电机设计第四章课件

航空电机电磁设计及CAD永磁电机设计概述永久磁铁励磁特点:损耗小、效率高、结构简单、可靠性高２００６年１０月，包头市汇全稀土实业（集团）有限公司、内蒙古科技大学和包头市爱能控制工程有限公司共同组成产学研联合体，对兆瓦级大型并网风力发电机组项目展开攻关，并成功研制出世界第一台兆瓦级双电枢混合励磁风力发电机组。1120kW电磁设计方面与电励磁电机设计的主要差别:首先要根据技术要求选择合适的永磁转子结构和永磁材料。对永磁电机不需要设计计算励磁绕组，但要计算和确定磁铁的体积、尺寸和工作点。永磁同步发电机的参数校核和计算必需借助磁铁工作图进行，所以应先作出磁铁工作图，然后依据磁铁工作图进行参数的校核和计算。永磁电机特性的计算及其变化规律与电励磁电机比较也有不少特点和区别。在一些设计参数的选择上永磁同步发电机也有它的特点，往往与所选用的永磁材料的性能有关。4.2永久磁铁的基本特性硬磁：磁滞回线宽 较高的剩余磁感应强度Br

较高的矫顽磁场强度Hc

较大的磁能积BmHm内禀磁化强度J是定向结集的微观电流所产生的等效磁场强度。将因磁畴定向结集而在铁磁物质内部产生的磁感应BJ表示为：

几个特征点的参数：Br——剩磁感应强度。HCB或简写为HC——磁感应矫顽力（或简称矫顽力）。HCJ——内禀矫顽力。它表示欲使内禀磁感应BJ将为零。1、永磁铁的去磁曲线和内禀磁化曲线3、磁能积去磁曲线上每一点纵坐标的乘积BmHm代表单位体积永磁铁磁能的两倍，称为磁能积。去磁曲线上不同点的磁能积BmHm大小不同，我们把其中乘积最大的称为永久磁铁的最大磁能积（BmHm）max，简写为（BH）m。最大磁能积代表该永磁铁单位体积所可能提供的最大磁能，所以是永久磁铁的重要参数之一。4、可逆温度系数和居里温度温度每升高一度磁感应可逆变化的百分数称磁感应温度系数或剩磁感应温度系数5、永磁材料本身磁性能的稳定磁性能变化包括可逆的和不可逆的两部分。其中可逆变化（如磁性能随温度的可逆变化）我们是无能为力的。而产生的不可逆变化，这在电机工作的过程中是不允许的，应在电机装配前尽力消除之。4.3永磁电机常用的永磁材料

制造：材料、浇铸、强磁场冷却定向结晶特点：剩余磁感应强度高热稳定性好机械强度好，便于机械加工 型号： 最大磁能积（kJ/m3)缺点：Hc小，去磁曲线非线性，拆装很麻烦1、铝镍钴系永磁材料3、稀土永磁材料制造：稀土元素和钴组成的金属化合物，原料制粉后在磁场中模压成型，再烧结而成特点：剩余磁感应强度高矫顽磁场强度高最大磁能积高价格高、机械性能较差钕铁硼永磁材料（NdFeB）更高磁能积、价廉热稳定性较差4、如何选择永磁材料在选择永磁电机用永磁材料时，主要应考虑下列几点：能产生较大的气隙磁场；磁场的稳定性，其中包括本身磁场的稳定（例如温度变化的影响）及由于永磁电机运行状态变化引起的永磁铁工作点的稳定两方面；机械性能；价格。补充：永磁电机结构拓扑选择永磁电机结构拓扑考虑的因素用途、性能、成本1、有利于充分发挥永久磁铁的特性。2、考虑永磁铁对电枢反应去磁作用的抵抗能力。3、考虑对感应电势波形的影响。4、考虑转子加工、装配的工艺性和发展。5、考虑漏磁的大小。6、考虑阻尼效果。7、考虑转子表面脉振损耗的大小。永磁电机的应用发展现状PMSM最重要的电磁参数：永磁磁链（通过气隙）交轴、直轴电感转子永磁体（性能、体积、位置参数）决定空载磁场大小，对应空载电势E0；直轴电枢反应电感Lad、交轴电枢反应电感Laq、绕组漏感Lσ；直轴电感Ld=Lad+Lσ

、交轴电感Lq=Laq+Lσ

Ls是电感矩阵，各相的自感与互感构成气隙均匀，Ls为常数，气隙不均匀，Ls与转子位置有关3/2变换，去耦合互感旋转定向，双反应理论，电感恒值PMSM永磁电机方程在dq坐标系中PMSM的方程式磁链与电流关系如下式电磁转矩方程：机械运动方程：PMSM的向量关系转矩是关键物理量！第1项是永磁转矩Tm第2项是由转子磁路不对称造成的磁阻转矩Tr对隐极永磁同步电动机，Lq=Ld对凸极永磁同步电动机，一般Lq>Ld利用转子磁路结构不对称所造成的磁阻转矩？PMSM的电磁转矩永磁转矩磁阻转矩永磁电机结构面贴式永磁转子内埋式永磁转子面贴式、内埋式永磁转子内转子、外转子结构定子转子定子转子伺服电机最常见的类型风扇，电动车轴驱动惯量大，永磁体拆卸方便内转子外转子有槽电机、无槽电机有槽电机无槽电机定子三相定子绕组四极永磁转子定子护铁永磁转子相绕组交叠绕组、非交叠绕组电机AABBCC交叠绕组非交叠绕组转子结构1——面贴式永磁转子特点非凸极结构（Ld=Lq）无磁阻转矩加工工艺成熟一般伺服场合应用较多优势漏磁小转矩密度高效率高控制性能好不足弱磁区升速范围有限相对大的逆变器容量Ld=Lq磁阻电机特点没有磁体利用磁阻转矩优势适合高速运行恒功率区速度调节范围宽具有一定的容错能力不足低速时转矩密度低低速时效率低功率因数低采用轴向叠片的转子有助于提高转矩密度导磁材料不导磁材料Ld>Lq转子结构２——插入式转子结合了永磁电机和磁阻电机的特点电磁转矩包括了永磁转矩和磁阻转矩以永磁转矩为主在不降低转矩密度的条件下，磁阻转矩可以减小永磁体的磁链漏磁链路径的作用降低故障时对系统的影响高速时磁阻转矩可以提高输出转矩转子凸极结构利于实现零速时的无位置传感器技术Ld<Lq转子结构３——内埋式转子（径向）具有插入式转子的所有特点此外：磁体埋在叠片中机械强度高漏磁较大抗去磁能力高q轴电感相对较高弱磁能力强磁阻转矩显著低速和高速时的转矩和功率密度高在电动车场合应用最多Ld<Lq转子结构4——内埋式转子（切向）具有插入式转子的所有特点此外：磁体埋在叠片中漏磁较大抗去磁能力强q轴电感大弱磁能力强磁阻转矩显著低速和高速时的转矩和功率密度高极对数多时其磁链集中，聚磁作用非磁性转轴Ld<Lq对PMSM电机的一般要求其要求因具体应用场合而异例如：对于牵引场合的电动机：功率密度高效率高恒功率区速度调节范围宽具有故障处理能力可靠性高，运行噪音低性价比高转矩转速恒转矩区恒功率区弱磁对于伺服应用场合：转矩密度高效率高转动惯量小，加速特性好可靠性高转矩转速恒转矩区对于专用系统，采用何种形式的电机结构必须进行综合考虑和系统优化。用途、性能（应用要求）、成本（电机和驱动器、开发费用、运行费用等）PMSM本体提高转矩的基本原理减小漏磁链永磁+磁阻增加凸极效应降低饱和的交叉耦合采用聚磁结构增加线圈磁链防止不可逆去磁减小漏磁链在磁体和磁钢之间增加间隙安排附加的磁体永磁转子增加磁通的方法——1气隙磁密永磁体剩磁气隙截面积永磁截面积相对磁导率气隙长度磁体长度增加AmU、V型永磁转子增加磁通的方法——2聚磁结构转子——Bg>BrBg的基波表达式随着极数和lm的增加，磁通越来越集中lm和Np使得ri进一步降低磁体极数对于给定的极数和r0可以求得一个最优的lm，使得Bg的峰值和平均值最大

电动汽车动力单元Specification9kWat4200rpm12极,18槽有效长度:：100mm直径:150mm气隙磁密：0.6T•高电感电机（铁心很接近气隙）•内侧漏磁减少了气隙磁密度•设计时使内侧饱和限制漏磁，内侧边缘用很薄的过渡连接，但要注意机械应力问题•磁钢的夹持问题永磁转子增加磁通的方法——3Am进一步增加增设Q轴磁路磁阻（barriers）的永磁转子Q轴磁路增设磁障可减小交叉耦合饱和效应由于Q轴磁通使磁路饱和而对磁体磁通的影响得到减小对D轴磁通的影响降到最低在恒转矩区的最大转矩得到显著提高交流伺服应用场合Ld=Lq抗去磁能力非常重要的设计参数典型值为抗5—10倍的满载电流短路过载能力从本质上讲，去磁是一个瞬态过程衰减的交变电流大的尖峰电流温度的影响也很关键最恶劣的情况下钕铁硼高温铁氧体低温铁氧体钕铁硼永磁体的去磁可逆去磁不可逆去磁安全工作区安全工作区开路工作点开路工作点磁通损耗去磁磁动势的影响去磁磁动势的影响膝点位置决定了去磁能力的大小（通常在第三象限）永磁转子d轴磁通路径D轴磁通路径为防止弱磁时发生不可逆去磁开路负载id(iq=0)电枢反应id(iq=0)增强的永磁转子Q轴磁通路径为了增强磁阻转矩提高转矩密度提高弱磁能力磁阻的转子结构的改进——1传统凸极磁极分段磁极磁通屏蔽轴向叠片磁阻的转子结构的改进——2磁阻转子单磁障多磁障轴向叠片加辅助磁阻的永磁转子（永磁+磁阻）Q轴D轴切口肋状导磁条多层内埋式永磁转子（永磁+磁阻）凸极系数显著增加——磁阻转矩得到充分利用调速范围拓宽加工复杂两段式转子（永磁+转子）定子转轴磁阻段永磁段a)两段式转子的纵向部分b)两段式转子c)磁阻部分轴向叠片被绝缘片隔开非磁性部分d)永磁部分永磁体4.4永磁同步发电机主要尺寸和永磁铁尺寸的确定体积大小主要取决于电磁负荷A、Bδ值的大小。但对永磁电机，A、Bδ值大小的确定与永磁铁的结构，尺寸及磁能利用程度等有密切关系，故若能先确定合理的A、Bδ的值，然后再确定电机的主要尺寸是比较合理的。一、估算永磁铁体积1、纯电感负载法（拉里奥洛夫法）

2、隐极同步发电机不饱和矢量图法二、计算永磁铁尺寸及主要尺寸D、l

已知体积，确定永磁铁的具体尺寸——磁化方向长度和截面积的方法一对极外磁路提供的磁势：

三、确定电机主要尺寸和永磁铁尺寸的三种方法方法一：方法二：根据经验或类比已知电机方法三五、永磁铁工作点的选取为了使永磁铁向外提供的有效磁能为最大，永磁铁工作点应选在最佳利用点处。可以证明对直线型去磁曲线最佳利用工作点的位置可按下处计算：永磁铁工作特点的高低对电机的性能有多方面的影响工作点不同，永磁体的尺寸就不同永磁铁工作点的高低，影响电机体积尺寸的大小永磁铁工作点的位置影响电机的电磁性能六、气隙磁感应强度和长径比的选取Bδ的大小与电机的电磁参数和结构参数有密切的联系，例如永磁铁剩磁感应Br、永磁铁尺寸、极弧系数α、气隙、线负荷、极对数p等。选定了Bδ的大小，反过来在很大程度上影响着上述参数的选择。λ上升使端部漏磁占的比例下降，所以Kσ下降，一定极对数下，λ不宜太小（直径不宜大）。

七、电枢反应折合系数的计算八、永磁发电机转子漏磁导计算永磁发电机转子漏磁对电机性能的影响影响永磁铁的利用程度影响电机的工作特性影响转子漏磁大小的因素：极弧系数、气隙、长径比的大小、永磁铁的尺寸和形状等磁场分割法计算漏磁导永磁电机漏磁场分布复杂，计算比较困难，计算误差较大，这是永磁同步发电机计算精度低于电磁式电机计算精度的原因之一。漏磁导的计算：由于磁导是并联相加的，所以一般采用分割磁场法来近似计算气隙磁导。磁场分割法计算漏磁导。这种方法的核心是，将气隙磁场分布规律近似相同的各部分分割出来，分别计算其磁导，然后将各部分磁导相加得到总磁导。计算误差大小由分割误差和各部分计算的近似程度所决定。要获得比较精确的计算结果，最好采用电子计算机计算三维电磁场的方法来计算，但要注意，若采用二维场（平面场）的方法计算，由于不可能计及端部漏磁，故可能造成较大的误差。径向转子漏磁场的分割切向转子漏磁场的分割永久磁铁漏磁导计算的特点——漏磁导的折算磁路欧姆定律计算磁漏磁通由于永磁铁端部和侧面磁化方向的不同高度处永磁铁的磁势大小是变化的，对不同高度处的磁导就不能用统一的磁路欧姆定律来计算。为了能用统一的磁路欧