毕业论文设计：异步起动永磁同步电动机的电磁设计

论文题目：异步起动永磁同步电动机的电磁设计摘要：随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较，有效率高、功率因数接近1、体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机已经在国外蓬勃发展,而在国电机行业也以惊人的速度在发展。因此本文选取了异步起动永磁同步电机的电磁设计,主要包括额定数据和技术要求、主要尺寸、永磁体计算、定转子冲片、绕组计算磁路计算、参数计算、工作特性计算、起动性能计算等，还列举了相应的算例。关键词：永磁同步，电磁设计，设计算法，异步起动TOC\o"1-5"\h\z摘要： I\o"CurrentDocument"1概述 1\o"CurrentDocument"1.1永磁同步电动机的运彳亍原理与特点 1\o"CurrentDocument"1.2永磁同步电动机分类 1\o"CurrentDocument"1.3永磁同步电动躺构 3\o"CurrentDocument"1.4异步起动永磁同步电机的设计特点 32永磁同步电机电磁设计步骤 42.1程序框图 5\o"CurrentDocument"2.2额定数据和技术要求 62.3主要尺寸 8\o"CurrentDocument"2.4永磁体计算 102.5定转子冲片 11\o"CurrentDocument"2.6鯉计算 13\o"CurrentDocument"2.7磁路计算 15\o"CurrentDocument"2.8参数计算 18\o"CurrentDocument"2.9交轴磁化曲线计算 222.10工作特性计算 23\o"CurrentDocument"2.11起动性能计算 26结论 30\o"CurrentDocument"参考文献 31\o"CurrentDocument"致谢 321概述1.1永磁同步电动机的运行原理与特点永磁同步电动机与传统的电励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠;体积小，质量轻;损耗少，效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用围极为广泛，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。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数何达到1、甚至容性）,减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2—8个百分点。永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。1.2永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为转子式和外转子式;按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机和有起动绕组的电动机;按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时,形成一台具有阻尼绕组的调速永磁同步电动机。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电动机理论分析、设计和运行控制中不断出现了许多有待进一步深入研究的新课题。13永磁同步电动机结构永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，也采用養片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的,也可以用養片叠压而成。图1—1为一台永磁同步电动机的横截面示意图。电枢绕组既有采用集中整距绕组的,也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中整距绕组,而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些正弦波电流控制如图i-i永醱同步电动机横截面示奩图（1—定子2—永磁体3—转轴4—转子铁心）永磁同步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组”可大大减小电动机转矩纹波,提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感f但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此夕卜,气隙长度的大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。1.4异步起动永磁同步电机的设计特点异步起动永磁同步电动机一般应用于要求高效的场合，因而对电动机的要效率高，功率因数高，起动品质因数高永磁体用量省等.电磁设计的主要任务是确定电机主要尺寸,选择永磁材料和转子磁路结构，估计永磁体的尺寸，设计定子转子的冲片和选择绕组数据,然后利用有关公式对初设计方案进行性能校核调整电动机的某些设计参数，直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。2永磁同步电机电磁设计步骤2.1程序框图算例算例15kW2.2额定数据和技术要求名称 公式(1)额定功率 巴

(2)相数(3)额定线电压380V(4)额定频率f50Hz(5)极对数P2(6)额定效率93.5(7)额功率因数COS(pN0.95(8)失步车铤倍数T*1poNL8倍(9)起动车铤倍数T*Un2.0倍(10)起动电流倍数c9.0倍(11)绕理式昶接(12)额定相电压291.39V

(13)额定相电流1_匕诃25.66A"mU小nCOS0R(14)额定转速60/nN-P1500r/min(15)额定转矩丁9.549P,vxlO3Tn_nNN.m5.49(16)绝缘等级23主要尺寸(17)铁心材料DW315-50(18)转子磁路结构形式置径向W型(19)气隙长度80.065cm(20)定子外径226cm(21)定子径%17cm(22)转子外径D、=D“—2616.87cm

6cm(23)6cm(24)定/转子铁心长度% 19/19(25)电枢计算长度当定转子铁心长度相等时S詁+2519.13cm当定转子铁心长度不等时Lef=La+36当(厶—厶)/25Q8G二爲+45当(厶一厶)/25"4(26)定/转子槽数%36/32(27)定子每极每相槽数q=ft/(2mp)(60°相带)3q=g1/(mp)(120°相带)(28)极距"空2P13.352cm(29)硅钢片质量叫e=卩尸°-40+△)'X10~396.79kg式中 冲剪余量0.5cmLhT厶和▲中较大者19cm°斤_铁的密度7.8g/cm3g-铁心叠压系数，一般可在0.92—0.95的围取值0.932.4永磁体计算(30)永M料牌号(31)计算剩磁密度NTP264H1+(5)語(32)计算矫顽力B,.‘ot20。C时的剩磁密度%T氏的可逆温度系数ILtQ.的不可逆损失率—预计工作温度Hr=1+(—2。)需(33)相对回复磁导率%“=—Ao^xlO3“o=4^-xlO-7////n(34)磁化方向长度 hM(35)宽度 bM(36)轴向长度 Lm(37)提供每极磁通的截面积 径向4=bMLM切向An=2如“(38)永磁体总质量 min=2pbMhMLMpmx10~3Pm—永磁体密度1.0741T1.15T-1.12W/C-10W75C817.25kA875kA1.0.53cm11cm19cm209cm23.28kg7.4g/cw32.5定转子冲片(39)定子槽行定子槽尺寸0.08cmbg0.38cm0.77cm斤0.51cm1.52cm30(o)(40)转子槽形1转子槽尺寸力020.08cmbg0.2cm办0.64cmbr20.55cm--Kn1.5cm几3-hr1.58cma230(。)(41)定子齿距1-a1.484cm(42)定子斜槽距离t_也lsk 八ft+p1.405cm(47)定子齿体积(48)定子辘体积(47)定子齿体积(48)定子辘体积(49)转子齿距0.743cm0.747cm0.744cm2.56cm1.69cm9.205cm799.83cm3331.07cm1.654cm1.5cm(43)定子齿宽 虬=穴[4+2(/心+仏)]_2厶2iA_刃2+2(仏+仏)]A如 a 7b—h贬=-Ly2Ltana,若<饥】人人,^11-^12b厂治+「—(44)定子辄磁路计算高度如=写色-/?oi+/?12+話(45)定子齿磁路计算长度饥=鴿+扌(46)定子辄磁路计算长度-=-妇)匕=Q厶K/肉匕严必K』血-俎)t=——-:a(50)转子齿磁路计算长度 hrl2=hrl2+乙/6(对圆底槽)hJ2=hr2(对平底槽)h=hr+hrl/6(对圆形槽)

3.325cm转子辘计算高度 平底槽/s二写蟲一心一加3.325cm圆底槽hj2=。；久_人+警-勺”圆形槽你=写碁％+薯3.662cm转子辄磁路计算长度-严A(2+hj2)3.662cm2.6绕组计算(53)每槽导体数 2.6绕组计算(53)每槽导体数 N,(54)并联支路数 a(55)并绕根数-线径 心*N伦 f"12(56)每相绕组串联匝数 N=目昼2tna132-1.25781.59c存(57)槽满率计算 槽面积4=1.59c存2(2丿和Ht槽楔厚度槽绝缘面积飓绕组A=G(2见+眄+2人+单层绕组&=G(2饥+眄)

槽有效面积Ae/二&_4槽满率s— (d“+“dJ+N/2(d】2+〃d2)](58)节距78.2%91011-18(59)绕组短距因数=sill B(2 "(60)绕组分布因数(61)斜槽因数(62)绕组因数(58)节距78.2%91011-18(59)绕组短距因数=sill B(2 "(60)绕组分布因数(61)斜槽因数(62)绕组因数(63)线圈平均半匝长心nip10.9598-二厶+2(d+Zj0.99540.955437.463cmLe=kry(单层)4=%COSQ°)cosa0=Jl-sina：(双层)snia0snia0=b+2q

切+2r+2b山=兀（2+2/心+兀+/生+“）0。' 2p4.221cm（64）线圈端咅|5轴向投影长 fd=L£sincr04.221cm(65践圈端部平均长LE=2（d+LE）18.463cm(66)定子导线质量斫g也S叫沁8.9g/c/n32.7磁路计算(67)极弧系数@一12卩_&0.875(68)计算极弧系数4ar=an+ J卩S+_L_si-勺0.891(69)气隙磁密波形系数8 .a.7t——Sill—^―n-a.21.255(70)气隙磁通波形系数4.a；7t—sm—7t20.897H6m9・0q/v\寸moo268.09/zr-iJ("L)巅能a«^{(H(CL)<8・mm108m.Io.m寸80.996(卜卜)0/ZT0IX(Q》+④喲sssir(9卜)(81)转子齿磁密1.338T(82)转子齿磁位差(83)转子辄磁密陷=20九B一鶴皿72 2L,—23.8A1.237T(84)转子辄磁位差(85)每硼总磁位差Fj2=2C2Hj2Lj2C2t转子觇部校正系数。14.6A(87)主磁导工尸=仔+巴+6+好2+©2计算X«“时f每对极总磁位差应为(86)磁路齿饱和系数0501484.4A1.0689.81X10-6H2AJ?,xlO2_Jni5_“『“A切向磁路结构3.785^_AAxio2

九“oA”3.785(89)夕卜磁路总磁导标么值4.485(90)漏磁导标么值1.06(91)永磁体空载工作点 bni0=丄2„+10.829(92)气隙磁密基波幅值@0X10"3上”0.802T(93)空载反电动势E。=4.44/0A%。®215.8V2.8参数计算(95)转子折算电阻(94)定子直流电阻QT铜线电阻率0.213Q=Rr十Rr0.096Q导条电阻Rp=K/AQ/A血(95)转子折算电阻 端环电阻Rr=k342吨鸟式中心=1.04(对铸铝转子)Kb=1(对铜条转子)k一加(Na)c Q.-Lbt转子导条长度打T导条截面积Drt郦平均直径九T端环截面积PRT导条电阻率PRT端环电阻率(96)转子绕组质量 铜条转子加如=8.9@血—+2A^JxlO-5铸铝转子®广2.7@血—+2Ar^Dr)x10-5 1.89kg、=亠才叫 4触S(Kd“N)，x10-2(97)漏抗系数 Cx=八；＞ 0.4192(98)定子槽比漏磁导 人严心如+K“血 1.175g.K“槽上下部节距漏抗系数 1/1对OV0V1/3(99)定子槽漏抗(99)定子槽漏抗=30/4K“=（90+4）/16对1/3V0V2/3K"=（6/7-1）/4KLl=（180+1）/16对2/3</7<1K⑴=（30+1）/4K榔=（90+7）/160.4070.7680.179G(100)定子谐波漏抗J10.271Q(101)定子端部漏抗双层叠第且Xg严1・2(〃+°3九)(101)定子端部漏抗Lef——、亠 (厶f-0.64丁「单层同心式X栏=0.67————CxILefKdP丿单层交叉式，同心式(分组的)(Le-0.64久)X,.,=0.47 一Cr 0.115QIX丿(l\单层链式X绘=0.2——Cx匕应丿(102)定子斜槽漏抗Xh=0・5(A]X触 (102)定子斜槽漏抗(104)转子槽比漏磁导1.416Q(105)转子槽漏抗(106)转子谐波楼抗(107)转子端部漏抗(108)转子漏抗式中的心=怛・bg2pmL“：叫工RE20.757LefLb_厶1.13El0.2212Q0.2488Q0.0626Q0.5326Q(109)直轴电枢磁动势折算系数1~K~

f0.768Q(HO)交轴电枢磁动势折算系数(111)直轴电枢反应电抗4.123Q式中Ed=4.44^^^妇=［几-(1-也比］4丿严10円bmN&+1bmN&+1对径向磁路结构f；=———aQhMHcxlO对切向磁路结构£= —aohMHcxlOK.NI.岛=0.45加心亠丄取5=224.809Q(112)直轴同步电抗 Xd=心+/4.809Q2.9交轴磁化曲线计算(113)设定交轴磁通 (t)aq九可在0.35鶴到0.85如间取值(114)交轴磁路总磁位差 工7(115)对应交轴电流Q.9niKa(lKdpN(122)交轴同步点抗(122)交轴同步点抗Xq=心+X\7.438(116)交轴电动势 E“q=如E。050(117)交轴电枢反应电抗X=电aq J'q2.10工作特性计算(118)槻戒损耗P用160W(119)设定转矩角045.14(120)假定交轴电流1;20.61A(121)交轴电枢反应电抗6.754Q(123)输入功率P=它「ax[E°5(XgSin&—&cos&)+&〃：+0.5兀亿-Xjsin2&]XjXq+K；15971.3W(124)直轴电流X(lUNsin0+Xq(Eo-UNcos8)(124)直轴电流XjXq+R；(125)交轴电流XdUNsin&+&(Eo-UNcos&)20.608A()功率应数COS00.9794式中(p=0-(p24.779A392.3W(127)定子电流24.779A392.3W(128)定子电阻损耗(129烦载气隙磁通「(129烦载气隙磁通「4.44/2%0.01425Wb(130)负载气隙磁密式中E$(130)负载气隙磁密式中E$=J(&-©X肿+(/gX“J221.37B_处10“54Wg0.6261T1.3521T1.5751T(131)负载定子齿磁密1.3521T1.5751T(132)负载定子觇磁密(134)杂散损耗pijVPvX103()总损耗5>=仏+"+卩川,+几(136)输出功率Ph_yp(137)效率77=—X100()工作特性()失步转矩倍数PD* max-■P.V最大输出功率Pg山。)永磁体额定负载工作点"時211.4W211.0W150002.3W93.93W85倍27.686kW0.746(141)电负荷0A5mK(ldK(lpNI(IN式中“爲贏二;对径向结构Q.9mKa(lK(lpNI(IN小侖侍对切向结构217.0A/cm(142)电密(143)热负荷114.167(144)永磁体最大去磁工作点b=兄(1_f"dh)几”+1式中f：dh= 血K；*N：对径向结构paeHchcxlO.._0.9mK皿N£adh_对切向结构e°x,+ +2.11起动性能计算(145)起动电流假定(146)漏抗饱和系数(147)齿顶漏磁饱和引起定子齿宽度的减少5=(人-几X1(148)齿顶漏磁饱和引起转子齿宽度的减少0=亿-^O2X1-(149)起动时定子槽比漏磁导 人m(2t/1-△心J+K“式中AAt/1鶴+0.58仏(5 ]% 1。+1.5纭丿(150)起动时定子槽漏抗(151)起动时定子谐波漏抗(152)起动时定子斜槽漏抗Xdlsl-K:Xdl904.20.2880.653090.32A222A0.52Kj0.5299cmJ0.6989cm.1 0.99050.18450.1509Q0.1409QXg=K=X0.1409Q(153)起动时定子漏抗 X®= +X加+X.+X妇(154)考虑挤流效应转子导条相对高度&f妝pfixlO70.4697Q1.012(155得条电阻等效高度hpR必2w+sin2£、c/?2w-cos2w丿(156)槽漏抗等效高度式中血)=3（必2£+sin2g、Is\ch2w一cos2w）(157)起动转子电阻增大系数(158)起动转子漏抗减小系数(159)起动转子槽下部漏磁导(160)起动时转子槽比漏磁导(161)起动时转子槽漏抗(162)起动时转子谐波漏抗()转子起动漏抗(164)起动总漏抗（1+认（）1+a\2（p（£）-1]K_（1+如（氓心X抵（1+%『心^L2sl=心血2A/2H=^U2~^U2X心严K：X,X2st=XsX+Xdg+XE2X”=X®=x2sl1.3765cm1.08971.461cm0.97441.0.97440.991.0.0.3110.1685Q0.1294Q0.3605Q0.8302Q(165)转子起动电阻R*=忑厶+--厶Rr+Rr0.318Q_ Lb Lb_(166)起动时总电阻Ry=&+R*0.513Q(167)起动总阻抗Z/0.9855Q(168)电流倍数222.6A"J(169)起动电流倍数i；=如8.67倍(170)异步起动转矩7；_S曲线T<=—p 一 =2吋 +(Xw+C]Xa)\ s丿 _式中q=l+△虬_2X几

讪-Xa(]+X"。R2S,=(尺2.“-M+尺2Xg=(Xg-xM+x】对半闭口槽^=(^2.-^2^+^21(171)永磁体发电制动转矩7；—S曲线乙严巧(1-俯+(17)产]2才代+(17)吹朋订(173)起动转矩倍数2.89倍随着永磁材料工艺的发展”和电子电力水平的提高”永磁同步电机成本高、磁路计算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功