磁曲线可用解析式表达。图3-8退磁曲线及永磁体工作点示意图电机空载时，电枢磁动势的标么值=0，有 （3-35）式中 空载时用瓷体向外磁路提供的总磁通的标么值； 空载时永磁体向外磁路提供的磁动势的标么值。外磁路的有关各参数可表示为 （3-36）式中 主磁导标么值； 漏磁导标么值； 合成磁导标么值； 空载漏磁系数。解得 （3-37）从而得出空载永磁体工作点（，）。以上是线性等效磁路下的工作点计算，但通常情况下永磁电机的磁路是饱和的，不是常数。尤其是磁路饱和程度比较高时，空载、额定工况和最大去磁时的随饱和程度不同而变化较大，而且与相互制约，此时就需要运用迭代方法求解。图3-9计算框图图3-8以框图的形式给出了的迭代计算过程，具体的计算过程如下：1）假设2）计算此时空载主磁通 （3-38）3）气隙磁密 （3-39）4）气隙磁位差 直轴磁路 （3-40） 交轴磁路 （3-41）式中 永磁体延磁化方向与永磁体槽间的间隙。5）每对极总磁位差 （3-42）其中各项计算见计算书。6）主磁导 （3-43）7）主磁导标么值 （3-44）8）外磁路总磁导标么值 （3-45）式中 空载漏磁系数。9）漏磁导标么值 （3-46）10）永磁体工作点 （3-47）11）比较并确定误差，当计算值与假设值之间误差超过1%，则应回到步骤1）重新设定，重复上述计算步骤。 本设计中的计算由计算机程序完成， 其中运用的C语言语句如下：printf(请输入bm0的估计值(0.110); /*输入工作点估计值*/ scanf(%f,&b_m0); /*赋值给变量b_m0*/while(true) /*计算*/if(bm0=b_m0)Mi_b_m=bm0-b_m0; /*比较二者误差*/else Mi_b_m=b_m0-bm0;b_m0_=b_m0/100;if(Mi_b_mb_m0_) /*当误差大于1%时*/b_m0=bm0; /*将求得bm0回代到计算过程*/continue; else printf(经迭代,bm0=%fn,bm0);fprintf(fp,经迭代,bm0=%fn,bm0); goto c; 其中“”部分表示上述步骤2）到步骤10）的计算过程。3722交轴电枢反应电抗的计算对的计算，同的计算相似，由于在交轴磁路饱和时的是非线性的，而由式（3-12）及式 （3-48）可知与使相互制约的，从而得到如下迭代计算方法：1）给定某一转矩角；2）假设交轴电流分量，则交轴电枢磁动势 （3-49）式中 交轴电枢磁动势折算系数。3）由求交轴气隙基波磁通根据由预先算得的交轴-曲线查取相应的；4）由求出交轴电枢反应电动势 （3-50）5）计算 （3-51）式中 定子漏抗。6）代入（3-12）求出交轴电流分量；7）比较和，重复进行步骤2）到步骤6）。本设计中所得-曲线如图图3-10-曲线图在程序中所用到的语句如下：printf(请输入交轴电流预估值I_q:(如20.00); scanf(%f,&I_q); /*输入的预估值*/for(i=0;iIqi) if(I_qIqi+1) Xaq_=Xaqi+(Xaqi+1-Xaqi)*(I_q-Iqi)/(Iqi+1-Iqi); break; else continue; else continue; /*根据输入的在-曲线中查找Xaq*/for(i=0;i0.01) I_q=Iq_i; continue; /*比较二者，如果误差超过1%，将计算值回代重新计算*/ else break; /*如果误差在允许范围内，停止迭代*/3723起动电流的求解 起动电流的求解与很多因素相制约，其中比较重要的是启动总阻抗。由于其过程比较复杂且与前述两个迭代过程在原理上比较相似，在论文正文中不再赘述，具体计算和迭代过程可见计算书。38起动电流过大的原因分析通过对起动电流的计算我们发现，在启动过程中，最初的电流通常会超过额定电流很多，所得起动电流倍数为。图3-11某电动机相电流随时间变化曲线在感应电动机起动的瞬间，转子处于静止状态，与变压器二次侧短路的情况相似，定子与转子之间无电的联系，只有磁的联系。在电动机接通的一瞬间，转子因惯性还未转起来，而旋转磁场则以最大的切割速度切割转子绕组，使转子绕组感应出很高的电势，因而在转子导体中流过很大的电流。这一电流产生抵消定子磁场的磁通，就像变压器二次磁通要抵消一次磁通的作用一样。而定子为了维持与当时电源电压相适应的原有磁通，就自动增加电流，因此转子与定子的电流都大大增加，甚至高达额定电流的7倍以上，这就是感应电动机起动电流大的原因。起动后，随着电动机转速的增大，定子磁场切割转子导体的速度减小，因此转子导体中的感应电热和电流都减小，同时定子电流中用来抵消转子电流所产生的磁通影响的那一部分电流也相应减小。所以，随着电动机转速的增大，定子中的电流就从起动电流逐步恢复到正常负荷电流。第4章 不同设计方法的比较4.1梨形