永磁同步电动机的分析与设计

1、永磁同步电动机的分析与设计指导老师：袁保和老师 学生姓名：鲍宇雷 学号一.永磁同步电机的特点和优势 永磁同步电机具有高效率、全封闭自冷、小型轻量化、大扭矩输出、直接驱动等特点，与感应电机相比具备以下几个优势：首先，由于转子是永久磁铁，不需要转子线圈，从而减少了旋转时的铜损，总损耗可减少2/3；其次，采用永磁体、全封闭和无传感器控制的驱动方式，使得结构简单化、轻量化；第三，封闭结构保证了没有外部尘埃的侵入，能够减少部件损害，且维护简单；第四，与200kW级感应电机相比，噪声降低了12dB（A）。二.永磁同步电机基本原理 1.电机是以磁场为媒介进行机械能和电能的相互转换的电磁装置。 2.为在电机内

2、建立进行电能量所必须的气隙磁场，可有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，如普通的直流电机，同步和异步电机等；另一种是永磁体来产生磁场，即永磁同步电机。图2机座与定子图1定子铁芯与绕组 永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，图3左就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向图3右，这是一个4极转子。 根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。 图4左是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯

3、表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图右，这也是一个4极转子。图3凸装式永磁转子图4嵌入式永磁转子铁芯1三.永磁材料 永久磁体使用稀土材料制造，中国的稀土储藏量世界最高。我国资源很适合发展永磁同步电机永磁材料的概念 永磁材料又称“硬磁材料”。永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁、矫顽力、内禀矫顽力、磁能积。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度、可工作温度、剩磁及内禀矫顽力的温度系数、回复导磁率、退磁曲线方形度、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度

4、、抗压强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。 对同一铁磁材料，以不同的磁场强度Hm分别进行反复多次反复磁化，可得到多个大小不等的磁滞回线，如下图2-2所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。四.永磁同步电机的设计 1.定子冲片尺寸和气隙长度的确定 当电机的转速一定时，极数确定，则定子槽数取决于每极每相槽数q1，q1对参数、性能影响较大。当q1较大时，定子谐波磁场减小，附加损耗降低；定子槽漏抗减小；槽中线圈边的总散热面积增大，有利于散热；绝缘材料用量和加工工时

5、增加，槽利用率低。综合考虑，q1在26之间选择，取整数，极数少、功率大的，q1取大值；极数多的，q1取小值。 对于常规用途的小功率永磁同步电动机，为提高零部件的通用性，缩短开发周期和成本，通常选用Y系列或Y2系列或Y3系列小型三相感应电动机的定子冲片。2.定子绕组的设计 永磁同步电动机转子永磁体产生的磁场含有大量的谐波，感应电动势中谐波含量也较高，为避免三次谐波在绕组各相之间产生环流，三相绕组的连接通常采用Y形接法。 （1）定子绕组型式和节距选择 与感应电动机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。其中单层绕组又分为同心式、链式和交叉式，区别在于端接形状、线圈节距和

6、线圈之间的连接顺序。这些绕组形式各有其特点和适用场合。 单层绕组的优点是： 槽内无层间绝缘，槽利用率高； 同一槽内导体属于同一相，不会发生层间击穿； 线圈数比双层少一倍，线圈制造和q嵌线方便。但也存在缺点，如不能做成短距以改善磁场波形，主要用于160及以下机座。其中同心式绕组的端部用铜多，线圈尺寸不同，制造复杂，多适用于q1=4、6、8的二极电机；链式绕组适用于q1=2的4、6、8极电机；交叉式绕组适用于q1为奇数的电机。 2）每相串联匝数的确定 永磁同步电动机的起动性能和功率因数都与每相串联匝数直接相关。在确定每相串联匝数时，通常先满足起动要求，再通过调整永磁体满足功率因数的要求。永磁同步电

7、动机的起动能力比感应电动机差，故每相串联匝数少，起动电流倍数高。 （3）电流密度选择、线规、并绕根数和并联支路数的确定 一般来讲，在永磁同步电动机中，为达到高效节能的目的，电流密度通常比同容量的感应电机低，同时每相串联匝数较小也为低电流密度的采用提供了保证。导线截面积为 式中：Nt1为并绕根数。对于小电机，每槽导体数较多，非常容易选择合适的每槽导体数以满足起动性能的要求，为避免极间连线过多，a1通常取小值；对于容量较大的电机，每槽导体数较小，a1通常取大值以增加每槽导体数，增大其选择余地，满足起动性能的要求。小型永磁同步电动机通常采用圆铜线，为便于嵌线，线径不超过1.68mm，线径应为标准值。

8、线规确定后，要核算槽满率，槽满率一般控制在75%80%，机械化下线控制在75%以下。3.永磁体设计 在永磁同步电动机设计中，永磁体形状通常为矩形，主要尺寸为：每极永磁体的总宽度、永磁体充磁方向长度和永磁体轴向长度，其中永磁体轴向长度跟电机转子铁心长度相同，因此只需确定每极永磁体的总宽度和永磁体的充磁方向长度。 确定永磁体充磁方向长度的原则是：在永磁材料用量尽可能少的前提下，保证永磁体在电机最大去磁工作状态下不会发生不可逆去磁，保证永磁体在稳态运行下有合理的工作点。此外永磁体充磁方向长度还于直轴电抗有关，但在设计时考虑较少.五.永磁同步电动机的运用前景电动汽车：伴随着汽车工业的极速发展，环保问题也越来越严重，为了解决上述问题，并且大幅度改善燃油经济型，毫无疑问就是使用电动汽车。永磁同步电机以其高效率、高功率因素和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动的主流电机之一。 轨道交通领域： 东芝公司和日本铁道综研所自1992年起共同开发铁道车辆用永磁同步电机，2000年开始对通勤铁路和地铁车辆用永磁同步电机进行开发。经过多年的发展，现已成功研制了具有世界先进水平的永磁同步电机产品，在多种轨道交通车辆上投入运用。 电梯领域： 永磁同步电机产生较小的