高效永磁同步电动机设计技术研究

1、高效永磁同步电动机设计技术研究 TOC o 1-5 h z 1、基本情况及背景介绍 22、高效永磁同步电动机关键技术的研究 3优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 3永磁电机防退磁技术研究 5漏磁系数准确计算的研究 7稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 10稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 14电机的起动性能 16失步转矩倍数 17其它性能指标 181、基本情况及背景介绍稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁 能积等优异磁性能特别适合于制造电机。用它制成的永磁同步电机，不需要 用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子 电阻损耗。在稳定运行

2、时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而 可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。与普通的电 励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取 消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提 高。因此，国内外都投入大量人力物力从事高效铉铁硼永磁电机的研制开发。相对于异步电机，永磁同步电动机（PMSM）具有体积小、功率密度高等 优点，效率比同规格的感应异步电机高 28%。我国稀土永磁资源储量占世 界储量的80%,发展永磁电机具有得天独厚的优势。早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的 研制开发，先后研制开发出多种

3、类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还 存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性 能价格比不够理想，价格偏高。为了充分发挥铉铁硼永磁材料的优异磁性能， 针对铉铁硼永磁电动机在 磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、 铉铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其 效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优 势转化为经济优势作贡献。2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性对于永磁同步电动机的失步转矩，在一定程度上比效率和功率因数还重 要得多。失步转矩代表电动机

4、过载能力的大小，也反映电动机运行稳定性的 高低。如果这个指标过低，则电动机的过载能力小，运行稳定性差，在运行 中如因某种异常情况导致负载增加，就有失步的危险。如果这个指标过高， 运行稳定性高，过载能力强，即使在冲击性负荷下，也不会发生失步，但它 可能引起牵入同步转矩降低，牵入同步困难，使电动机能拖动的负载大幅度 降低，电机运行可靠性较低。永磁电机的电磁转矩_2mpE0UmpU 11(1)G = p 0 sinr p()sin21Xd2Xq Xd式中：Tem 电磁转矩m电动机相数p电动机的极对数Eo反电动势U外加电压电动机的电角频率X d直轴向步电抗口功率角Xq父轴向步电抗可以看出，Eo与Xd决

5、定着电动机电磁转矩中永磁转矩的幅值， 从而也决定着失步转矩倍数。为提高电机的失步转矩，应使E。增大，Xd减小。但是采取增加电动机绕组匝数来提高 Eo的方法是不可取的，因为绕组匝数的增 大，虽使E。成正比提高，但Xd却随着平方关系增大的更多，使Eo/Xd反而减 小，永磁转矩幅值反而下降，同时也会使电机的效率降低。这就需要在磁路 结构上进行创新，使得永磁电机的漏磁通减少，而主磁通增多，使得Eo增大, 从而达到提高失步转矩的目的。3所示。对于永磁电机的磁路而言，径向结构电机的制造工艺相对简单，但永磁 体提供磁通的能力相对弱一些，而且电枢反应d轴去磁磁动势对永磁体的去 磁作用较强；切向结构提供磁通能力

6、强，但结构和电机制造工艺相对复杂， 漏磁较大，其空载磁场分布如图1所示。可以看出，永磁电机转子如果使用 切向结构，有相当的磁力线通过转子钝部进入电机轴，永磁材料的利用率较 低，因此，必须在电机转轴处相应地增加隔磁措施，通常的方法是在轴外圆 加上隔磁套，材料多是铜或铝合金等不导磁材料，用来进行隔磁，图 2是在 轴上加上隔磁套后，电机铁心内部磁场分布示意图。可以看出，在电机加了 隔磁套之后，漏磁大为减少。但是，由于电机轴加了隔磁装置，电机的成本 增长较多，不利于永磁电机的推广和应用。本次设计中，某些规格采用的是 新型防漏磁磁路结构，利用磁力线容易通过磁导较小路径的原理，在不增加 成本的前提下，有效

7、地减少了漏磁，增加了反电动势 E。，从而提高了电机的 失步转矩，增加了永磁电机运行的可靠性。磁路的结构如图抵川3上包;工!lI9E4cWa 季C.-1M1I-44J-T5aiBfc-W $445 乩1的.-J.43IIk-IKUrZ.ML4aBU-上*T”MJ -1.3313*-Ml -.uaifi-agq TMIScWa图1电机采用切向结构（不带隔磁套）磁场分布图PTom List:, -4.5M-ta-dgi qR 加 坨02 见$河&eTS 3.47-d0 9的依，期: S.7MSe-flOJ 2.3T3DV-J3Q211frtq* i.znza-aOz 9二加*事 ，.事!:上7 1M

8、5皿* -1.9P4e-101T船制7稣 -l.jTflh-flgj -l.644T-aD2-2.3TJ3M-dD2 古力效amk,而大多数永磁电机设计所得到的工作点都是用路的方法计算的，不能计算出永磁体的每一点的工作点，它只是平均值，而实际永磁体的磁路中各个位置 的工作点是不一样的，所以要根据场、路结合，对电机进行优化。amk永磁体的拐点 amh最大去磁工作点amN满载工作点am0空载工作点图4永磁体工作点Wicth el FMJMHal母 琼 方 帕 。).).江。 狂3宕 一下安图5最大去磁情况下永磁体工作点分布示意图图5为8极永磁同步电动机经过有限元分析得到的局部工作点分布图， 从图中

9、可以了解到这种磁路结构的永磁体中间局部工作点有不同程度的下 陷，低于其它部分的工作点，成为最易退磁的局部点。我们根据场、路计算 的结果对电机的方案进行优化设计，达到了既保证永磁体不会退磁，又能使 永磁体的用量最少，力争所研发的电机在可靠的前提下成本最低，增强市场 的竞争能力。漏磁系数准确计算的研究漏磁因数反映的是空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度，而且对永磁电动机中永磁材料的抗去磁能力和电动机的性能都有较大的 影响。空载漏磁因数。是一个很重要的参数，一方面，。大则表明漏磁通相 对较大，在永磁体提供的总磁通一定时，若漏磁通相对较大而主磁通相对较 小，永磁体的利用率就差；另一方面，八大

10、表明对电枢反应的分流作用大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值就小， 永磁体的抗去磁能力就强，因此, 需要尽可能准确计算电机的漏磁因数值。 漏磁因数计算的准确与否将直接影响电磁参数计算的准确性。但影响电机漏磁因数的因素很多，永磁电机的磁 场分布比较复杂，而且与永磁材料的性能、磁极充磁方式、极靴的形状和尺 寸、气隙长度、电枢轴向长度等因素有关，难以精确考虑。用解析法计算漏 磁因数的误差较大，一般只能粗略计算。工程上通常不求解三维电磁场，而 通过求解二维磁场再根据试验验证对结果进行修正。永磁电动机的转子磁路结构多种多样，漏磁路径复杂多变，漏磁因数还必须考虑永磁材料和磁极结 构，所以需要一套能有效确定

11、漏磁因数的方法。永磁同步电动机的空载漏磁系数包括极间漏磁系数和端部漏磁系数，根据空载漏磁因数的定义，空载漏磁因数仃0为永磁体空载时的总磁通R 与进入电枢的气隙主磁通 队之比，即：。二印/。根据斯托克斯定理可得 =Bda = rotAda = qfdl ,这就是说通过曲面a的磁通等于磁矢位沿这个面的 边界线的闭合线积分。因此，对于平行平面场域，两点之间磁矢位差的绝对 值就是在z轴单位长度范围内两点之间的磁通量。影响漏磁系数的相关因素主要包括：极弧系数、气隙长度、隔磁磁桥的 尺寸和永磁体的尺寸等。图6内置式永磁同步电动机极间漏磁系数与隔磁磁桥尺寸曲线图6给出了不同磁桥尺寸对内置式永磁同步电动机极间

12、漏磁系数的影响曲线。由图6可见，隔磁磁桥的尺寸对极间漏磁系数的影响极为关键，为降 低极间漏磁系数，在设计电动机时应在保证制造工艺、电动机转子冲片机械强度和冲模使用寿命的前提下，尽量限制隔磁磁桥宽度，而适当加长其长度图7内置式永磁同步电动机极间漏磁系数与永磁体尺寸曲线hM = 0.2cmhM = 0.4cm在隔磁磁桥尺寸确定后，内置式永磁同步电动机中永磁体尺寸和电动机 气隙长度对极间漏磁系数的影响曲线。由图 7可见，永磁体尺寸越大，气隙长度越小，电动机的极间漏磁系数越小。图8内置径向式永磁同步电动机端部漏磁系数内置径向式永磁同步电动机端部漏磁系数除与气隙长度和永磁体磁化方向长度有关外还与永磁体离

13、转子表面的距离有较大的关系，永磁体离转子表面越近，端部漏磁系数越小。稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究永磁材料由于其固有特性，经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加 能量就能在其周围空间建立磁场。将 NdFeB永磁材料应用在各种电机上， 不但可以明显减轻电机的重量，使电机的外型尺寸减小，而且可以获得高效 节能效果和提高电机的性能。永磁材料发生不可逆退磁后，只有对其重新充磁才能够继续使用，造成 了相当大的损失。铉铁硼永磁电机中的永磁体失磁后，永磁体的剩磁降低， 电机的各项性能指标都会发生改变，造成了诸如发电机输出电压达不到额定 电压、电动机额定负载下电流增大等情况，更为严重的是电机不能正

14、常运行。 因此有必要对永磁材料的高温退磁特性进行研究。永磁电机在运行的过程中，随着电机温升和电枢反应电流的存在，使得 电机内部永磁体所受到的外部影响是温度和磁场的结合，所在，将温度稳定 性和磁稳定性通称为热稳定性，即铉铁硼永磁材料在不同温度下施加反向磁 场所引起的磁性能的变化。具体表现在永磁材料在电机工作温度下的剩磁与 内禀矫顽力的温度系数的大小以及退磁曲线拐点位置的变化。测试工作主要从以下几个方面展开： 一是在同一块永磁体不同位置切割 标准样进行测试；二是对同为 SH牌号的大块样品进行检测。同一样品不同位置热稳定性的检测分析将两块永磁体N35-SH-A和N35-SH-B试样各切割成8块标准试

15、样（切割方法如图9所示），从所切割的8块标准试样中选取有代表性（不同位置） 的3块（1、2、5）分别测试并计算其在100c和120c时的温度特性，分析 其结果见表12所示。图9切割方法示意图从分析数据看，在高温情况下，同一磁块切割下的不同标准试样在标志永磁体热稳定性好坏的两个重要参数：温度系数和拐点位置上有着很大的差 别。如N35-SH-B的三个样品，100c时有一块切割标准样拐点位置达到24.4% , 120c时拐点位置高达49.7%,拐点位置的差异容易发生永磁体局部 失磁。表1 N35-SH-A在100c和120c时的温度特性拐点处磁密与剩磁0c (Br)/(%K-1)0c (Hcj)/(

16、%K-1)密度比值/ (%)100C 120 c100 c120C100C120CN35-SH-A-1-0.09-0.09-0.730.6719.626.5N35-SH-A-2-0.1-0.1-0.70-0.6718.632.7N35-SH-A-5-0.08-0.11-0.70-0.6623.430.4表2 N35-SH-B在100c和120c时的温度特性0c (B)/(%K-1)%(Hcj)/(%K-1)拐点处磁密与剩磁密度比值/ (%)100 c100100120C100 c120CN35-SH-B-1-0.06-0.09-0.69-0.6724.449.7N35-SH-B-2-0.07-

17、0.08-0.63-0.61不与24.3N35-SH-B-5-0.06-0.08-0.68-0.64不与25.22.4.2大块样品的热稳定性测试结果与分析本次是以内置式永磁电机中的大块永磁体为试样进行测试的，表3是永磁样品在100c和120c时退磁曲线上拐点处的Bk值占Br的百分比的统计情 况。表3各厂家SH牌号NdFe琼磁体在100c和120c时拐点位置情况永磁体生产厂100c时的拐点120c时的拐点120c家(R/B) /%(R/B) /%8块永磁体没有出现拐点5块永磁体出现拐点, 甲厂(13)其拐点分别为(15.87、22.00、24.78、6.09、5.08)2块永磁体拐点出现在10%

18、以下11块永磁体出现拐点，其拐 点分别为(18.94、17.33、19.43、20.34、21.46、13.05、26.7、34.6、37、21.1、21.9)8块永磁体没有出现3块永磁体拐点出现在10%乙厂(12以下拐点4块永磁体出现拐点,9块永磁体出现拐点，其拐其拐点分别为点分别（16.30、15.25、(11.71、8.29、7.89、17.95、10.73、10.86、24.6、7.19)21.4、11、24)1块永磁体没有出现1块永磁体拐点出现在10%拐点以下4块永磁体出现拐点，丙厂（5）4块永磁体出现拐点，其拐其拐点分别为点分别（34.1、23.2、27.3、（17.40、9.22

19、、7.45、22.3 ）4.42）从已检测的试样来看，大部分试样都未满足电机行业的要求（如SH牌号永磁体要求100 C时退磁曲线是直线和 120 c时退磁曲线拐点低于 10%Br）,其中100 C时为直线的仅占56.7%, 120c拐点低于10%Br的仅占20%图10表示100c和120 c时退磁曲线拐点位置的分布情况40%33%30%23%20%13%10%5%0%10%10-20%2 g匆%图10 100 c和120c时拐点位置分布图所测样品的内禀矫顽力的温度系数 口普遍偏高。从图11中可以看出，k(Hcj，0.60%/K 的仅占 12.3%, 0.60%/K k(H0.65%/ K 占

20、35.1%,0.65%/K |(HCJ 卜0.70%/ K 占 28.1%,叫儿）0.7%/K的占24.5%,最大为0.769%ZKO这显然对防失磁是不利的图11所测样品的皿儿j）分布情况稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究由上面的测量结果和分析来看，受生产技术水平的限制，同一牌号的永 磁体同一温度下的退磁曲线相差很大， 意味着不同永磁体的拐点位置也不一 样。在有条件的情况下需要对永磁体进行逐块检测，避免不合要求的永磁体 装入电机后失磁。在检测过程中，缩短检测时间、不破坏永磁成品的完整性 以满足电机生产企业降低生产成本、保证生产效率的要求，是目前永磁成品 检验的发展方向，也是保证永磁电机运行可靠的

21、基础。测试原理是将永磁体放在快速检测装置中加温到电机允许的最高工作温度（例如，SH系列永磁体的最高工作温度定为120C）,稳定后施加退磁 电流。移去电流且冷却后检查该永磁体的工作磁通是否保持不变，以此来考 核有无发生不可逆退磁。模拟电机实际工况的检测方法需要在测量前后对永磁体进行常温下磁 性能进行检测。以现有的手段和设备，对永磁体常温性能的检测，基本就是 对永磁体剩磁的检测，通常有两种方法，一是利用霍尔芯片对永磁体表面场 的检测；二是通过测量磁通的方法间接检测永磁体开路的磁通。这里所说的表面场测量是指永磁体开路情况下，对其表面一点或几点磁通密度的测量，进而判断永磁体在快速检测装置测量前后的性能

22、变化。与电路开路情况下电流为零不同的是， 磁路在开路情况下周围空间仍存在着漏磁通。漏磁通所走路径的不同，使得永磁体表面各点磁密值不同，如图12所示。图12孤立永磁体表面磁场分布测得永磁体周围空间任一点的 Bz值后，都可以由相关公式近似推算该永 磁体的剩磁B.，进而判断永磁体在快速检测前后剩磁的变化。但是在实际检测过程中，检测点应尽量靠近永磁体表面的中心点，而不选择靠近永磁体的 四边的点。从前面永磁体中心线上的Bz分布来看，越靠近永磁体边线的位置，Bz值的变化程度越大；而在中心点附近，Bz分布曲线较为平缓。因此采 用特斯拉计或者高斯计测量时，选取永磁体中心点作为检测点，可以很大程 度上避免探头位

23、置偏移带来的误差。通过永磁体的开路磁通变化也可以判断永磁体是否失磁，采用的设备就是亥姆赫兹线圈连接磁通计。利用本装置分别对永磁电机所用永磁体施加等 效电流Ih,检测永磁体前后磁通值的变化，判断永磁体是否失磁。以N38SH 牌号永磁体为例，宽度30.5mm,磁化方向长度2.4mm,施加一定的等效电 流，实验结果见表4。表4对样品施加等效电流的实验结果室温卜磁通/mWb施加等效电等效电流Ih/A流后永磁体开路磁通/mWb拐点/%11.5004.051.29222.321.4964.051.465线性31.5004.051.47210.141.5064.051.48112.3从表4中可以看出，对四个样品分别施加相同的等效电流，由于样品拐点位置的不同，实验结果相差很大。1号样品的磁通值由实验前的1.5mWb 下降为1.292mWb,下降了 14%;而其余的样品由于其拐点位置较低或者为 直线，等效电流产生的磁场并没使永磁体的工作点处于拐点位置下方，所以 前后磁通值变化不大。通过这个方法，在测量过程中通过观察磁通的变化就能够判断拐点的位 置，在电机设计时，充分利用永磁体，提高了永磁电机的性能，降低了电机 的生产成本。电机的起动性能由于永磁同步电动机起动过程中定子绕组流过三个分量的电流，除了产生异步转矩频率为f的电流之外，还存在频率为（1-2s）