永磁同步电机

1、第二章第二章 永磁电机永磁电机w永磁电机的主要特点和应用永磁电机的主要特点和应用w永磁直流电机永磁直流电机w永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步发电机永磁同步发电机永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子磁路结构 w永磁同步电动机的稳态性能永磁同步电动机的稳态性能 w永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的磁路分析与计算 w永磁同步电动机的参数计算和分析永磁同步电动机的参数计算和分析 w异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子

2、磁路结构w表面式转子磁路结构表面式转子磁路结构w内置式转子磁路结构内置式转子磁路结构w爪极式转子磁路结构爪极式转子磁路结构w隔磁措施隔磁措施永磁同步电动机的稳态性能永磁同步电动机的稳态性能w稳态运行和相量图稳态运行和相量图w稳态运行性能分析计算稳态运行性能分析计算w损耗分析计算损耗分析计算稳态运行性能分析计算稳态运行性能分析计算w电磁转矩和功角特性电磁转矩和功角特性 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩 为为 式中第式中第1项由永磁气隙磁场与定子电枢反应项由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短，又称永磁磁场相互作用产生的基本电磁转短，又称永磁转矩，第转矩，第2项为由于电动机直、

3、纵轴磁路不对项为由于电动机直、纵轴磁路不对称而产生的磁阻转矩。称而产生的磁阻转矩。emT2sin112sin20dqdemXXUXUEmpT永磁同步电动机的矩角特性永磁同步电动机的矩角特性永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子磁路结构 w永磁同步电动机的稳态性能永磁同步电动机的稳态性能 w永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的磁路分析与计算 w永磁同步电动机的参数计算和分析永磁同步电动机的参数计算和分析 w异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 四、永磁同步电动机的磁路分

4、析与计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算w磁路计算特点磁路计算特点 计算极弧系数计算极弧系数 气隙磁场波形系数气隙磁场波形系数 磁位差计算磁位差计算w空载漏磁系数空载漏磁系数w永磁体工作点的计算永磁体工作点的计算 空载和负载工作点的计算特点空载和负载工作点的计算特点 最大去磁时永磁体工作点的校核计算最大去磁时永磁体工作点的校核计算永磁同步电动机空载气隙磁密波形永磁同步电动机空载气隙磁密波形1气隙磁密波形气隙磁密波形 2基波基波 33次谐波次谐波 45次谐波次谐波1. 计算极弧系数计算极弧系数 电机转子磁路不同，其极弧系数电机转子磁路不同，其极弧系数p和计算极弧系数和计算极弧系数i的计的计算公

5、式也不同。算公式也不同。 对以上转子结构：对以上转子结构：pQpQp21222ppi1641 永磁磁极直接面向空气隙的表面式磁路结构，其极弧系数永磁磁极直接面向空气隙的表面式磁路结构，其极弧系数p 为：为：计算极弧系数计算极弧系数i的计算可参照本章第二节的计算可参照本章第二节P32P32磁极不带软铁铁靴磁极不带软铁铁靴的计算方法，查找图的计算方法，查找图2-82-8或或2-92-9的曲线。的曲线。1MpbbM为每极下永磁体所跨的弧长（为每极下永磁体所跨的弧长（cm）NSNSNSNSNSNSNSNS1bp12bib为电机极靴弧长为电机极靴弧长（cm）永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形永磁同步电动

6、机空载气隙磁密近似波形2. 气隙磁场波形系数气隙磁场波形系数 如图所示，经傅里叶极如图所示，经傅里叶极数分解后，可得永磁同步电数分解后，可得永磁同步电动机空载气隙磁密基波：动机空载气隙磁密基波：空载气隙磁密波形系数：空载气隙磁密波形系数：2sin4iiBB2sin41ifBBK2. 气隙磁场波形系数气隙磁场波形系数空载时永磁体提供的气隙总磁通：空载时永磁体提供的气隙总磁通：空载时永磁体提供的气隙基波磁通：空载时永磁体提供的气隙基波磁通：永磁电动机气隙基波磁通永磁电动机气隙基波磁通10与气隙总磁通与气隙总磁通0之比，即气隙磁通之比，即气隙磁通的波形系数为：的波形系数为：440001010mrmi

7、efbB ABL 4110102efLB2sin82010iiK2sin82010iiK 由上式可以看出，由上式可以看出，i的大小影响气隙基波磁通与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。另外，气隙总磁通的比值，即影响永磁材料的利用率。另外， i的大小还影响气隙中谐波的大小。设计中选定的大小还影响气隙中谐波的大小。设计中选定i时时应考虑永磁体的合理利用、谐波抑制和电动机性能的应考虑永磁体的合理利用、谐波抑制和电动机性能的需要。需要。3. 磁位差计算磁位差计算 由于永磁同步电动机的极弧系数一般由于永磁同步电动机的极弧系数一般较大，计算气隙和齿部磁位差时应该用有较大，计算

8、气隙和齿部磁位差时应该用有效值效值B B而不是用基波值而不是用基波值B B1 ；计算电动机；计算电动机轭部磁位差时也应该用轭部铁心的有效总轭部磁位差时也应该用轭部铁心的有效总磁通磁通而不是用基波磁通而不是用基波磁通1 。w磁路计算特点磁路计算特点计算极弧系数计算极弧系数气隙磁场波形系数气隙磁场波形系数磁位差计算磁位差计算w空载漏磁系数空载漏磁系数w永磁体工作点的计算永磁体工作点的计算空载和负载工作点的计算特点空载和负载工作点的计算特点最大去磁时永磁体工作点的校核计算最大去磁时永磁体工作点的校核计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算（二）空载漏磁系数（二）空载漏

9、磁系数 永磁同步电动机可采用与永磁直流电动机相似的方永磁同步电动机可采用与永磁直流电动机相似的方法，通过两次二维电磁场数值分析计算求取电动机的极法，通过两次二维电磁场数值分析计算求取电动机的极间漏磁系数间漏磁系数1和端部漏磁计算系数和端部漏磁计算系数 2，则电动机空载漏，则电动机空载漏磁系数磁系数0为为)() 1(21210efLkk表面式永磁同步电动机极间漏磁系数表面式永磁同步电动机极间漏磁系数 曲线曲线1表而式永磁同步电动机端部漏磁表而式永磁同步电动机端部漏磁计算系数计算系数 曲线曲线2（二）空载漏磁系数（二）空载漏磁系数 内置式转子磁路结构永磁同步电动机的磁路结构虽内置式转子磁路结构永磁

10、同步电动机的磁路结构虽然多种多样，但然多种多样，但对电动机极间漏磁系数影响最大的是其对电动机极间漏磁系数影响最大的是其采用的隔磁磁桥的尺寸和永磁体的尺寸。采用的隔磁磁桥的尺寸和永磁体的尺寸。 为降低极间漏为降低极间漏磁系数，在设计电磁系数，在设计电动机时应在保证电动机时应在保证电动机制造工艺和冲动机制造工艺和冲模使用寿命的前提模使用寿命的前提下，尽量限制隔磁下，尽量限制隔磁磁桥的尺寸。磁桥的尺寸。内置式永磁同步电动机极间漏磁系数内置式永磁同步电动机极间漏磁系数 永磁体尺寸曲线永磁体尺寸曲线1(a) hM=0.2cm(b) hM=0.4cm(c) hM=0.8cm 永磁体尺寸永磁体尺寸越大，气隙

11、长度越大，气隙长度越小，电动机的越小，电动机的极间漏磁系数也极间漏磁系数也越小。越小。内置径向式永磁同步电动机端部内置径向式永磁同步电动机端部漏磁计算系数漏磁计算系数 曲线曲线2 内置径向式内置径向式永磁同步电动机永磁同步电动机端部漏磁系数除端部漏磁系数除与气隙长度和永与气隙长度和永磁体磁化方向有磁体磁化方向有关外，还与永磁关外，还与永磁体离转子表面的体离转子表面的距离有较大关系，距离有较大关系，永磁体离转子表永磁体离转子表面越近，端部漏面越近，端部漏磁系数越小。磁系数越小。w磁路计算特点磁路计算特点计算极弧系数计算极弧系数气隙磁场波形系数气隙磁场波形系数磁位差计算磁位差计算w空载漏磁系数空载

12、漏磁系数w永磁体工作点的计算永磁体工作点的计算空载和负载工作点的计算特点空载和负载工作点的计算特点最大去磁时永磁体工作点的校核计算最大去磁时永磁体工作点的校核计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁体工作点的计算永磁体工作点的计算1. 空载和负载工作点的计算特点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中既有径向式，又有永磁同步电动机的转子磁路结构中既有径向式，又有切向式和混合式。为避免混淆，统一以永磁同步电动机切向式和混合式。为避免混淆，统一以永磁同步电动机每每对极磁路的磁动势和每极磁通对极磁路的磁动势和每极磁通作为计算量。作为计算量。对径向

13、式结构：对径向式结构：对切向式结构：对切向式结构：2102McchHF441010MMrmrrLbBAB210McchHF4410210MMrmrrLbBAB式中式中Br和和Hc分别是在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度分别是在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力。和计算矫顽力。F为经磁路计算所得的电动机每对极磁路的总磁位差，其为经磁路计算所得的电动机每对极磁路的总磁位差，其值为：值为：式中式中F、Ft1、Fj1、Ft2和和Fj2分别为电动机每对极的气隙、定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。如果电子齿、定子轭、转子齿、转子轭等部位的磁位差。如果电动机

14、无转子齿（如表面式转子），则不含动机无转子齿（如表面式转子），则不含Ft2项。项。 永磁同步电动机直轴电枢磁动势永磁同步电动机直轴电枢磁动势Fad（A/极）为：极）为：则其作用于永磁体的去（增）磁磁动势标么值为：则其作用于永磁体的去（增）磁磁动势标么值为：式中式中Kad为电动机直轴电枢磁动势折算系数。为电动机直轴电枢磁动势折算系数。2211jtjtFFFFFFdaddqadIpNKKF35.1dadcdqcadaIKpFNKFFf007.222. 最大去磁时永磁体工作点的校核计算最大去磁时永磁体工作点的校核计算 对调速永磁同步电动机来说，永磁体去磁对调速永磁同步电动机来说，永磁体去磁最严重的情

15、况是运行中的电机突然短路，最严重的情况是运行中的电机突然短路，短路短路电流产生直轴电枢磁动势对永磁体起去磁作用。电流产生直轴电枢磁动势对永磁体起去磁作用。 电动机短路时的去磁电流近似为：电动机短路时的去磁电流近似为： dhXEI00EKIw短路时端电压短路时端电压U=0稳态短路的运行特点：()aEUI rjx0addqqEUIrjI xjI x0K addqqEI rjI xjI x cossinUIrUIxOGBGtgaq aqaKqKrxrIxItg900Uqaxr0KdqIII0ar 2. 最大去磁时永磁体工作点的校核计算最大去磁时永磁体工作点的校核计算 异步起动永磁同步电机起动到转子转

16、速接异步起动永磁同步电机起动到转子转速接近同步转速，且近同步转速，且电枢磁动势和转子磁场轴线处电枢磁动势和转子磁场轴线处于重合而方向相反于重合而方向相反时，电枢磁动势对永磁体的时，电枢磁动势对永磁体的去磁作用最严重，称这种运行状态为去磁作用最严重，称这种运行状态为“反接状反接状态态”。反接状态下，定子电流只有直轴分量，。反接状态下，定子电流只有直轴分量，且定子电流且定子电流I Ih h超前超前E E0 0 9090电角度。因为反接状电角度。因为反接状态时电动机转速非常接近同步转速，故可近似态时电动机转速非常接近同步转速，故可近似地采用同步运行时的参数。地采用同步运行时的参数。“反接状态反接状态

17、”时电动机相量图时电动机相量图0)(0)(11RbRa从图中可以求出不计定子绕组电阻时的最大去磁定子电流为：从图中可以求出不计定子绕组电阻时的最大去磁定子电流为：计及定子绕组电阻时，定子电流为：计及定子绕组电阻时，定子电流为： 根据电动机的类型，求得永磁体负载工作点，即为永磁体的根据电动机的类型，求得永磁体负载工作点，即为永磁体的最大去磁工作点（最大去磁工作点（bmh，hmh） 。实际设计永磁同步电动机时，应。实际设计永磁同步电动机时，应使永磁体的最大去磁工作点（使永磁体的最大去磁工作点（bmh，hmh）高于所采用永磁材料在）高于所采用永磁材料在最高工作温度（铁氧体永磁为最低环境温度）下退磁曲

18、线的拐点最高工作温度（铁氧体永磁为最低环境温度）下退磁曲线的拐点（bk，hk），并留有一定的裕度。），并留有一定的裕度。dhXUEI0202122020212200)(XRUEXRXEXEIddh永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子磁路结构 w永磁同步电动机的稳态性能永磁同步电动机的稳态性能 w永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的磁路分析与计算 w永磁同步电动机的参数计算和分析永磁同步电动机的参数计算和分析 w异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 五、永磁同步电动机

19、的参数计算和分析五、永磁同步电动机的参数计算和分析（一）空载反电动势（一）空载反电动势 空载反电动势空载反电动势E0是永磁同步电动机一个非常重是永磁同步电动机一个非常重要的参数。要的参数。E0（V）由电动机中永磁体产生的空载）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：气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，其值为： E0的大小不仅决定电动机运行于增磁状态还是的大小不仅决定电动机运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动、稳态性能均有很大去磁状态，而且对电动机的动、稳态性能均有很大的影响。的影响。40001001044. 444. 444. 4mrmdqdqdqABbNfK

20、KKNfKNfKE 曲线曲线NUEfI01 合理设计合理设计E0，可降低定，可降低定子电流，提高电动机效率，子电流，提高电动机效率，降低电动机的温升。降低电动机的温升。 设计实践表明，所有设设计实践表明，所有设计比较成功的电动机，其计比较成功的电动机，其E0与额定电压的比值均在合理与额定电压的比值均在合理范围内。但应注意，对不同范围内。但应注意，对不同用途的永磁电动机，用途的永磁电动机，E0的取的取值范围应有所不同。值范围应有所不同。（二）直、交轴电枢反应电抗（二）直、交轴电枢反应电抗从电动机向量图出发，可得电动机直轴内电动势从电动机向量图出发，可得电动机直轴内电动势Ed为：为：式中，当电动机

21、运行于去磁状态时取式中，当电动机运行于去磁状态时取“”号，当电动号，当电动机运行于增磁状态时取机运行于增磁状态时取“”号。号。adddXIEE0由此可得直轴电枢反应电抗（由此可得直轴电枢反应电抗（）为：）为：1N为当直轴电枢电流等于为当直轴电枢电流等于Id时永磁体提供得气隙基波时永磁体提供得气隙基波磁通（磁通（Wb），且），且式中式中bmN为直流电流等于为直流电流等于Id时永磁体的负载工作点。时永磁体的负载工作点。所以直轴电枢反应电抗（所以直轴电枢反应电抗（ ）为：）为：考虑交轴磁路饱和时考虑交轴磁路饱和时Xaq需迭代求解。需迭代求解。ddadIEEX0NdqdNfKE144. 4其中，411

22、0)1 (KABbbmrmNmNNdNdqadINfKX11044. 4 相对来说，相对来说，Xad对永磁同步电动机性能的影响对永磁同步电动机性能的影响比比Xaq对电动机性能的影响更加敏感对电动机性能的影响更加敏感，增加永磁体的，增加永磁体的磁化方向长度以减少磁化方向长度以减少Xad，可明显提高电动机的过载，可明显提高电动机的过载能力，但对恒功率调速运行电动机的弱磁扩速能力能力，但对恒功率调速运行电动机的弱磁扩速能力不利。为了得到较高的功率因数和空载反电动势不利。为了得到较高的功率因数和空载反电动势E0，要增加电动机的绕组匝数和铁心长度，但这同时会要增加电动机的绕组匝数和铁心长度，但这同时会导

23、致导致Xad和和Xaq的增大，使电动机过载能力变小、牵的增大，使电动机过载能力变小、牵入同步能力变差。所以实际设计中应综合考虑，使入同步能力变差。所以实际设计中应综合考虑，使Xad与与Xaq的设计值合适，并要注意两者的合理搭配。的设计值合适，并要注意两者的合理搭配。永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子磁路结构 w永磁同步电动机的稳态性能永磁同步电动机的稳态性能 w永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的磁路分析与计算 w永磁同步电动机的参数计算和分析永磁同步电动机的参数计算和分析 w异步起动永磁同

24、步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 永磁同步电动机由于在转子上安放了永磁体，使永磁同步电动机由于在转子上安放了永磁体，使得其起动过程比感应电动机更为复杂；在起动过程中得其起动过程比感应电动机更为复杂；在起动过程中既有既有平均转矩，又有脉动转矩平均转矩，又有脉动转矩，且这些转矩的幅值均，且这些转矩的幅值均随电动机转速的改变而变化。随电动机转速的改变而变化。 为便于分析，假设整个起动过程非常缓慢，电动为便于分析，假设整个起动过程非常缓慢，电动机在不同异步转速下稳定运行。从描述异步起动永磁机在不同异步转速下稳定运行。从

25、描述异步起动永磁同步电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发，可得同步电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发，可得到如下电磁转矩表达式：到如下电磁转矩表达式： )2cos()cos( 2cos2sincossin2121pcpmavpcpcpmpmavemTTTTTTTTT异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时不考虑永磁体时永磁同步电动机永磁同步电动机转子：磁路不对称转子：磁路不对称定子：对称电流产生旋定子：对称电流产生旋转磁场，同步转速转磁场，同步转速n1转差率转差率s，n=(1-s)n1等效为转子磁等效为转子磁路不

26、对称的三路不对称的三相相感应电动机感应电动机转子电流所产生的磁场可分解为正、负两个旋转磁场。转子电流所产生的磁场可分解为正、负两个旋转磁场。相对于转子的转速分别为：相对于转子的转速分别为： sn1， -sn1相对于定子的转速分别为：相对于定子的转速分别为： n+ sn1 =n1 ， n- sn1 =(1-2s ) n1 转子磁路不对称，转子磁路不对称，XdXqn=(1-s)n1异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时不考虑永磁体时 永磁永磁 同步同步电动机电动机转子磁场转子磁场定子磁场定子磁场n1正向旋转正向旋转n

27、1反向旋转反向旋转=(1-2s ) n1 异步转矩异步转矩Ta在定子绕组中感应出频率在定子绕组中感应出频率(1-2s ) f 的电流的电流Ib ， Ib所产生的定子旋转磁场转速也是所产生的定子旋转磁场转速也是(1-2s ) n1。磁阻负序分磁阻负序分量转矩量转矩Tb磁阻负序分磁阻负序分量转矩量转矩Tbn0.5，(1-2s ) f0N=n1/2，即，即s=0.5，(1-2s ) f=0 Tb=0nn1/2，即，即s0 Tb0异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩起动过程中的平均转矩考虑永磁体时考虑永磁体时 永磁同步电动机永磁体磁场永磁同步电动机永磁

28、体磁场以以n(1-s ) n1 旋转旋转 在定子绕组中感应出频率为在定子绕组中感应出频率为(1-s ) f 的电流的电流Ig 转速为转速为n、定子绕组通过电网短路的同步发电机。、定子绕组通过电网短路的同步发电机。 发电制动转矩发电制动转矩Tg异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时不考虑永磁体时 永磁永磁 同步同步电动机电动机转子磁场转子磁场定子磁场定子磁场n1正向旋转正向旋转n1反向旋转反向旋转(1-2s ) n1 异步转矩异步转矩Ta磁阻负序分磁阻负序分量转矩量转矩TbqdXX定子磁场定子磁场 (1-2s )

29、n1考虑永磁体时考虑永磁体时 发电制动转矩发电制动转矩Tg永磁体磁场永磁体磁场 (1-s ) n1定子磁场定子磁场 (1-s ) n1异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程gbaavTTTT1 曲线曲线 ；2 曲线曲线 3 曲线；曲线；41、2、3的合成曲线的合成曲线sTasTbsTg起动过程中的平均转矩起动过程中的平均转矩异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 由于永磁同步电动机的转子磁路不对称，由于永磁同步电动机的转子磁路不对称， 和和 的准确计算非常复杂，工程常用近似的方法的准确计算非常复杂，工程常用近似的方法计算。在不要求得出具体的转

30、矩转速曲线时，可计算。在不要求得出具体的转矩转速曲线时，可以将以将 与与 合并计算合并计算( )，且近似采用感应，且近似采用感应电动机的转矩公式计算，再根据经验加以修正，电动机的转矩公式计算，再根据经验加以修正，aTcbaTTTaT2211221122/2/XcXsRcRfsRmpUTcbT式中式中 为采用感应电动机为采用感应电动机形近似等效电路而形近似等效电路而引入的修正系数。引入的修正系数。mXXc111异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 永磁同步电动机转子上永磁体槽的存在，其励磁永磁同步电动机转子上永磁体槽的存在，其励磁电抗与感应电动机相比有较大的差别。实验

31、表明，电抗与感应电动机相比有较大的差别。实验表明，同样结构尺寸、绕组和气隙的情况下，永磁同步电同样结构尺寸、绕组和气隙的情况下，永磁同步电动机的动机的 比普通感应电动机的比普通感应电动机的 稍小，而稍小，而 则比则比 小小 得多。得多。 应以下式予以修正应以下式予以修正adXaqXmXmXmX aqadaqadmXXXXX2异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 经过复杂的推导，可得经过复杂的推导，可得 上式中第上式中第2个中括号内的因式是该式的主要项，个中括号内的因式是该式的主要项，表示表示永磁体磁链所产生的转矩永磁体磁链所产生的转矩；第；第1个中括号个中括号内的值

32、代表电动机转子内的值代表电动机转子凸极效应所引起的凸极凸极效应所引起的凸极效应效应系数。当系数。当Xd=Xq时，该值为时，该值为1。22122012212221)1 ()1 ()1 ()1 ()1 (2sXXRsERsXXRsXRsfmpTqdqdqg异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 一般来说，永磁发电制动转矩对小容量电一般来说，永磁发电制动转矩对小容量电动机的平均转矩影响较大，而对大容量电动机动机的平均转矩影响较大，而对大容量电动机的影响则相对小些。的影响则相对小些。 异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的脉动转矩起动过

33、程中的脉动转矩 定子定子 电流电流转子磁场转子磁场定子磁场定子磁场n1正向旋转正向旋转n1反向旋转反向旋转(1-2s ) n1 qdXX定子磁场定子磁场 (1-2s ) n1永磁体永磁体永磁体磁场永磁体磁场 (1-s ) n1定子磁场定子磁场 (1-s ) n1异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程w 起动过程中的脉动转矩起动过程中的脉动转矩 永磁同步电动机起动过程中气隙中存在三种不同永磁同步电动机起动过程中气隙中存在三种不同转速旋转的磁场，其转速分别为转速旋转的磁场，其转速分别为 ， 和和 而转速不同的定转子磁场间的相互作用则产生平均值而转速不同的定转子磁场间的相互

34、作用则产生平均值为零的脉动转矩。为零的脉动转矩。 转速为转速为 的定的定( (转转) )子磁场与转速为子磁场与转速为 的转的转( (定定) )子磁场相互作用产生脉动频率为子磁场相互作用产生脉动频率为 的脉动转矩，的脉动转矩，这是由转子起动绕组的存在和转子磁路不对称而引起这是由转子起动绕组的存在和转子磁路不对称而引起的磁阻脉动转矩的磁阻脉动转矩 ，它与电动机中的永磁体无关。，它与电动机中的永磁体无关。1n11ns121ns121ns1nsf2pcT异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 转速为转速为 的永磁磁场与转速为的永磁磁场与转速为 和和 的磁场相互作用产生脉动频率

35、为的磁场相互作用产生脉动频率为 的脉动转矩，的脉动转矩，其幅值其幅值 与电动机的永磁体、定子绕组和转子与电动机的永磁体、定子绕组和转子磁路的不对称程度有关。磁路的不对称程度有关。 上述两个脉动转矩中，由永磁体磁场引起上述两个脉动转矩中，由永磁体磁场引起的脉动转矩幅值的脉动转矩幅值 远大于由转子起动绕组和磁远大于由转子起动绕组和磁路不对称所引起的脉动转矩幅值路不对称所引起的脉动转矩幅值 。 pcTpmT1n11ns121nssfpmT永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的转子磁路结构 w永磁同步电动机的稳态性能

36、永磁同步电动机的稳态性能 w永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的磁路分析与计算 w永磁同步电动机的参数计算和分析永磁同步电动机的参数计算和分析 w异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程 第二章第二章 永磁电机永磁电机w永磁电机的主要特点和应用永磁电机的主要特点和应用w永磁直流电机永磁直流电机w永磁同步电动机永磁同步电动机w永磁同步发电机永磁同步发电机永磁同步发电机永磁同步发电机w永磁同步发电机的转子磁路结构永磁同步发电机的转子磁路结构w永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的转子磁路结构永磁同步发电机的转子磁路结构 永磁同步发电机的定

37、子结构与永磁同步电动机相同。永磁同步发电机的定子结构与永磁同步电动机相同。其转子磁路结构，除不需要起动绕组外，也与永磁同其转子磁路结构，除不需要起动绕组外，也与永磁同步电动机相似。但由于对永磁同步发电机的性能，特步电动机相似。但由于对永磁同步发电机的性能，特别是固有电压调整率、电压波形正弦性畸变率和功率别是固有电压调整率、电压波形正弦性畸变率和功率密度的要求较高，有的运行转速又很高密度的要求较高，有的运行转速又很高(例如航空发电例如航空发电机的转速通常为机的转速通常为1000060000rpm)，其结构布置与选，其结构布置与选用原则有许多特点。用原则有许多特点。 通常按永磁体磁化方向与转子旋转

38、方向的相互关通常按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。系，分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。 永磁同步发电机的转子磁路结构永磁同步发电机的转子磁路结构w切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构切向套环式转子切向套环式转子切向槽楔式转子切向槽楔式转子w径向式转子磁路结构径向式转子磁路结构w混合式转子磁路结构混合式转子磁路结构w轴向式转子磁路结构轴向式转子磁路结构切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构 切向式转子磁路结构中的漏磁比轴向式结切向式转子磁路结构中的漏磁比轴向式结 构、径向式结构要大。但是，构、径向式结构要大。但是，切向式结构中永切向式结构中永

39、 磁体并联作用磁体并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供，有两个永磁体截面对气隙提供 每极磁通，可每极磁通，可提高气隙磁密提高气隙磁密，尤其在极数较多，尤其在极数较多 情况下更为突出。因此适合于极数多且要求气情况下更为突出。因此适合于极数多且要求气 隙磁密高的水磁同步发电机。隙磁密高的水磁同步发电机。 永磁体和极靴的固定方式不同，通常分为永磁体和极靴的固定方式不同，通常分为切向套环式结构和切向槽楔式结构。切向套环式结构和切向槽楔式结构。 切向套环式转子磁路结构示意图切向套环式转子磁路结构示意图1极靴极靴 2套环（磁性材料段）套环（磁性材料段） 3套环（非磁性材料段）套环（非磁性材料段） 4垫片垫

40、片 5永磁体永磁体 6非磁性衬套非磁性衬套 7转轴转轴切向槽楔式转子磁路结构示意图切向槽楔式转子磁路结构示意图1极靴极靴 2永磁体永磁体 3槽楔槽楔 4非磁性衬套非磁性衬套 5转轴转轴切向式转子磁路结构切向式转子磁路结构 套环实际上是一个高强度金属材料制成的套环实际上是一个高强度金属材料制成的薄壁圆环，紧紧地套在转子外圆处。通过套环薄壁圆环，紧紧地套在转子外圆处。通过套环把永磁体、软铁极靴都固定在应有的位置上。把永磁体、软铁极靴都固定在应有的位置上。套环的力学特点是：在它所包容下的转子内部套环的力学特点是：在它所包容下的转子内部各组件，在整个转速范围内各组件，在整个转速范围内( (静止状态的零

41、转静止状态的零转速、额定转速和超速状态速、额定转速和超速状态) )，应全部处于，应全部处于压缩压缩状态。因此在静止状态装配时，需采取状态。因此在静止状态装配时，需采取过盈配过盈配合合。槽楔式结构中永磁体用槽楔固定，工艺和。槽楔式结构中永磁体用槽楔固定，工艺和结构比较简单，但对高速运行的发电机，套环结构比较简单，但对高速运行的发电机，套环式的可靠性比槽楔式高。式的可靠性比槽楔式高。 永磁同步发电机的转子磁路结构永磁同步发电机的转子磁路结构w 径向式转子磁路结构径向式转子磁路结构 径向式转子磁路结构中永磁体的磁化方向径向式转子磁路结构中永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，与气隙磁通轴线

42、一致且离气隙较近，漏磁系数漏磁系数较切向式结构小较切向式结构小。在一对极磁路中有两个永磁。在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势，仅有一个永磁体截面提供每极体提供磁动势，仅有一个永磁体截面提供每极磁通，故磁通，故气隙磁密相对较低气隙磁密相对较低。径向式转子磁路。径向式转子磁路结构中永磁体的形状主要有环形、星形、瓦片结构中永磁体的形状主要有环形、星形、瓦片形和矩形四种。形和矩形四种。 径向环形永磁体转子磁路结构径向环形永磁体转子磁路结构结构特点结构特点 环形永磁体的环形永磁体的结构结构和工艺最为简单和工艺最为简单，可以，可以直接浇铸或粘结在发电直接浇铸或粘结在发电机转轴上，机转轴上，机械强度较机械

43、强度较高高，可以在较高转速下，可以在较高转速下运行。但是永磁材料的运行。但是永磁材料的利用率不高利用率不高。目前主要。目前主要应用于微型和小功率发应用于微型和小功率发电机。电机。径向星形永磁体转子磁路结构径向星形永磁体转子磁路结构1永磁体永磁体 2非磁性材料非磁性材料 3套环（非磁性材料段）套环（非磁性材料段） 4套环（磁性材料段）套环（磁性材料段）径向星形永磁体转子磁路结构径向星形永磁体转子磁路结构结构特点结构特点 星形永磁体提高了永磁材料的利用率；可以直接星形永磁体提高了永磁材料的利用率；可以直接浇铸或粘结在发电机转轴上，结构和工艺浇铸或粘结在发电机转轴上，结构和工艺较为简单较为简单；极间

44、通常采用铝合金浇铸，保证了转子结构的整体性极间通常采用铝合金浇铸，保证了转子结构的整体性且起且起阻尼作用阻尼作用，既可改善发电机的瞬态性能，又可提，既可改善发电机的瞬态性能，又可提高永磁材料的抗去磁能力。但由于极间高永磁材料的抗去磁能力。但由于极间漏磁较大，充漏磁较大，充磁较为困难磁较为困难，容易造成永磁体的不均匀磁化，而且永，容易造成永磁体的不均匀磁化，而且永磁体的磁体的形状较复杂，永磁材料的利用率偏低形状较复杂，永磁材料的利用率偏低，因而发，因而发电机的容量受到限制。为了改善电动势波形，星形转电机的容量受到限制。为了改善电动势波形，星形转子可以作成斜极。子可以作成斜极。 径向星形永磁体转子

45、磁路结构径向星形永磁体转子磁路结构 为在尽可能小的转子直径内放置尽可能大为在尽可能小的转子直径内放置尽可能大的永磁体，以提高气隙磁密，同时考虑到稀土的永磁体，以提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以小，永磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以小，近年来又多采用瓦片形永磁体和矩形永磁体。近年来又多采用瓦片形永磁体和矩形永磁体。 径向瓦片形永磁体转子磁路结构径向瓦片形永磁体转子磁路结构11套环套环 22永磁体永磁体 33非磁性材料非磁性材料 44磁性材料衬套磁性材料衬套 55转轴转轴径向矩形永磁体转子磁路结构径向矩形永磁体转子磁路结构1垫片垫片 2永磁体永磁体 3非磁性材

46、料非磁性材料 4磁性材料衬套磁性材料衬套 5转轴转轴 6套环套环 7极靴极靴径向星形永磁体转子磁路结构径向星形永磁体转子磁路结构 矩形永磁体的矩形永磁体的加工费用最低，磁化均匀加工费用最低，磁化均匀，同样永磁材料的同样永磁材料的磁性能最好磁性能最好。瓦片形永磁体也。瓦片形永磁体也可以用矩形永磁体条组成，以减少永磁体加工可以用矩形永磁体条组成，以减少永磁体加工费用。调节瓦片形永磁体的宽度和矩形永磁体费用。调节瓦片形永磁体的宽度和矩形永磁体极靴的形状和宽度，也就是调节极弧系数，可极靴的形状和宽度，也就是调节极弧系数，可以以改善气隙磁场波形改善气隙磁场波形。衬套。衬套( (即转子轭即转子轭) )用磁

47、性用磁性材料制成。瓦片形和矩形永磁体之间是非磁性材料制成。瓦片形和矩形永磁体之间是非磁性材料，既可以起到阻尼作用，又对转子轭和永材料，既可以起到阻尼作用，又对转子轭和永磁体的固定起到一定作用，进一步提高了高速磁体的固定起到一定作用，进一步提高了高速运行发电机的可靠性。运行发电机的可靠性。 径向星形永磁体转子磁路结构径向星形永磁体转子磁路结构 按固定永磁体的方法不同分为按固定永磁体的方法不同分为套环式和绑套环式和绑扎式扎式。套环式在性能、结构和工艺上与前面切。套环式在性能、结构和工艺上与前面切向式结构相似，它既可由磁性材料和非磁性材向式结构相似，它既可由磁性材料和非磁性材料交替组合，用电子束焊接

48、而成；也可由单一料交替组合，用电子束焊接而成；也可由单一的非磁性材料制成，使计算气隙长度增大，但的非磁性材料制成，使计算气隙长度增大，但它所需零件数减少，不需要电子束焊接。而绑它所需零件数减少，不需要电子束焊接。而绑扎式采用无纬玻璃丝带绑扎工艺，既防护永磁扎式采用无纬玻璃丝带绑扎工艺，既防护永磁体表面，又使结构、工艺较为简单。体表面，又使结构、工艺较为简单。 混合式转子磁路结构混合式转子磁路结构1永磁体永磁体 2槽楔槽楔 3永磁体槽永磁体槽 4极靴极靴 5转轴转轴混合式转子磁路结构混合式转子磁路结构 混合式转子磁路结构是在径向和切向都放混合式转子磁路结构是在径向和切向都放置永磁体。它可以在一定

49、的转子直径下提供置永磁体。它可以在一定的转子直径下提供更更高的气隙磁密高的气隙磁密，或者可以在气隙磁密相同的情，或者可以在气隙磁密相同的情况下况下缩小转子体积缩小转子体积。在切向永磁体和径向永磁。在切向永磁体和径向永磁体的尺寸、相互位置配合合理的情况下，漏磁体的尺寸、相互位置配合合理的情况下，漏磁系数可以比纯切向和径向结构大大减少，即在系数可以比纯切向和径向结构大大减少，即在额定输出功率和转子尺寸相同的情况下，减少额定输出功率和转子尺寸相同的情况下，减少永磁体用量。转于内轭采用磁性材料。混合式永磁体用量。转于内轭采用磁性材料。混合式转子转子结构较复杂结构较复杂，对转子槽形和永磁体的加工，对转子

50、槽形和永磁体的加工精度要求高，制造费时精度要求高，制造费时。 轴向式转子磁路结构轴向式转子磁路结构 轴向式转子磁路的代表结构是爪极式转子，轴向式转子磁路的代表结构是爪极式转子，其结构与永磁同步电动机相似。其结构与永磁同步电动机相似。永磁同步发电机永磁同步发电机w永磁同步发电机的转子磁路结构永磁同步发电机的转子磁路结构w永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能 对永磁同步发电机运行性能的要求是多方对永磁同步发电机运行性能的要求是多方面的，本节主要分析其中三个重要性能指标面的，本节主要分析其中三个重要性能指标固有电压调整率、短路电流倍数和电压

51、波形固有电压调整率、短路电流倍数和电压波形正弦性畸变率的计算和影响因素。正弦性畸变率的计算和影响因素。 永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能w 固有电压调整率和降低措施固有电压调整率和降低措施 发电机的固有电压调整宰发电机的固有电压调整宰U()是指在负载是指在负载变化而转速保持不变时所出现的电压变化，其数变化而转速保持不变时所出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性，用额定电值完全取决于发电机本身的基本特性，用额定电压的百分数或标么值表示：压的百分数或标么值表示：式中式中, 为空载励磁电动势为空载励磁电动势(V)； 输出电压输出电压(V)。 1000NUUEU0EU永磁

52、同步发电机的相量图永磁同步发电机的相量图(a) 电阻电感负载电阻电感负载 (b) 电阻电容性负载电阻电容性负载固有电压调整率和降低措施固有电压调整率和降低措施 带电阻电感性负载时，输出电压的计算公带电阻电感性负载时，输出电压的计算公式为式为 为了降低电压调整率，必须在给定为了降低电压调整率，必须在给定 值的值的情况下情况下尽量增大输出电压尽量增大输出电压 ，为此既要设法，为此既要设法降降低电枢反应引起的去磁磁通量低电枢反应引起的去磁磁通量，又要，又要减小电枢减小电枢电阻电阻 和漏抗和漏抗 。 sincoscossincos1121122222XRIXRIXIEUNNNaqNd0EU1R1X固有

53、电压调整率和降低措施固有电压调整率和降低措施采取措施采取措施w 为了降低电枢反应引起的去磁磁通量，首先为了降低电枢反应引起的去磁磁通量，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力应选用矫顽力 大、回复大、回复磁导率磁导率 小的永磁材料小的永磁材料；同时；同时增大永磁体磁化增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影，削弱电枢反应的影响。如图所示，当响。如图所示，当 时，时， 。 cHr21MMhh21不同磁化方向长度的永磁体积工作图不同磁化方向长度的永磁体积工作图1空载时的

54、磁导线空载时的磁导线 2负载时的磁导线负载时的磁导线 3磁化方向长度磁化方向长度为为 的退磁曲线的退磁曲线 4磁化方向长度为磁化方向长度为 的退磁曲线的退磁曲线 1Mh2Mh固有电压调整率和降低措施固有电压调整率和降低措施其次，需其次，需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导子漏磁导以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用。以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用。为此应选用为此应选用剩磁密度剩磁密度 大大的永磁材料；并且应的永磁材料；并且应增加永磁体提供每极磁通的截面积增加永磁体提供每极磁通的截面积。w为了减小定子漏抗为了减小定子漏抗 ，需要选择，需要选择宽而浅的定宽而浅的

55、定子槽形子槽形；减少电枢绕组每相串联匝数减少电枢绕组每相串联匝数，但要注，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比等。长径比等。 rB1X固有电压调整率和降低措施固有电压调整率和降低措施w 为了减小电枢电阻，需为了减小电枢电阻，需减少电枢绕组每相串减少电枢绕组每相串联匝数和增大导体截面积联匝数和增大导体截面积。 在上述措施中，都将导致耗用更多的永磁在上述措施中，都将导致耗用更多的永磁体材料，所以在满足规定的性能指标的前提下，体材料，所以在满足规定的性能指标的前提下，应合理地选择各参数，尽量减少永磁材料的用应合理地选择各参数，尽量减少永磁材料的用量。量。 永磁同步发电机的运行性能永磁同步发电机的运行性能w 短路电流倍数的计算短路电流倍数的计算 永磁同步发电机的短路状态分为永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路稳态短