永磁电机概述课件

永磁电机概述INITIALELECTROMAGNETICDESIGNCHOICESA.RadialorAxialFlux?B.Ratings,MotorClasses,andTRV（torque-per-unit-rotorVolume）C.ACorDCControl?D.ChoiceofRotorsE.Pole-NumberSelectionF.Noise,Vibration,CoggingTorque,andTorqueRippleG.WindingArrangementH.MagnetSelectionandPC（permeancecoefficient）I.SteelSelectionandIronLossJ.InsulationSystems,SlotFill,andMechanicalAspectsofRotorStructureACorDCControl?无刷永磁电机分为两种类型：AC、DC两种类型永磁电机的设计有着不同的要求，与其反电动势波形及转子位置检测有关AC：相电流是正弦的，逆变器每个桥臂是180导通，使用位置编码器，脉宽调制DC：电流波形是梯形的，120导通，用三个霍尔探测器检测开关位置。因此交流（AC）电机需要由永磁转子产生正弦的反电动势

直流电机（DC）需要梯形的反电动势波形DC运行特性1）对应梯形反电势的全距和集中绕组2）高的功率密度3）霍尔效应管用于检测正确的电流开关位置（低损耗）4）适于电力驱动AC运行特性1)

对应正弦反电动势和平滑运行的分布的分数槽绕组2)更好的控制及延伸的弱磁3)轴上的旋转编码器用以控制电流（高成本）4)适于伺服驱动及驱动需要高质量的弱磁能力ChoiceofRotors转子的两种最基本的拓扑有一点突出的表面磁铁，常用于DC电动机中嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于AC电机图2表面和内置的永磁四极电机红、蓝色是相反极化的磁铁，灰色是叠片式铁心a）非凸极的表面磁铁转子b）凸极内置式磁铁转子（IPM）对表面磁铁非凸极转子，Xd=Xq，如图2（a）对凸极转子，⑴Xq>Xd，其优点是峰值转矩从q轴移一个距d轴约100~120电角的角度，这意味着当电流在q轴上时，若出现一个瞬时过载，将会有一个额外的转矩将电机拉回正确的触发角，防止磁极滑动。⑵凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。图3（a）串联充磁并联充磁图3（c）对应凸极电机，稳态等效电路分为d、q两个电路。在低饱和的情况下，Xd和Xq是相互独立的，分别对应d轴和q轴的磁阻在高度饱和的情况下，d轴和q轴分量是交叉耦合的。所以Xd=f(Id,Iq)，Xq=f(Id,Iq).这发生在电流向量超前于q轴时，由图3可见，将有一个分量位于d轴上，它具有三个作用：有一个负的XdId向量在q轴上。它减少了电动机磁通，减少了高速时的铁耗它减少了要求逆变器输出的电压它引进了一个磁阻转矩如果转速超过基本同步速，则需要弱磁，这就需要内置式永磁转子（IPM）。简单的表面式永磁转子的弱磁能力受到限制。一般的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子q轴上，除非要用到弱磁。这是用在高于基本转速时，当逆变器电压已经达到最大值，而要求的电流最大值不能达到时。逆变器开关时间是超前的，可以达到约15~20电角图1是一台小型4极DC控制电机转矩转速曲线。可以看出转矩范围由1500r/min扩展到约2500~3000r/minPole-NumberSelectionDC电机趋向于选择低极数，（2,4,6等）ac电机趋向于选择高极数（8,12,16等）高的极数使分数槽绕组成为可能，极对数还是电机转速的函数。下列几点是要注意的：1）电机磁通在高频率下是不能改变的，否则将造成铁耗过高。在更高转速下可以用弱磁方法以限制铁耗2）磁通频率=转子旋转频率极对数3）对一般的叠片铁心，不能超出150~200Hz。4）两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致损耗的增加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径增加。WindingArrangementAC绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形，DC绕组是要获得梯形波分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽ACWindings:分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩分数槽的好处：平均每对极下的槽数大为减少以较少数目的大槽代替数目较多的小槽可减少槽绝缘占据的空间，有利于槽满率的提高增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电动势波形的正弦性分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距y=1（集中绕组）可以缩短线圈周长和绕a组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。分数槽集中绕组有利于用绕线机进行机械绕线提高工效槽满率的提高，使线圈周长缩短，铜耗随之减低进而提高效率和减低温升减低齿槽转矩和转矩波动c）三相受控的正弦电流在转子q轴上d）三相反电势e）电磁转矩DCWinding:DC绕组的结构是要获得一个梯形反电势波形，与梯形的电流波形（120导通）相互作用产生一个平滑的转矩。这需要一个整距集中绕组。图6显示一个12槽4极对称三相绕组中的一相的分布a）2/3短距b）集中整距极距=12/4=3

梯形120导通三相电流短距绕组中的三相反电势短距绕组的电磁转矩整距绕组中的反电势整距绕组的电磁转矩A相120˚导通B相120˚导通A相120˚导通内秉矫顽力Hcj和Hc的区别：Hc是处于技术饱和磁化后的磁体被反向充磁时，使磁感应强度B降为0所需的反向磁场强度的值，但此时磁体的磁化强度并不为0，只是所加的反向磁场强度与磁体的磁化强度相互抵消，此时若撤销外磁场，磁体仍具有一定的磁性。Hcj：若外加反向磁场>Hcj，磁铁的磁性将会基本消除。Hcj是衡量磁体抗退磁能力的一个非常重要的一个物理量，是表征永磁材料抵抗外部反向磁场以保持其原始磁化状态的一个主要指标。在图2-3的坐标下，永磁材料中的磁场满足：B=0H+0M0-真空磁导率，M-单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化强度。其中0M称为内禀磁化强度，用Bi表示，Bi=0M=B+0H,Bi=f(H)称为内禀退磁曲线。典型的不同磁铁在25°C时的剩磁Br和回复磁导率REC见表ⅢAlnico-铝镍钴合金，Ferrite-铁氧体，Sinteredsamariumcobalt-烧结的钐钴，SinteredNeodymiumironboron-烧结的钕铁硼，当永磁体处于外加磁场时，工作点为A，当去掉外加磁场时，工作点不是沿着退磁曲线变化，而是到了一个新位置A’如果循环的改变外磁场，得到一个局部磁滞回线，由于其非常狭窄，故可用一条直线代替，称为回复线其斜率称为回复磁导率。回复磁导率REC

磁能积-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁体蕴含的磁能量越大。磁导系数PC-又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应强度Bd与磁场强度Hd的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁体工作点越高，越不容易被退磁。PC可以通过减少气隙、是磁通路径缩短及宽的齿和轭来改善，低磁密也可以改善PC磁铁材料的温度特性也要考虑进去永久失磁稀土永磁讨论小结PC不需要这么高，需要的材料较少，同样PC可用于确定磁铁厚度它具有高能量，磁化较困难需预激磁在温度压力下可能会退磁现代电机设计技术通常用详细的分析算法及电磁有限元算法来分析如图16为8极永磁电机，该电机运行在很高的超前相位下，使有宽范围的弱磁（1500~6000r/min）并有固有的