毕业论文：异步起动永磁同步电动机的电磁设计要点

1、2008级机电一体化技术专业毕业论文I论文题目：异步起动永磁同步电动机的电磁设计摘 要：随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较， 有效率高、功率因数接近1、 体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步 电机已经在国外蓬勃发展，而在国内电机行业也以惊人的速度在发展。 因此本文选取了 异步起动永磁同步电机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求、主要尺寸、永磁体计算、定转子冲片、绕组计算磁路计算、参数计算、工作特性计算、起动性能计算等， 还列举了相应的算例。关键词：永磁同步，电磁设计，设

2、计算法，异步起动刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计II目录摘要：.1.1概述 .1.11.1永磁同步电动机的运行原理与特点 .11.2永磁同步电动机分类.1.1.3永磁同步电动机结构.2.1.4异步起动永磁同步电机的设计特点 .22永磁同步电机电磁设计步骤.3.2.1程序框图 .3.2.2额定数据和技术要求.4.2.3 主要尺寸 .5.2.4永磁体计算 .6.2.5定转子冲片 .7.2.6绕组计算 .9.2.7磁路计算 .112.8参数计算 .132.9 交轴磁化曲线计算 .1.72.10工作特性计算 .1.72.11 起动性能计算 .20结论.23参考文献 .24.致谢 .25.2008

3、级机电一体化技术专业毕业论文第1页共26页1概述1.1永磁同步电动机的运行原理与特点永磁同步电动机与传统的电励磁电机相比， 永磁电机特别是稀土永磁电机具有结构 简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样 等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生 活的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数 （可达到1、甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子 电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高28个百分点。永磁同步电

4、动机的运行原理与电励磁同步电动机相同， 但它以永磁体提供的磁通替 代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，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得较多并在各个领域中 得到越来越广泛应用的一种电动机。1.2永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多： 按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和 轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机和有起动绕组的电动机；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步

5、电动机和正弦波永磁同步电动机。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼绕组的调速永磁同步电动机。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展， 新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电动机理论分 析、设计和运行控制中不断出现了许多有待进一步深入研究的新课题。刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第2页共26页1.3永磁同步电动机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，也采 用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁 心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。图 11为一台永磁同步电

6、动机的横截面示意图。 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集中整距绕组，而正弦波 永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些横截面示意图（1 - 一定子 2 一永磁体3 一转轴 4一转子铁心）永磁同步电动机中，为了 减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能， 采用 了一些非常规绕组，可大大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键 的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对电

7、动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的大 小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。1.4异步起动永磁同步电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是效率 高,功率因数高，起动品质因数高 永磁体用量省等.电磁设计的主要任务是确定电机主 要尺寸,选择永磁材料和转子磁路结构，估计永磁体的尺寸，设计定子转子的冲片和选择 绕组数据，然后利用有关公式对初设计方案进行性能校核调整电动机的某些设计参数 直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。正弦波电流控制如图i-i永磁同步电动机2008级机电一体化技术专业毕业论文第

8、3页共26页2 永磁同步电机电磁设计步骤2.1程序框图刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第4页共26页2.2额定数据和技术要求名称公式算例(1)额定功率PN15kW(2)相数m3(3)额定线电压U Ni380V(4)额定频率f50Hz(5)极对数p2(6)额定效率N93.5(7)额功率因数COS N0.95(8)失步转矩倍数TpoN1.8倍(9)起动转矩倍数TstN2.0倍(10)起动电流倍数I stN9.0倍(11)绕组型式星型接(12)额定相电压UN=U Ni / 3291.39V1PN *10525.66A(13)额定相电流I N -mU N NCOS N(14)额定转速n_ 60

9、fN _1500 r/mi np2008级机电一体化技术专业毕业论文第5页共26页(15)额定转矩9.549PN 灯03T N 二N * m 5.49nN(16)绝缘等级2.3主要尺寸(17) 铁心材料(18) 转子磁路结构形式(19) 气隙长度(20) 定子外径6D1(21)定子内径Di1DW315-50内置径向W型0.065cm26cm17cm(22 )转子外径D2 二 DH-2、16.87cm(23)转子内径Di26cm(24)定/转子铁心长度(25)电枢计算长度当定转子铁心长度相等时19.13cm(26)定/转子槽数(27)定子每极每相槽数当定转子铁心长度不等时Lef 二 La 3 当

10、(L1 -1_2)/ 2、8Lef =La4 当（L1 -L2）/ 21436/32q=QJ（2mp）（ 60 相带）3q=Q/（mp）（ 120 相带）刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第6页共26页2008级机电一体化技术专业毕业论文第7页共26页(29)硅钢片质量H c20mF ：?FeLbKFE(D L)2 1096.79 kg式中 二冲剪余量0.5cmLb L!和L2中较大者19 cm匚 铁的密度7.8 g/cm3e 铁心叠压系数，一般可在0.92-0.95 的范围内取值0.93875 k(28)极距2p13.352cm2.4永磁体计算(30)永磁材料牌号NTP264(31)计算

11、剩磁密度W2。)孟 1-0- Br201001.074仃IL(32)计算矫顽力Br20 20 C时的剩磁密度:Br Br的可逆温度系数r Br的不可逆损失率预计工作温度1.15T-1.1275 C丄 Hr20Hr(t -20)B1 i1r _ ( )100 100WK，817.25 k A刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第8页共26页* =4二 10H/m(33)相对回复磁导率llBr200Hc20 勺 O1.046(34)磁化方向长度0.53cm(35)宽度11cm(36)轴向长度LM19cm2008级机电一体化技术专业毕业论文第9页共26页（37）提供每极磁通的截面积径向入=bM L

12、M209cm2（38）永磁体总质量2.5定转子冲片（39）定子槽行定子槽尺寸切向 Am 二 2bM LMm 2pbM hM LM103.28 kgm -；永磁体密度7.4g/cm3hi0.08cm（40）转子槽形转子槽尺寸b01birih12：1b02br1br2br3br4hr12hr3hr10.080.38 cm0.77 cm0.51 cm1.52 cm30 ()cm0.2 cm0.64 cmcm1.5 cm1.58cm30 (刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第10页共26页2008级机电一体化技术专业毕业论文第11页共26页(41) 定子齿距(42) 定子斜槽距离(43) 定子齿宽

13、btihsibti(44) 定子轭磁路计算高度(45) 定子齿磁路计算长度(46) 定子轭磁路计算长度(47) 定子齿体积(48) 定子轭体积(49)转子齿距(50)转子齿磁路计算长度titsk DiiQitiQiQipi.484cmi.405cmbti7：Dii2h0i hiJ-2riQi7：Dii2h0ihsJ-biQbi - b0i2tan右 hi2 - Diibt12+ btii bi20.7430.7470.744h0i hi2 自12.56cmcmcmcmrihti = hi2-i.69cm3Lji 二Di - hji9.205cm4pVti = QiLiK Fehtibti799

14、.83cmVji 二二LiKFehji Di hji333i.07cm兀D2JQ2i.654cmhri2 二 hri202 / 6(对圆底槽)i.5cmhj2二hr2 (对平底槽)hthr hM/6 (对圆形槽)刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第12页共26页2008级机电一体化技术专业毕业论文第13页共26页cmcm2.6绕组计算(53)每槽导体数Ns13(55)并绕根数-线径Nt1 r dllNt2 d122-1.25(56)每相绕组串联匝数N =也2ma781.59cm2(58)节距y(51 )转子轭计算高度平底槽hj 2二Dl _ Di2 _ n _ hm3.3252圆底槽hj?

15、 = DlDi2 _hr 匹m26圆形槽 hj?二 A-hr W-hm26TT(52)转子轭磁路计算长度Lj2Di2 hj23.6624p(54)并联支路数(57)槽满率计算槽面积 代=口11血-巴(2 I 2 和H 槽楔厚度槽绝缘面积双层绕组 A =(2*2+2n +单层绕组A =0(202+兀rj槽有效面积代彳=乓- A1-92-1011-18槽满率SfNs Nt1 d11 山1 Nt2 d12 hd278.2%刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计4第14页共26页(59)绕组短距因数K p1 = sin1(60)绕组分布因数Kd1I Isin q iI 2丿0.9598(61)斜槽因数

16、(62)绕组因数(63)线圈平均半匝长(64)线圈端部轴向投影长(65)线圈端部平均长(66)定子导线质量 Lu (1 qsin I d丿2si nK sk1 =二.2:sKdp = Kd1 K p1 Ksk1LE 二 k y(单层)LE八2cosr(双层)cos-%1 -sin 一：盘sin：。山J匕 +2r +2bt11 71 (Du +2h1 + hs1 + 02 + Ry2pLE = 2 d LE= 1.05YcuQNsLav0.99540.9554o37.4634.22118.4638.9g/cmcmcm3 cm刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计4第15页共26页刘晓超：异步起动

17、永磁同步电机的电磁设计第16页共26页2.7磁路计算(67)极弧系数bpiQ2 _12pQ20.8752p(68)计算极弧系数4+-i6:1 - : P0.891(69)气隙磁密波形系数(70)气隙磁通波形系数(71)气隙系数8ainKf =二 sin -1.255兀W24ajrKfsin -0.897n 28 ajrKn -1.276i 2(72)空载漏磁系数1.28(73)永磁体空载工作点假定值bm00.892(74)空载主磁通bmBrAm 1。0.01454Wb(75)气隙磁密(76)气隙磁位差、0104：i 1 Lef0.639 T直轴磁路F、q 二竽(、2 K、)10“966.0#0

18、2008级机电一体化技术专业毕业论文第17页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第18页共26页定子齿磁密定子齿磁位差定子轭部磁密定子轭磁位差转子齿磁密转子齿磁位差转子轭磁密转子轭磁位差每对极总磁位差磁路齿饱和系数交轴磁路2B揖丄FqK、10843.0B 点 LefBt1 1.380TbtiKFeL!Fti = 2H tihti33.8B jiFji01042LiK Fe hji-2Ci H ji LjiBg2 Lef1.607T414Ft2 =2Ht2ht223.8A时朋1.237TFj2 =2C2Hj2Lj214.6C2 转子轭部校正系数 F 二 F.Ft1 - Fj1 - Ft

19、2Fj21484.4 A计算Xaq时，每对极总磁位差应为F = F、qFti - Fji - Ft2Fj2F& + Fti + Ft2Kstq 1.068Fq(77)(78)(79)(80)(81)(82)(83)(84)(85)(86)2008级机电一体化技术专业毕业论文第19页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第20页共26页(87)主磁导(88)主磁导标么值9.81 103 H径向磁路结构2、2人松x 10F foAm切向磁路结构2、A小皿汇10二 1 Ar 0 m3.7953.785(89)外磁路总磁导标么值-.-,0.4.485(90)漏磁导标么值，0 = ；丁 0 -1

20、 花1.06(91)永磁体空载工作点bm00.829(92) 气隙磁密基波幅值(93) 空载反电动势2.8参数计算I 104：i Jef0.802 TE0 =4.44fKdpN 0K215.8 V(94)定子直流电阻2LmvNJiaNt10V 20.21311 铜线电阻率(95)转子折算电阻尺=RBRR0.096导条电阻2008级机电一体化技术专业毕业论文第21页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第22页共26页kc4m(NKdp 2Q2(96)转子绕组质量kg(97)漏抗系数Cx4fiLefKdpN2 迂P0.41921.175(95)转子折算电阻端环电阻RR = kcQ2 ；R

21、DR2兀P AR式中 KB =1.04 (对铸铝转子)KB =1 (对铜条转子)LB 转子导条长度AB 导条截面积D R r端环平均直径AR -；端环截面积订 导条电阻率订 端环电阻率铜条转子 mcu2 =8.9 Q2 AB LB LB 2A“DR10*铸铝转子 mAl =2.7Q2ABLBLB 2AR二DR10*1.89(98)定子槽比漏磁导KU1.KL1槽上下部节距漏抗系数1/1对 0 _ 1 _1/3 P /4KL广：9 4 /16对 1/3_ 一： -2/32008级机电一体化技术专业毕业论文第23页共26页Ku1 = 6： -1 /4 K二 18一： 1 /16刘晓超：异步起动永磁同

22、步电机的电磁设计第24页共26页对 2/3 ：1Ku1 = 3：1 /4 KL1=9一： 7/16hy2I%1b1bdb10.407L10.768(99) 定子槽漏抗(100) 定子谐波漏抗(101) 定子端部漏抗Xs1Xd1pmLs1 门CxLef KdpQ1m s22二KdpK-Cxs10.1790.271双层叠绕组XE11.2 d 0.5fd；C XLef单层同心式XE1 =0.67LE - 0.64 y CLefK2p(102)定子斜槽漏抗(103 )定子漏抗(104)转子槽比漏磁导单层交叉式，同心式(分组的)xXXs1 Xd1 XE1 Xsk0.1150.1210.686门1.416

23、门式中的2008级机电一体化技术专业毕业论文第25页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第26页共26页(106)转子谐波楼抗Xd2m广 R二2K j KstC0.2488门(107)转子端部漏抗罟晋签Cx 00626 -(108)转子漏抗x2 =xs2Xd2 XE2 0.5326 门-1-bmN a AmBr 1。对径向磁路结构faadMMHC 102Fad-chM Hc 102 pmL2n(105)转子槽漏抗Xs2亠Cx0.2212门Lef Q222pf31-12(109)直轴电枢磁动势折算系数K1ad _ Kf0.768Q(110)交轴电枢磁动势折算系数KacKq0.2869Q

24、(111)直轴电枢反应电抗X ad -E-EdId4.123Q式中 Ed =4.44fKdpN NK bmNbmN对切向磁路结构2008级机电一体化技术专业毕业论文第27页共26页Fad =0.45mKadSidP取 Id = IN /2(112)直轴同步电抗2.9交轴磁化曲线计算Xd 二 Xad X!4.809(113)设定交轴磁通；qaq可在0.35 - .0到0.85 -.0间取值(114)交轴磁路总磁位差y Faq/ 4 4 只、 VrF l/ XA Ari I ph、/P 匚 Faq(115)对应乂轴电流I q -q0.9mKaqKdpN(116)交轴电动势Eaq EEaq - ,E

25、：0(117)交轴电枢反应电抗Eaq X aq _ II q2.10工作特性计算(118)机械损耗p fw160W(119)设定转矩角0145.14(120)假定乂轴电流I q20.61A(121)交轴电枢反应电抗Xaq6.754Q刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第28页共26页(122)交轴同步点抗Xq二Xaq X,7.438(123)输入功率XdXqR2EOUN Xq si nr R, COSTR,U N 0.5U N XXq s in 215971.3(124)直轴电流IqXdU N sin v Xq Eo -U N COSTXdXqR2W13.759 A(125 )交轴电流IqX

26、dU N si nvR1 E0 -UN COSTR1220.608 A(126)功率应数COS0.9794式中申=Q二 arcta nIq(127)定子电流1 = 1 f I224.779XdXq(128)定子电阻损耗pg = mI12R1392.3(129)负载气隙磁通E、4.44 fKdq NK0.01425Wb(130)负载气隙磁密(131 )负载定子齿磁密(132)负载定子轭磁密式中 E、.E。-IdXad 2 IqXaq 221.37104：i 1 Lef0.6261 ThLefBj1d - B d厂511.3521 TBj1d、.1042hj1 K Fe L11.5751 T200

27、8级机电一体化技术专业毕业论文第29页共26页2008级机电一体化技术专业毕业论文*12第30页共26页铁耗杂散损耗总损耗输出功率效率工作特性失步转矩倍数pFe 二 k1 pt1dVt1k2 Pj1dVj1ps二PsNPN10 In1 P PCu PFe pfwP2P=曳 100巳*Pma:Ppv 二IXPNPs205.7211.4150002.393.931.85211.0最大输出功率27.686倍kW永磁体额定负载工作点式中fadadI dNbmN0.746电负荷电密J10.45mKadKdpNIdNpHchM 10对径向结构0.9mKad KdPNIdN竺竺对切向结构PJHchM102m

28、NIN217.0A/ cm-呦Nt1丨122山4.167d12(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)(140)(141)(142)2008级机电一体化技术专业毕业论文*12第31页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第32页共26页(143)热负荷A904.2(144)永磁体最大去磁工作点bmk0.288式中fadh。.伽心“缶对径向结构卩6比入100.6530adhOtWpNd对切向结构p%Hchc 10I adh2.11起动性能计算(145)起动电流假定(146)漏抗饱和系数(147)(148)/ 22 j 2222EXt .EXd R1X d E

29、0 UNR12 xd90.32 AI stKt齿顶漏磁饱和引起定子齿宽度的减少2220.52Cs1 = 1 - b01 1 - Ks O.5299cm齿顶漏磁饱和引起转子齿宽度的减少Cs2二t2 -b02 1 - Ks0.6989cmh1 +0.581%1”Cs1式中心xU10.1845b01lCs1 + 1.5b01 j(150)起动时定子槽漏抗X s1 st XX s1st Xs10.1509As1(149)起动时定子槽比漏磁导 s1st = Ku1 U1 - A U1 KL1 - L1 0.9905(151)起动时定子谐波漏抗(152)起动时定子斜槽漏抗X d1st 二 K zX d10

30、.1409QX skst 一 K z X d0.1409CX1st 二 Xs1st Xd1st Xt1 Xskst0.4697(153)起动时定子漏抗(154)考虑挤流效应转子导条相对高度bBf:bs 订 1071.0122008级机电一体化技术专业毕业论文第33页共26页刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第34页共26页0.9744导条电阻等效高度槽漏抗等效高度hpR*sh2w + sin 2z(ch2 呂- cos 2s1.3765cm1.08971.461cm(155)(156)(157)(158)(159)(160)(161)(162)(163)(164)(165)(166)(16

31、7)起动转子电阻增大系数起动转子漏抗减小系数起动转子槽下部漏磁导KR =KX =1：2 ； b2K；1 2bPX 1 =0 K r11.0830.97440.99起动时转子槽比漏磁导L 2st = K x L2U 2st1.0970.089起动时转子槽漏抗起动时转子谐波漏抗转子起动漏抗h2Cs2扎=0.311b02lCs2 + b02 Jhs2 stX s2 stXs20.1685入s2U 2h02b02Xd2st =KzXd20.129411X2st =Xs2st X d2st X E20.365起动总漏抗X st 二 X1st 二 X2st0.8302门3 sh2g+sin 2名2名 ch

32、2名 一cos2s2008级机电一体化技术专业毕业论文第35页共26页转子起动电阻R2st =KR 土 + LB _L2 RB +RR 0.318 Q-LBLB_起动时总电阻Rst =Ri * R2st0.5131起动总阻抗Zst =卞R； +X；0.98550刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计第36页共26页(168)电流倍数1stUN=Zst222.6A(169)起动电流倍数8.67(170)异步起动转矩花s曲线Tc =,2 R2stmp5-s _7X1st &X2st式中C|X adpX adp2X ad X aqXad Xaq(171)R2 +(1- sfXdXqR2st = R2st - R1S R2X；st 二 X1st -X1 s X1对半闭口槽X2st = X2st - X2. s X 212 2 2 2永磁体发电制动转矩Tg-s曲线丁/迟尺-铢1 +s)Xq2兀f(172) 合成起动转矩TAV -s曲线(173)起动转矩倍数Tav =TcTgTav sd=- -TN2.89倍2008级机电一体化技术专业毕业论文第37页共26页随着永磁材料工艺的发展，和电子电力水平的提高，永磁同步电机成本高、磁路计 算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功率因数高、节能