微型永磁转子同步电机

1、山东科技大学学士学位论文摘要摘要本文介绍了一种在家电等领域广泛使用的微型永磁转子同步电机，其采用铁氧体永磁转子，U型铁芯，并具有不均匀气隙。这种电机结构简单，性能可靠，可自起动，由于其使用可在水、油等液体中工作的铁氧体永磁材料制作转子，所以当用做微型泵的驱动电机时可省去轴的动密封。基于基本的电机理论，对这种电机的结构、起动和运转原理及性能进行了定性分析。最后介绍了一种可适用于12V直流电源的逆变电路及方案。关键字: U型铁芯；单相；永磁；同步；电机 ；12V直流电源ABSTRACT A micro-rotor permanent magnet synchrono us motor, used

2、in the field of home appliances, can be used in an additional permanent magnet rotor of the method to generate the magnetic field. Due to the inherent characteristics of permanent magnetic materials, after pre-magnetization, it can establish a magnetic field around the space with no additional energ

3、y. The motor structure is simple, reliable performance, self-starter, due to the use of ferrite magnets in the water, oil, liquid material rotor, so can be avoided when the micro pump drive motor axis The dynamic seal. This paper ,based on the research of single-phase permanent magnet synchronous mo

4、tor at home and abroad, Analysis and study of the structure, performance and operating principle of this type of motor.On this basis, with the principle of such motor, design a suitable inverter power circuit and appropriate structure and parameters of stator windings for this circuit to make such a

5、 motor can be used with only 12V DC power supply.Keywords: U-shaped core; Single-phase; Permanent magnet; Synchronous; Motor; 12V DC power supply山东科技大学学士学位论文目录目录1 绪论11.1电机的分类11.2永磁电机发展11.3 单相永磁电机研究现状31.4 研究内容和研究方法42 单相永磁同步电机的结构及转子永磁材料的研究62.1 单相永磁同步电机的结构62.2 结构的特点及其对电机的影响72.3 不同永磁材料的性能介绍82.4 小结123 单相

6、永磁同步电机的起动原理与分析133.1起动过程的转矩分析143.2单相永磁同步电动机获得初速度过程的分析183.3单相永磁同步电动机牵入同步的过程分析213.4 小结254 单相永磁同步电机的运行原理与分析264.1电磁转矩分析264.2 功角特性294.3 磁路法的原理及一种单相永磁电机参数的计算304.4电感计算364.5反电动势计算384.6小结405 12V直流电源逆变电路设计425.1 设计方案分析425.2 方波电压产生电路的设计445.3 三极管组合电路的设计485.4 逆变电路设计515.5直流无刷电机的驱动结构及优点545.6 小结566 经济技术分析586.1 技术分析58

7、6.2 经济效益分析596.3 社会效益分析59结论61参考文献63致谢65附录66山东科技大学学士学位论文绪论1 绪论1.1 电机的分类电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。就能量转换的功能来看，电机可分为两大类。第一类是发电机，它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电。第二类是电动机，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。按结构和工作原理可划分：直流电动机、异步电动机、同步电动机。直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁

8、直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机1。本次设计中分析研究的电机属于永磁同步电动机中的一种。1.2 永磁电机发展随着我国经济的快速发展和人民生活质量的不断提高，家用电器越来越成为日常家庭生活中必不可少的一部分，同时，人们对家用

9、电器的性能和质量也提出了更高的要求。目前，家用电器基本由电机来作为驱动装置，不包括汽车用电机，我国目前城镇家庭平均电机拥有量为15-50个，而发达国家每个家庭电机拥有量为70-100个。这反映了我国与发达国家在总体上的差距，也体现了小功率电机广阔的发展前景。作为家用电器的能量转换装置，电机的性能直接决定了家用电器的质量，电机的效率、功率因数、调速范围及噪声直接与家用电器的节能环保有着密切的关系。近年来，随着永磁材料性能的不断提高和永磁电机设计制造技术的日益完善，永磁电机越来越广泛地应用于高性能要求的场合。与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗少，效率高；电

10、机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极其广泛，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。在三相永磁同步电动机、圆形定子结构单相异步起动永磁同步电动机的理论研究与产品开发日益增多的同时，一种结构更加简单、在泵类负载中被广泛应用的单相自起动永磁同步电动机的研究报道却很少。单相自起动永磁同步电动机在接通单相工频交流电源后由于不需要任何控制装置就能够实现自起动，与同容量的单相异步电动机相比，其效率却能提高。总之，单相自起动永磁同步电动机具有结构简单、效率高、生产成本低等诸多优点，在家用电器领域中有着广阔的应用前景。SiemenS、Emerson等国外知名电机公司目前都在大量

11、生产此类电机，但国内对这种电机了解甚少，研究工作几乎没什么开展，目前需要加强对单相永磁同步电动机研究的力度，这不仅具有理论价值，也有实际意义2。1.3 单相永磁电机研究现状单相自起动永磁同步电动机由schemmann于1973年首先提出并进行了初步的理论分析。上世纪90年代初，国外学者开始对该电机进行理论研究，并取得一些成果。对于单相自起动永磁同步电动机的研究国内起步较晚，但是有关的专家、学者对此也做了大量的分析和研究：杨克信介绍了机电能量转换中的重要功能材料之一的应用一永磁材料在永磁电机中的应用3。根据各自的性能、特点应用在各方面，以及永磁材料应用中注意的问题。特别要注意永磁材料的选择，永磁

12、材料的稳定性，最后介绍了永磁电机设计特点。蔺江磊分别利用磁路法和有限元法，对电机的定子绕组电感、反电动势以及磁阻转矩进行了计算2，并通过实验验证了计算的可靠性和准确性。其并未深入涉及到关于电机启动原理及牵入同步的过程分析。唐孝镐基于达朗贝尔定律的起动过程运动方程，分析了单相永磁同步电动机起动时的各种转矩的特性与相互关系4，但是其分析启动牵入同步过程没有涉及电机的振荡启动,在启动过程中没有考虑磁滞和时间常数的影响，这两方面的因素直接影响到电机的启动问题。付敏利用有限元法电机绕组电感、磁链和定位转矩进行了计算5，在此基础上,针对所建立的动态数学模型,用龙格库塔法对空载起动过程进行了动态仿真计算,得

13、到该电机电流、转矩和转速曲线。同时讨论了电源合闸角、转子初始相角、磁链和负载转矩对电机转速和旋转方向的影响。但有限元法只能对成型电机进行参数计算分析，不能用于指导电机的设计。所以其在文中没有明确的提出方案改进电机。谢卫从稀土永磁同步电动机的基本电磁关系出发,定性分析起动过程中定子和转子不同频率电流分量及其旋转磁场的相互作用,对起主要作用的异步起动转矩和发电制动转矩进行了深入研究,采用相量法和迭加原理求得表征起动性能的转矩-转差率曲线,并同实测结果进行了对比。高义红分析了在永磁体外部加磁滞环下的涡流效应和磁滞效应6，对电机进行了全面的仿真。永磁同步电动机的起动和计算是电机设计计算的关键问题之一。

14、永磁同步电动机是依靠永磁转子磁场和定子旋转磁场的相互作用而工作的。只有当转子转速等于定子旋转磁场转速(同步速)时，它才能形成稳定的同步转矩驱动转子工作；若转子是在异步下运行，则定、转子磁场相互作用产生的平均转矩为零，不能正常工作。为了解决起动和同步运行问题，需在永磁转子上增设鼠笼绕组或磁滞材料环。单相永磁同步电机起动利用磁场的双旋转理论把脉振磁场分解成两个旋转方向相反的磁场，在牵入同步的过程中运用磁滞的原理来分析研究单相永磁同步电机的起动。1.4 研究内容和研究方法本文研究的电机为一种微型永磁转子同步电机，它使用单相交流电，磁滞起动，同步运转，结构简单、防爆。由于这种电机由于定子结构为U型，故

15、也常被称作U型单相永磁同步电机。定子的U型结构为硅钢片叠制而成的叠片结构。由于铁氧体永磁转子可在水、油等液体中工作，当用做微型泵的驱动电机时又可省去轴的动密封，使结构进一步简化，而性能得到提高。因此，此电机选用的是由平行充磁的两个半圆柱永磁体组成，永磁材料采用性能价格比较好的铁氧体永磁材料制作的永磁转子。单相永磁同步电机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。永磁同步电动机调速系统正逐步取代中小功率的异步电动机变频调速，有着广阔的发展前景。本文分别对这种微型永磁转子同步电机的结构、起动和稳态运行进行了分析和研究，并对当有直流电源时的应

16、用问题做了分析研究。在2中，介绍了单相永磁同步电机的结构，分析了这种结构的特点以及这种特点对电机产生的影响，同时对永磁材料的选择做了相关分析研究。在3中，对此种电机的起动原理和起动过程进行了分析。起动问题是研究单相永磁同步电机的关键。由于转子所使用的材料为永磁材料，所以利用此种材料的特性进行磁滞启动并对其牵入同步的过程进行了分析。在4中，对电机在同步稳态运行状态下的特性进行了分析，利用等效电路法分析并推导出了这种电机的功角特性，利用磁路法进行参数计算。在5中，在前面几章分析的基础上，针对直流电源适用问题，设计出了相应的逆变电源电路，及与此匹配的定子绕组的结构和参数，使其可在12V直流电源的场合

17、使用。并简要的说明了直流无刷电机的结构与优点。在6中，分析和说明了此种电机的经济效益和社会效益。89山东科技大学学士学位论文单相永磁同步电机的结构及转子永磁材料的研究2 单相永磁同步电机的结构及转子永磁材料的研究本章主要介绍了单相永磁同步电机的结构，分析了这种结构的特点以及其对电机产生的影响，最后对电机转子采用铁氧体永磁材料做了相关说明。2.1 单相永磁同步电机的结构单相永磁同步电机结构简单，由定子和永磁转子组成。电机定子铁芯由U型结构的硅钢片叠制而成。为了使电机能从静止的状态下直接起动，定子叠片的每极极弧由两段不同半径的同心圆弧相连而构成，在极弧下形成不均匀的阶梯状气隙，并且极弧长度小于极距

18、，构成了两个开口，以便定子电枢绕组的绕线及安装。电机的定子绕组采用单相集中绕组，为了利于绕组的散热，减小平均匝长以及减小绕组电阻和漏抗，线圈被分成相等的两段，直接对称地套装在定子的U型铁芯柱上，两段线圈串联连接，增强了磁势。电机在这种不对称气隙形式下，不需要电源变换器或其它的辅助装置，接通电源后能够直接起动并牵入同步运行，从而实现了电机的自起动。电机转子由平行充磁的两个半圆柱永磁体组成，永磁材料采用性能价格比较好的铁氧体永磁材料。永磁体对于电机的运行性能有非常重要的影响。永磁体在电机运行过程中产生一项脉动转矩，脉动分量转矩在接近同步速时使电机同步牵入转矩增加，这对于电机的同步是有利的；同时，永

19、磁体在气隙空间旋转切割定子绕组，在定子中感应旋转电势从而产生与永磁体同步旋转的电流矢量。该电流与永磁体磁链作用，产生永磁体制动转矩，在电机低速运行时它有一峰值。如果该项分量过大，即电机中采用了过多的永磁材料，则在定子绕组中感应的电势过大，电机无法成功实现自起动,电机只能在某一转速振荡。这对于电机的起动是不利的。对于定子铁芯内圆不同半径构成的不均匀气隙，不对称程度越大,起动能力越强；对于定子铁芯表面开槽的不均匀气隙结构，气隙越小，起动能力越强。由于电机起动不需外加电源控制装置，也不用加入额外的辅助线圈，如电容器或隐极线圈等，因此又将该电机称为 图2.1 定子结构图单相自起动永磁同步电机。2.2

20、结构的特点及其对电机的影响 单相永磁同步电机结构特点：（1）定子叠片的每极极弧由两段不同半径的同心圆弧相连而构成，使得定子呈现阶梯结构，从而构成不对称和不均匀气隙。利用其不均匀气隙、不对称结构，利用定位转矩，实现自启动。（2）整个定子铁芯呈U型，一端封闭，一端开口。此种设计有利于定子绕组的集中式绕制并且减少绕组的漏磁。由于磁通总是试图通过最小的磁阻来形成闭合磁路，所以电机在没有通电时转子将停留在如图2.2a)所示的位置，此时的位置便是磁阻最小的位置2。如果转子位于其它的位置，由于磁通的这种特性使转子受到一个转矩的作用，这就是磁阻转矩。如图2.2b)和2.2c)所示，转子受到的磁阻转矩分别呈逆时

21、针方向和顺时针方向。由此可知，电机结构上的特点对电机在运行过程中的稳定性带来一些不利影响。图2.2 磁阻转矩对电机的影响2.3 不同永磁材料的性能介绍2.3.1铁氧体材料铁氧体永磁材料属非金属永磁材料，是以氧化铁为主要材料的永磁材料，是目前世界上产量最大、价格最低、应用非常广泛的永磁材料。经处理后，再经过混合、预压、预热、粉碎成一定粒度的粉料。然后再安放到金属模具种压制成一定的形状，并在磁场强度不低于0.7T的磁场中磁取向成型后，再在12001400温度下烧结1-2h。中国铁氧体永磁材料产量位居世界第一。铁氧体永磁材料的工业应用主要是锶铁氧体和钡铁氧体，烧结铁氧体永磁典型性能为Br=0.40T

22、 ，Hcj=320kJ/m3 ，(BH)max=32kJ/ m3 ，Br=-0.2%/K ，Hcj=-0.250.4%/K ，居里温度450，最高使用温度250。 铁氧体的特点是剩余磁密最低，矫顽磁力低，最大磁能积最低，热稳定性差(剩磁温度系数大)，但由于原材料丰富，价格低，因此它主要用于对使用性能及体积要求不高及量大面广的经济系列微电机产品中。如玩具电机、日用电器电机、音像电机、办公设备及通用仪表电机、汽车摩托车电机以及工业用的小功率驱动电机等。2.3.2钕铁硼材料钕铁硼(NdFeB)稀土永磁是20世纪80年代出现的继衫钴稀土永磁之后诞生的第三代稀土永磁材料，它使永磁材料的发展与应用达到一个

23、新水平，推动了新原理新结构永磁电机的研制开发。钕铁硼永磁的磁性能优异于铁氧体、铝镍钴、衫钴等永磁材料。剩磁、矫顽力、最大磁能积性能最高，钕铁硼的剩磁约是铁氧体的35倍，是铝镍钴、杉钴永磁的l-2倍，其内禀矫顽力相当于铁氧体的5-10倍，是铝镍钴的5-15倍。钕铁硼永磁的去磁曲线为直线，回复直线与去磁曲线基本重合，回复磁导率与衫钴永磁中的Sm2Col7永磁相当。钱铁硼水磁抗磁场干扰能力强，不怕去磁等，因而钕铁硼兼有铁氧体、铝镍钴、衫钴永磁的优点。而且原材料成本较低，产品价格较低、产品性价比非常高、易加工。钕铁硼永磁的缺点主要是温度系数高，居里温度和工作温度较低，热稳定性差、耐腐蚀性差(必须进行表

24、面防护处理)。温度高于150的钕铁硼永磁的不可逆损失将超过5%，磁性能下降；温度超过200时磁体的不可逆损失急剧增大。此外在150以上的高温潮湿环境中钕严重氧化，磁体锈蚀现象严重等，这些缺点都是钕铁硼永磁在应用中存在的主要障碍。钕铁硼永磁制造工艺常见的是粉末冶金法和快淬法两种。粉末冶金法是把稀土金属等合金熔化后固化，制成粉末，再在磁场中烧结制成磁体，称为钕铁硼烧结磁；快淬法则由真空感应熔炼、铸锭破碎、真空快淬、晶化处理等工艺组成，制成钕铁硼磁粉后再添入粘结剂等，经压制或注射成型制成磁体，称为钕铁硼粘结磁；快淬法的生产过程中无有害气体、液体或粉尘，对环境无污染，具有优越的成本性能，因而成为钱铁硼

25、制造工艺的上要发展方向。粉末冶金法生产的钕铁硼磁粉，其磁性能尤其是矫顽力下降严重，故不宜用于制作粘结磁，但粘结磁因添加了高分子化合物因而磁体性能低于烧结磁钕铁硼烧结磁。多用于功率、体积较大的电机，而在要求小体积、低噪音、耐强冲击的电机中则较多地采用钕铁硼粘结磁。此外，钕铁硼粘结磁不似烧结磁须经磨削或线切割加工，可与工件整体成型，适于大批量生产，因而具有较大的竞争优势.钕铁硼永磁在微特电机中应用存在的一些问题亟待解决，主要是钕铁硼的剩磁温度系数和矫顽力温度系数较大，粘接时工艺温度较高等问题对傲铁硼的磁性能亦即电机的性能均有较大的影响。其解决的办法，一是在钕铁硼中添加钻，摘等金属元素，以降低温度系

26、数，提高其居里温度，但是也提高了钕铁硼的成本.二是在设计电机时通过调整磁路结构、磁钢尺寸等以减小温度的影响.钕铁硼水磁优异的磁性能使其在微特电机中获得了广泛应用，尤其在计算机、汽车、家电、办公自动化设备、纺织、数控机床等领域的微特电机上应用前景广阔。2.3.3铁氧体材料铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种，钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体(SrOFe2O3）。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钻、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，凡为128320kA/m，抗去磁能力较强；

27、密度小，只有45.2g/cm3，质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，属，仅为0.20.44T，最大磁能积(BH)max仅为6.440kJ/m3。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大；环境温度对磁性能的影响大，剩磁温度系数Br为(0.180.20)K-1，矫顽力温度系数Hci为(0.40.6)K-1。必须指出，铁氧体永磁的Hci为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其他

28、几种常用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温时产生不可逆退磁。另外，铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工。通常采用软质砂轮，最好选用R3碳化硅砂轮，并且磨削速度要适当，磨削中要用水充分冷却，这样既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁体7。综上所诉，根据实际情况，本次设计所选永磁材料为铁氧体永磁材料。2.4 小结单相永磁同步电机结构简单，由定子和转子构成。定子铁心为硅钢片叠制而成的U型叠片结构。转子为铁氧体永磁转子。由于转子所用的材料为永磁材料，所以可以利用这种材料的特性进行磁滞起动。由于铁氧体永磁材料具有矫顽力高

29、、抗去磁能力强、化学稳定性好和重量轻等优点，故选用铁氧体永磁材料制作永磁转子。山东科技大学学士学位论文单相永磁同步电机的起动原理与分析3 单相永磁同步电机的起动原理与分析本章中，对此种电机的起动原理和起动过程进行了分析。由于起动问题是研究单相永磁同步电机的关键问题，转子所使用的材料为永磁材料，所以可以利用这种材料的特性进行磁滞起动，即电机从静止的状态下直接起动。为了便于分析研究，本文还结合脉振磁场、磁滞起动等相关理论对电机牵入同步的过程进行了分析。起动问题是永磁同步电机设计计算中的一个关键性问题。为了解决这一问题，电机采用阶梯气隙。采用阶梯气隙时，由于磁阻转矩的作用转子将会停留在磁阻最小的位置

30、，永磁体磁极轴线与定子几何中心轴线形成一定的静止角。由于永磁体的磁导率与空气的磁导率相接近，转子永磁体也可看作是气隙的一部分，气隙原有的不均匀性可忽略，因此可以认为定子磁场的轴线就是定子几何中心轴线。定子绕组通电后，绕组在气隙中产生脉振磁场，磁场轴线与永磁体磁极轴线夹角为0此时瞬间转矩正比于定子磁密转子磁密，以及它们的夹角，即 (3.1 ) 因此当绕组通电时，定子磁密转子磁密，夹角=0，转子在起动转矩的作用下开始旋转。如果采用均匀气隙，转子静止时永磁体磁极轴线与定子几何中心轴线重合。由上式可知，当=0时，瞬间转矩T=0，转子无法转动。脉振磁场轴线亦可能与永磁体磁极轴线夹角=180，此时瞬间转矩

31、仍然为0，转子亦无法转动。因此，采用均匀气隙无法实现自起动。但是，由于通电瞬间电流合闸角和转子静止时永磁体N、S极的不确定性，使得电机的旋转方向不确定，这是该电机的一个不足之处。 由于定子绕组通入单相交流电时，定子线圈产生脉振磁场，根据双旋转理论，此脉振磁场可分解为正、反两个方向的旋转磁场，电机既可以顺时针方向同步运转也可以逆时针方向同步运转。这样单相自起动永磁同步电机适于驱动对旋转方向无特殊要求的负载，如泵类、风机等。3.1起动过程的转矩分析U型铁芯单相永磁同步电动机可以有不同的气隙结构型式。永磁转子采用的是2极圆柱形整体永磁体，单相定子绕组套在U型的铁芯上。为了弄清电动机在单相工频交流供电

32、时能否自起动以及为何要在定子铁芯上开槽等问题，需要分析电动机的起动转矩及其影响因素。3.1.1均匀气隙结构下定位转矩分析 图3.1 永磁转子产生的磁场分布首先研究定子铁芯不开槽的情况，即具有均匀气隙的U型铁芯单相永磁同步电动机的转矩。由于定转子之间是均匀气隙结构，当定子绕组未通电时，永磁转子的磁化方向将自动停留在与定子铁芯轴线相一致的水平方向。在该平衡位置，永磁转子产生的磁场分布如上图所示。基于磁场分析，可计算出永磁转子在相对于定子铁芯水平轴不同位置角时的转矩。转子在一周内有4个转矩过零点,分别为0、90、180和360，出现转矩最大值的位置也有4个，具体大小与永磁体材料及结构参数有关。定子铁

33、芯极弧包角对最大定位转矩出现的位置有一定的影响，但对定位转矩最大值的影响较小。以上是对定子绕组未通电时的转子受力和转矩分析。下面分析当定子绕组通入某恒定电流时的电动机转矩。绕组通电前后，电动机的定位转矩与转子位置角的关系曲线皆近似为正弦函数.绕组通电前，转矩曲线的周期为通电后的2倍，因为绕组未通电时定子铁芯本身没有极性，永磁体产生的磁场N极和S极对定子铁芯的作用是等同的;绕组通电后，定子铁芯变成了具有极性的电磁铁，此时具有固定极性的永磁转子磁场和由定子绕组电流产生具有一定极性的定子磁场相互作用产生的电磁力和转矩，故与绕组通电前的情况有本质的不同。绕组通电后电动机的初始转矩仍为零，不管绕组通多大

34、电流也不能使永磁转子从未通电之前的初始位置移动，即采用均匀气隙的U型铁芯不具备自起动能力。欲使电机具有起动转矩,需要采用不均匀气隙结构，在定子绕组通电之前使永磁转子磁场轴线与定子绕组电流产生的磁场轴线(水平线)呈一定角度。3.1.2定子内圆不同半径构成不均匀气隙下的转矩图3.2 定子内圆不均匀气隙的两种结构构成不均匀或不对称气隙的方法有多种，上图分别为定子内圆采用不同半径和定子内圆采用不对称开槽时的两种结构。由于气隙的不均匀和不对称，在定子绕组未通电时，永磁转子的N-S极轴线将不再呈水平方向，而是沿磁阻最小的方向，与竖直轴呈0。该角度定义为U型电动机转子的初始相位角，简称初始角。其角度取决于气

35、隙不均匀结构。定子绕组不通电时，在定位转矩的作用下，永磁转子位于的平衡位置。所谓定位转矩，是指当转子置于初始相角以外的角度时，将产生使转子回到初始位置的转矩。而当定子绕组通电时永磁转子承受的转矩不再是零，此时电动机具有了起动转矩，该起动转矩将使永磁转子开始转动。随着转子位置角的增大，转子所受的转矩越大，就越能推动转子继续旋转。除了采用定子铁芯内圆不同半径构成不均匀气隙外，另一种更为简便的方法是在定子铁芯表面开不对称槽，构成气隙的不均匀和不对称，但两种方法究其原理其实是一样的，据研究，从两种开槽结构定位转矩的曲线比较可以看出6，气隙增大后使气隙的不均匀程度减弱，导致初始角变小，可见改变气隙大小对

36、起动性能亦有影响。 3.1.3固定频率单相交流供电的控制位置角经过半周(180)后，电磁转矩都要改变符号，这说明定子绕组通直流电流不能使转子连续单方向旋转。要想得到使电动机单方向旋转的电磁转矩，需要在转子转动半周后改变绕组中电流的方向。 显然，如果在前半周定子绕组通入反向电流，而后半周时通入正向电流，产生方向相反的转矩，因此可通过选取初始通电时的电流方向来控制电动机的旋转方向。 由上述分析可知，单相永磁同步电动机的定子绕组电流需要根据永磁转子的位置角进行适时换向控制，否则电动机不能获得稳定的运行。采用固定频率和电压的电源供电的单相永磁同步电动机，具有一种无位置传感器供电频率不可调的开环控制，要

37、想获得良好的起动和运行性能是相当困难的。要想获得稳定的电磁转矩，必须在供电电流变化一个周期时间内将永磁转子旋转一周，然而转子从静止状态到通电后，在极短时间内加速到与供电电源同步速旋转是比较困难的，为此要求： 电动机需要有足够大的起动转矩； 转子的转动惯量不能太大，否则转子加速需要较长的时间【6】。 如果电动机设计参数和电源控制参数配合不当，电动机将不能自起动。为了改善上述电动机的自起动能力，有时需要在永磁转子表面加一薄层导电材料，利用定子绕组通电后在该导电层中感应涡流产生的异步转矩，帮助永磁转子加速。3.2单相永磁同步电动机获得初速度过程的分析定子上只有一个集中绕组，仅能建立脉动磁场；转子无任

38、何绕组，起动时不产生异步转矩；由于采用不均匀气隙，不对称结构，利用定位转矩能够自行起动4。1、起动过程(定性分析)的模型(1)t=0定子绕组通电以前，由于气隙不均匀性，永磁体转子总是会停留在ab位置，因此处磁阻最小。至于是N极或S极朝上，这是随机的。图a假定N极朝上，ab线即为永磁磁极中心线。(2)r=0+，当定子绕组通以i(t)=Imsin(+)的单相交流电后，建立脉动的磁势和磁场。对于铁氧体永磁转子，其=，可以认定转子内腔都是气隙，原有气隙的不均匀性可以不计。因此，定子磁极的中心线即为内腔的几何中心线，即dd线。图3.3 电机起动过程示意图此时，a b与dd间有一个位移(也可称起动)角，其

39、合适的数值，成为影响电动机能否顺利起动的关键之一。(3)t=tl0，在图3.3a的时刻，假定定子磁场左边为N极，右边为S极，这时，它们与转子的N一S极相斥，使转子沿顺时针方向旋转。(4)当t=t2t，时，转子磁极本应在d一d位置停下来与定子上的N一S极相互吸引。但由于机械惯性及定位转矩的作用，它要越过dd。例如到ab线附近才能停下来(如图3.3b)。此时，如果定子电流改变方向，其磁场相应改变极性，左边为S极，右边为N极(如图3.3c)，定、转子又相互排斥，使转子继续沿J顶时针旋转，它们不停留在dd线上，还要继续转一个角度，达到图3.3d的位置。(5)当t=t3t2时，若定子电流又改变方向，它形

40、成的NS极仍与转子磁极相斥，使其继续旋转。这样，就完成了单相永磁同步电动机的起动过程，转子以同步转速n=n=60f/p稳定旋转。(6)若t=0时，转子仍停在ab线上，但极性与图3.3a相反，而t=t1时，定子形成的磁场极性不变，则转子会通过逆时针方向旋转。因此，这种电机的转向是随机的。(7)由于起动过程中转子不产生异步转矩。2、起动过程的运动方程2.1基本假设(1)磁路不饱和，且不计磁滞的影响。(2)转子运转时，定子线圈交链的转子磁通价按正弦规律变化，即 ，以定子磁极轴线d一d为参考的转子轴线a一b位移角度，它是时间t的函数。(3)空载起动，兀=0。2.2起动过程按照达朗贝尔定律，起动过程的运

41、动(转矩平衡)方程为 (3.2)方程中的各个转矩电磁转矩：摩擦转矩：;定位转矩：;加速转矩：Ta= 式中：J电动机转动系统总的转动惯量；d转子的角加速度。2.3实现起动的基本条件(1)t=0，定子绕组通电后，要求产生的电磁转矩大于定位转矩与摩擦转矩之和，即Tem(Tft+)，转子才能开始转动。(2)在i=0，=0的时刻，要求Tft。在的作用下，转子仍能克服磨擦转矩，继续循原方向旋转。3、转动方向的讨论无论是均匀气隙设计还是非均匀气隙设计，电机的旋转方向都依赖于电源的开关角，靠调整气隙设计等机械方法难以控制电机的转向，这是此种电机的另一特点，因而适用面有限，多用于驱动那些运行性能与转向无关的负载

42、，如径向叶片式的离心风机和水泵4。目前有三种方法可以解决此种电机定转向问题(1)机械方法附加单向止动或离合装置，如棘轮或单向刹车等来限定转向。(2)电磁方法在定子侧加“裂相”绕组，类似于单相电容电机或罩极电机，使定子能建立一个椭圆形旋转磁场。但由于存在一个幅值相对不小的逆序磁场，实践表明，在空载起动时，仍然出现一定机率的反转问题。(3)电子控制方法由位置传感器和电子控制系统组成，实时控制定子绕组通电的时间和极性(正负)，以达到定向目的。以上方法当数电子控制方法简单稳定，不过由于此种电机多用于小功率场合，如果添加控制电路对于成本，空间等问题又提出了要求，故现已多往直流无刷电机方向发展。不过此种电

43、机和直流无刷电机原理有不少的相似点，而且对于家电等方面，此种电机仍有其应用潜力存在。3.3单相永磁同步电动机牵入同步的过程分析单向交流电流是一个随时间按正玄规律变化的电流。他所产生的磁场就是一个脉振磁场。当电流增大时，磁感应强度也随之增大。电流方向相反时，磁场方向也就随之反过来。但是在任何时刻，空间的磁场轴线并不移动。只是磁场的强弱和方向与正玄电流一致，将随时间按正玄规律作周期性变化。为了便于分析问题，通常讲这个脉振磁场分解成两个旋转磁场。这两个旋转磁场的旋转速度相等，但旋转方向相反。每个旋转磁场的磁感应强度的幅值等余脉振磁场磁感应强度幅值的一半，即。这样一来，任一瞬间脉振磁场的磁感应强度都等

44、于这两个旋转磁场的磁感应强度的向量和。在瞬间，两个旋转磁场的磁感应强度的向量相反，所以，合成磁感应强度B=0。在瞬间，两个旋转磁场的磁感应强度的相量对水平轴都偏转了一个角度，即。B1和B2的合成磁感应强度: (3.3) 图3.4 双旋转向量图图中定子弧长所对应的角度。把脉振磁场分解为对称的两个向量，如图，可知当分解磁场夹角小于定子弧长所对应的角度时，完全可以用双旋转理论对本电机的起动过程进行分析，但是当角度大于时，即分解磁场超出定子圆弧后，对称向量法便不再适用于本电机。此时电机会产生振动。为了减小振动，可以加长定子弧长，使起动更加平滑，稳定。应用双旋转理论将定子绕组产生的脉振磁场分解为两个转速

45、相同，方向相反的旋转磁场。电机在不均匀气隙的作用下获得的初速度总会与两个旋转磁场之一拥有较小的相对速度。在这个速度方向上，电机的磁滞材料将发挥主要作用，经过磁滞作用将电机牵入同步。磁滞材料在进行反复磁化时，其分子不能按外部磁场方向及时作相应的排列。因而在时间上有一个较大的滞后，并产生比较明显的磁滞现象。 磁滞式单相电动机的主要特点是其具有较大的启动转矩，因此它不需要任何启动绕组就能自行进入同步，并且能稳定的在同步转速下运行。并且结构简单、运行可靠。当磁滞式单相同步电动机的定子绕组接通电源后，将产生旋转磁场并使转子材料的磁滞层迅速磁化。在转子磁滞层磁化的过程中由于转子磁场的磁滞作用，以致转子磁化

46、磁场跟不上定子旋转磁场的变化而落后一个角度。于是，定子旋转磁场与转子磁化磁场之间的相互作用，就产生了一对切向分力ft和一对径向分力fr，其中切向S-S为定子旋转磁场轴线，R-R为转子磁化磁场轴线，两轴线夹角为。磁滞单相同步电机的矩角特性如图3.8，在磁滞角为90时其转矩达到最大值。如负载转矩等于磁滞转矩时，转子的转速将从零一直增加到同步转速。这时转子相对于旋转磁场不产生相对运动，转子即被恒定的磁化。转子上各处的磁感应强度时恒定的，于是硬磁材料制成的转子将类似如一个永磁转子而被牵入同步转速运动。磁滞单相同步电动机的矩角特性为正弦曲线，在磁滞角为90时其转矩达到最大值。如负载转矩等于磁滞转矩时，转

47、子的转速将从零一直增加到同步转速。这时转子相对于旋转磁场不产生相对运动，转子即被恒定的磁化。转子上各处的磁感应强度是恒定的，于是硬磁材料制成的转子将类似于一个永磁转子而被牵入同步转速运行。图3.5 磁滞转矩的形成下图展示了牵入同步运行的全过程。可以看出，事先牵入同步运行的基本条件为：加速转矩Ta= 0，且之值要足够的大，以致在 (l /2)(电源电压周期)的时间内，能够将转子加速到n。理论上，对f=50Hz的电源10ms;f=60Hz时， 8.33ms。实际上，计及一些其它因素，并留有一定裕量，对于f=50Hz时，通常就要求6ms，60Hz时， 5ms。这样，经过几个周波的震荡后，稳定在n=，

48、同步运行完成起动过程。 图3.6 牵入同步运行过程3.4 小结 单相自起动永磁同步电动机的结构简单，该电机通过采用非对称气隙，实现了电机的自起动。电机定子有两个特点，一是定子叠片的每极极弧由两段不同半径的同心圆弧相连而构成，使得定子呈现阶梯结构；另一个特点是整个定子铁芯呈U型，一端封闭，一端开口。这两个特点实现了电机的自起动，同时给电机的运行稳定性带来不利影响，而且使得对电机的性能分析增加了难度。山东科技大学学士学位论文单相永磁同步电机的运行原理与分析4 单相永磁同步电机的运行原理与分析 电机正常工作时处于以同步转速旋转的稳定运型状态，本章首先对电机的电磁转矩进行分析和论述，然后研究电机在稳态

49、运行时的功角特性，最后对电机在稳态运行时的相关参数进行计算。4.1电磁转矩分析 永磁同步电动机是依靠永磁转子磁场和定子旋转磁场的相互作用而工作的。只有当转子转速等于定子旋转磁场转速(同步速)时，它才能形成稳定的同步转矩驱动转子工作。但当电动机转子上的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角就会相应增大。而当电动机转子上的负载减小时，该两轴线间的夹角则又会减小。虽然负载变化时定、转子之间的夹角会增大或减小，但是只要负载不超过一定的限度，转子永久磁极就将始终随着定子旋转磁场以恒定的同步转速运转，转子的转速为：n=（r/min） （4.1）由此可见，转子转速只取决于电源频率f和电动机的极对

50、数p。但是如果电动机轴上负载转矩超过一定限度，转子就将不再按同步转速运行而发生失步现象，严重时甚至可能会停止运转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩。如果可能得话，则定子旋转磁场与转子磁极之间将存在相对运动,在图4.1所示的瞬间转子会受到逆时针方向的转矩。而当定子旋转磁场相对于转子转过90或180时，作用在转子磁极上的电磁转矩却变成了顺时针方向。因而定子旋转磁场相当于转子每转过一周，转子所受到电磁转矩的平均值就会将为零。这说明电动机转子不可能在这种方向变化的电磁转矩的作用下，以不同于定子旋转磁场的转速稳定运行。因此，转子稳定运行时的转速只能等于定子旋转磁场的转速，也就是说必须等于同步转速。图4

51、.1 永磁式单相同步电动机的工作原理图4.2 永磁同步电动机电磁转矩上述电磁转矩的形式也可以用磁力线的性质来说明。磁力线具有尽量收缩其长度，使自身所经磁路的磁阻最小的特性。如图4.2所示，在090时，磁力线被扭曲和拉长。由于磁力线的收缩使转子上产生了电磁转矩；当=90时，磁力线被扭曲和拉长得最为严重而产生的电磁转矩也最大。如电动机的磁极对数p=2，从图中不难看出，当=0和90时，转子都只受到径向力的作用而磁力线没有被扭曲拉长，因而也就不会产生电磁转矩。而当=45时，磁力线被扭曲拉长得最严重其电磁转矩也就最大。如磁极对数p为其他值时，可依此类推。线间的电角度等于0时，其电磁转矩为0；而电角度由0

52、向90增加时则电磁转矩随之增加；当电角度为90时其电磁转矩为最大，此时所对应的机械强度=90/p。因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转速虽然不变但其电角度却相应增大。如果负载转矩超过最大同步转矩，电动机将会因拖不动负载使转速下降而出现失步现象，严重时可能停止运转。电磁转矩经过振荡最后稳定在某一恒定的转矩角所对应的某一恒定数值的电磁转矩。转矩角的变化对应着功率角的变化，当电机稳定在同步速以后转矩角保持在一个恒定的数值。这说明功率角在电机稳定运行时也保持不变，电机同步运行状态时输入的电磁功率刚好与摩擦转矩对应的功率相平衡。而由式【10】Tb=- （4.2）可见，永磁体制动转矩与永磁体在定子中

53、感应电势E0的平方成正比。增强永磁体磁感应强度，将使电磁转矩的脉动分量幅值增大。4.2 功角特性由同步电机运行的向量图可以看出 （4.3）定子绕组的铜损耗 （4.4）电磁功率Pem去除铁损耗pFe和机械摩擦损耗Pm后，得到输出给负载的机械功率P2 （4.5）忽略定子绕组的电阻Rs 时，同步电动机的电磁功率为 Pem=3UsIscos （4.6）可以求得 （4.7） 图4.3 同步电动机向量图4.3 磁路法的原理及一种单相永磁电机参数的计算4.3.1概述非均匀气隙的存在是单相永磁同步电动机实现自起动的关键，但这种特殊结构使电机在运行过程中受到磁阻转矩的影响而产生转矩脉动。准确计算电机绕组的反电动

54、势变化波形，正确估算转矩脉动含量，以稳定转速，提高转速的可控性，降低电机振动和噪音，进而确定有效的改进措施和控制策略，都以电机径向气隙磁密的准确计算为基础。而准确计算永磁电机气隙内磁场分布的关键是如何考虑非均匀气隙对气隙磁场分布的影响。计算单相永磁同步电动机径向气隙磁密有以下两种方法3。l磁路法。径向气隙磁密可以利用磁路法来计算，文献对永磁无刷直流电机的空载气隙磁场进行过计算，文中考虑了电机开槽所带来的影响，利用Schwarz一Christoffel变换构造出电机径向气隙磁密的解析表达式。但是对于单相永磁同步电动机来说，为了实现自起动功能而采用了非均匀气隙，加上单侧U型定子铁心的影响，这些结构

55、上的非对称性使其分析计算相当困难，利用磁路法分析电机内电磁场问题只能得到一些简化的局部解。2数值计算法。由于永磁电机的磁路结构的多样性，且不断有新结构出现，在进行电机设计的时候，为了提高计算的准确程度，需要对电机进行数值计算。永磁电机中一些特殊的电磁过程和一些专门的问题，如永磁电机磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的局部失磁问题和永磁电动机的起动问题等，只能够通过电磁场数值计算才能完成定量分析。本文选用磁路法进行磁路计算。4.3.2磁路法基本原理磁路法可以较准确地计算气隙磁场分布波形，同时一可以观察到气隙磁场分布与结构尺寸之间的关系，具有很大的工程实用价值，并对电机设计具有指导意义。该电机的磁密分析难点在于气隙的不对称结构。单相自起动永磁同步电动机特有的结构给径向气隙磁密求解带来以下三个难点：首先，该电机定转子结构不同于一