调速永磁同步电动机的电磁设计毕业设计

调速永磁同步电动机的电磁设计毕业设计 2011届毕业设计 湖南 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 第一章 概述 1.1永磁同步电机的发展前景 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好;但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 电动机及其驱动系统的耗电量约占工业用电总量的三分之二左右, 2006年国际电工委员会IEC制定了IEC60034- 30电动机新 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 其目的在于淘汰低效率电动机, 开发与应用高效率和超高效率电动机, 美国在NEMA 高效电机的基础上又制定了新NEMA 高效标准, 把效率指标再提高2% -3% , 在我国 十一五!规划的节能工程中涉及到更新和淘汰低效率电动机及高耗电设备, 推广高效节能电动机、稀土永磁电动机、高效传动系统等, 所以开发高效节能稀土永磁电动机具有实际工程应用的意义。在电力拖动系统中采用调速措施可以提高节能效果, 例如直流电动机调速、交流电动机变极调速或变频调速, 还有采用机械传动结构变速等, 但是机械传动结构变速和变极调速属于有级的调速方式, 直流电动机虽然具有较好的调速性能, 但存在换向火花的缺点, 限制了调速的容量和应用环境, 而变频调速是一种高效节能型的无级调速方式。自从德国工程师F. B laschke等人提出了矢量控制变换理论后, 解决了交流电动机电磁转矩的有效控制 , 近年来, 随着变流技术、计算机技术和现代控制技术的发展, 实现了交流电动机矢量控制的变频调速, 交流电动机调速性能可以与直流调速系统相媲美, 稀土永磁电动机变频调速要比异步电动机变频调速节能效果高5% 以上, 因此, 稀土永磁调速同步电动机在水泵、风机、电梯设备和轨道交通系统等得到广泛的应用。 1 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 “中东有石油，中国有稀土”。我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。尽管我国的稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，但是这些优势还没有完全发挥出来，因此，对我国来说，永磁同步电动机的发展还任重而道远，还有很大潜力可开发。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对我国国防、工农业、航空事业的发展及综合实力的提升具有重要的理论意义和实用价值。 1.2永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种:一种为正弦波;另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统或调速永磁同步电动机;而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为:表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等;而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁同步电动机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能特点有所不同。 采用正弦波的永磁同步电动机可根据永磁体在转子上放置的位置分为三种:一是永磁体埋在转子内的内磁式永磁同步电动机;一是永磁体安放在转子表面的外磁式永磁同步电动机;第三种是永磁体嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步电动机。本文主要介绍表贴式转子的永磁同步电动机的设计。 2 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 1.3调速永磁同步电动机的研究现状 虽然无刷直流电动机比调速永磁同步电动机具有控制简单，成本低， 检测简单等优点， 但因为无刷直流电动机的转矩脉动比较大， 铁心损耗也较大， 所以在低速直接驱动场合的应用中，调速永磁同步电动机的性能比无刷直流电动机及其它交流伺服电动机优越得多。不过在发展高性能调速永磁同步电动机中也遇到几个“ 瓶颈” 问题有待于作更深入的研究和探索。存在的主要问题如下: (1)调速永磁同步电动机在使用过程中出现“退磁”现象，而且在低速时也存在齿槽转矩对其转矩波动的影响。 (2)检侧误差对控制器调节性能有影响， 发展高精度的速度及位置检侧器件和实现无传感器检测的方法均可克服这种影响。 (3)以调速永磁同步电动机作为执行元件构成的永磁交流伺服系统， 由于调速永磁同步电动机本身就是具有一定非线性、强藕合性和时变性的“ 系统” ， 同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性， 加之系统运行时易受到不同程度的干扰， 因此采用先进控制策略， 先进的控制系统实现方式如基于控制， 以从整体上提高系统的“ 智能化、数字化” 水平， 这应是当前发展高性能调速永磁同步电动机伺服系统的一个主要的“ 突破口”。 1.4 永磁电机发展机遇 (1) 更高的综合节能效果 永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数(可达1甚至容性);定子电流小，定子铜耗显著减小;转子无铜耗(三相异步电动机转子绕组损耗约占总损耗的20,30,)，因而发热低，可以取消风扇或减小风扇，从而无风摩耗或减少风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高2,8,，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行时节能效果更显著。 (2) 可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求 常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步起动能力的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94,，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果。 3 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 (3) 低速直接驱动的需求 为了提高控制精度、减小振动噪声、杜绝油雾带来的不安全，也为了大转矩驱动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引机，转矩提高了十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推进器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。这是船舶驱动技术的又一发展，国外自上世纪九十年代已成功用于豪华邮轮、专用油轮等。西门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。 (4) 多极高功率因数的需求 近年来，永磁同步电动机朝着多极化发展，多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减小电机体积、减少铁心用量。多极电机还显著减小了定子端部长度，减小定子铜耗、从而减少发热、提高了效率。如某安装于轿厢和井壁间隙的永磁同步电动机，转子采用60极结构，显著缩短了定子线圈端部长度，实现无机房电梯。若仍用异步电动机驱动，随着极数增加，其功率因数明显降低，在轻载和空载时，功率因数将更低，因此在Y型系列电机中，10极电机已不多见。而该60极永磁同步电动机功率因数高达0.98，空载、轻载时甚至可达1，节能效果明显。 (5)高功率密度的需求 舰船、车辆受体积所限，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。永磁同步电动机由于无需激磁绕组，空间结构小，高性能的钕铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力，从而可提供很高的磁负荷，使电机尺寸缩小。有B, 些并联供磁的电机，B甚至可高达1特斯拉以上。传统电机的齿槽结构，约束着磁负, 荷和电负荷的关系，过高的磁负荷将减小放置绕组的空间，成为实现高功率密度的瓶颈。 4 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 第二章 永磁同步电动机的运行与控制原理 永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的带位置传感器，有的应用场合因安装的不便利及成本上的要求无法安装位置传感器。有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。也可以这样说，该种电机系统有电动机，逆变器组成(有的还带位置传感器)。图3.1给出了一个基本系统原理结构图。 图3.1永磁同步电机结构原理图 2.1 永磁同步电动机的基本组成 2.1.1 电动机 同感应电机和直流电机相似，永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成，三相交流绕组在定子上;永磁体在转子上。关于电机的基础理论知识部分可参考文献。 定子: 定子通常也称作电枢，它由定子三相绕组、定子铁芯、机座和端盖等零部件所构成。定子铁芯是由冲压后的硅钢片紧密叠装而成。见图2.2。 转子: 转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之分。见图2.2a为凸极式，从图可看出转子有明显的凸出磁极，且气隙不均匀分布。2.2b为隐极式，转子成圆柱形，均匀分布气隙。对这两种转子需要采用不同的驱动方式，在永磁电机运行原理一节再详细描述。 5 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 图2.2 定子、转子图 电动机转子使用永磁铁励磁，目前常见的有铁氧体或稀土永磁材料。依据转子磁场几何形状的异同，磁场在空间上分布有方波(或梯形波)和正弦波两种。因此反电动势也有两种，根据反电动势的不同分别采用120度的直流方波控制或正弦波控制。 2.1.2 转子位置传感器 在永磁同步电机中，通常转子位置传感器与电机轴联在一起，用来随时测定转子磁极的位置，为电子换向提供正确的信息。也有例外像洗衣机用的DD电机，往往将HALL安装到定子上，永磁体安装的转子上。定子转子这里其实只是个相对的概念。 目前，PMSM系统的位置传感器有很多种方式，像光电编码式、磁敏式、和电磁式。也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，等 但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，只是安装的体积，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。 通常在家电变频器上，由于要求精度不高，安装体积要小，结构要简单，成本要低等，使得我们只能选择霍尔元件，而且它对周围环境的适应性很强，输出信号的边沿也好。 2.1.3 逆变器 位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的PWM占空比输出，来触发功率器件(IGBT或MOSFET)，实际上逆变器是自控的，由自身运行来保证电机的转速和电流输入频率同步，并避免震荡和失步的发生。 2.2永磁同步电动机的工作原理 为方便理解我们先从BLDC电机120度直流方波控制来讲解电机的基本工作原理，而180度控制原理则是在120度方波控制的基础上加入正弦变化控制。换言之，针对电机最优的控制，要看电机的反电动势是方波还是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦变化控制。 6 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 无刷直流(BLDC)电机的基本旋转需依靠转子位置传感器检测的位置信息，然后经过电子换相电路来驱动控制同电枢绕组相连接的各个功率开关器件的关断或导通，从而起到控制绕组的通电状态，并在定子上产生一个连续的旋转磁场，以拖动转子跟着旋转。随着转子的不断旋转，传感器信号被不断的反馈给芯片，主芯片据此来改变电枢绕组的通电状态，使得在每磁极下的绕组中的电流方向相同。因此可以产生恒定转矩，并使BLDC电机连续旋转运行起来。 BLDC电机三相绕组主回路有三相全控和三相半控两种。其中三相半控电路简单，一个功率开关驱动一相绕组，每个绕组只保持1/3的通电时间，而另外2/3的时间则保持断开状态，因此并没有被充分利用起来。所以我们通常选择采用三相全控电路，如图2.3所示。 图2.3 三相全控电路示意图 所谓的120度变频控制，其实是采取两两导通方式的控制策略。所谓两两导通方式指每一时刻仅有两个功率管导通，每1/6周期，开关管换相一次，而每次换相也即PWM调制一个功率管。下面给出一个典型的IGBT或MOSFET的连续通断开关顺序T1T2-T2T3-T3T4-T4T5-T5T6-T6T1-T1T2，按此调制通断即可产生连续的旋转电枢磁势，从而使电机运转。见图2.4a和b。注意这里对120度变频来讲，每一步的PWM的占空比是固定不变的，从而产生直流方波。这种控制方式的特点，简单方便，容易掌握。而180度变频则不仅每1/6周期的PWM占空比不同，而且每一个PWM脉冲的占空比都在调整中，并在每个电周期内使电压按照正弦规律变化，对矢量变频来讲使能电流或磁通按照正弦规律周期变化控制。 基于续流二极管方法检测的直流电机控制可参考文献，以及基于三次谐波控制的直流电机可参考相关文献、文献、文献等。 7 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 a b 图2.4 电机旋转示意图 2.2.1电枢反应 空载时，同步电机气隙中仅有转子磁势存在。而带负载后，除转子磁势之外，还有定子三相电流产生的电枢磁动势。电枢磁动势的存在，会使气隙中磁场的位置和大小发生畸变，这种电枢磁势影响主磁极磁场的现象我们称之为电枢反应。 电枢反应除了能使气隙磁场产生畸变之外，还会关系到机电能量转换，还有增磁或去磁作用，这对电机的运行性能会产生很大的影响。该反应的性质取决于，主磁场与电枢磁势在空间上的相对位置，分析表明该位置与负载电流Ia和激磁电动势E0之间的相位差Ψ有关，下面将根据它们之间的相位关系分别进行分析。 IEa02.2.1.1 与同相位时的电枢反应如图2.5 FF与矢量相加后为气隙合成磁动势，另外，习惯上用d(直轴)来表示转子磁fa 极轴线，用q(交轴)来表示N，S极之间的中线。这样因为交轴磁势的存在，会使合成磁势轴线的位置发生位移，并且幅值也发生一定的变化。 ， E0 ， Fa， F,， Ia ，F f,,0 ，, f 图2.5 Ψ=0时的电枢反应 8 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.2.1.2 滞后相位90电角度(Ψ=90)时的电枢反应如图2.6 IEa0 显然从图中可看出电枢磁势的方向与气隙磁势的方向相反，电枢反应是去磁效果 ， Ia ， Fa ,,0， E0 ， F,， Ff ， ,f 的。 图2.6 Ψ=90时的电枢反应 2.2.1.3 超前相位90电角度(Ψ=-90)时的电枢反应如图2.7 IEa0 电枢磁动势。显然可以看出这时电枢反应是增磁作用的，也称之为直轴增磁 ， E0 0 ,,,90 ， Fa ，F f ， Ia， F, ，, f .7 Ψ=-90º时的电枢反应 图2 2.2.1.4 对于ψ=任意角度时的电枢反应 此时要分清电流超前电动势还是滞后电动势。电流滞后电动势 :0 <ψ< 90此时可..，，，IEEIIqd利用迭加原理，将分解成两个分量 与 ，以及滞后于90电角度的分量 。a00见图3.8a，它们有如下数学关系: 9 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 ，，， ,,Iffd， Ia ， E0， Iq ， E0 ，， IIda a b 图2.8 ψ=任意角度时的电枢反应 ... I,I，Iadq (2-l) ,I,Isin,da (2-2) ,IIcos,,qa, IIqd与E0同相，起交磁作用，与主磁势相反起去磁作用。也可以这样理解将电枢磁势Fa按ψ分解如下: ,F,Fsin,ada (2-3) ,FFcos,,aqa, 电流超前电动势:-90?<ψ< 0?从图2.8b上可看出: I此时仍然起交轴作用，但I与主磁势方向相同起增磁作用。 qd 综上分析有以下重要结论:电枢磁势除了产生交轴电枢反应外，当E0超前 Ia时，还会有一部分产生直轴去磁作用。当E0滞后Ia时，就会产生直轴增磁作用。这个结论也是我们根据电机的结构来进行最大扭矩每安培控制的依据，它直接关系到能耗的多少。 2.3 永磁同步电动机的数学模型 关于三相永磁同步电机的基本方程、等效电路、及分析可参考文献。 三相电压的基本方程如下:参考图2.9。 10 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 120 120? U 120 ? ? W 图2.9 电机三相示意图 u,Ucosωt,Um,,u,Ucos(ωt,2/3), (2-4) Vm ,u,Ucos(ωt，2,/3)Wm, 电流公式与此类似也是相互之间有120度相位差。 αβ坐标系:参考图2.10 b , r,’ r,’ , a , c 图2.10 αβ坐标系 根据图2.10有转换矩阵 对于定子电压、电流、磁通都有变换式如下 x,Cx,,s0sabc 1,1/2,1/2，， (2-5) 2,,,1TCC,(),03/2,3/2,,3,,1/21/21/2，，式中，x——表示电压、电流、磁通; 11 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 C——表示系数转换矩阵; 对于该坐标系下的相关变换可参考文献 及文献。 下面给出正弦波永磁同步电机的dq轴数学模型，该模型是分析调速型永磁同步电 机最常用的方法，它不仅可以分析永磁同步电机的稳态性能，也可用于分析瞬态性能。 为建立该模型，首先假设: 忽略电机铁芯的饱和; 不计电机中的涡流损耗和磁滞损耗; 电机中的电流为三相对称正弦波电流; 据此可得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程如下。 d-q旋转坐标系: b , q r,’ ,r,’ k , ,, d , , c 图2.11 d-q旋转坐标系 对电机有电压方程式: ,d,,du,,，Ridqsddt ,dq,,u,,，Riqdsqdt (2-6) ,drd0,，Rirdrddt ,drq0,，Rirqrqdt 磁链方程式: 12 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 ,,Li，Li，Lidddmdrdmdf ,,Li，Liqqqmqrq (2-7) ,,Li，Li，Lirdrdrdmddmdf ,,Li，Lirqrqrqmqq 转矩方程: T,p(,i,,i) (2-8) emdqqd机电运动方程: d,J,T,T,R, (2-9) emL,dt 式中——电压; u i ——电流; ——磁链; , ——定子电阻; Rs d 、——下标，分别表示定子的d、q轴分量; q rd、——下标，分别表示转子的d、q轴分量; rq 、——定转子之间d、q轴互感; LLmqmd 、——定子绕组d、q轴电感; LLqd L、——转子绕组d、q轴电感; Lrqrd i——永磁体的等效励磁电流，不考虑其它影响，其值为常数; f ,——永磁体产生的磁链; f J——转动惯量; ——阻力系数; R, ——负载转矩; TL 对大多数正弦永磁同步电机因转子上不存在阻尼绕组，因而上述方程可转化为: ,dd,,u,,，Ridqsddt (2-l0) ,dqu,，,,，Riqdsqdt ,,Li，Lidddmff (2-l1) ,,Liqqq T,p(,i,,i),p[Lii，(L,L)ii] (2-l2) emdqqdmdfqdqdq 13 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 从式(2-l2)中也可看出，永磁同步电机的力矩输出中包括有两个转矩分量，首项是永磁转矩，次项是由不对称的转子因素所造成的磁阻转矩。对凸极式永磁同步电动TTmr 机来讲，一般情况下有，例如像压缩机类电机，也有少部分电机有，例L,LL,Lqddq如日本质谱公司生产的部分永磁同步直驱电机。在这类情况下，为了充分的利用由于转子不对称的磁路结构所造成的磁阻转矩，针对的情况，应该使电流直轴分量为L,Lqd 负值，也就是去磁，而对于的情况，就应该使电流的直轴分量为正值，也就是L,Ldq 增磁。关于如何才能产生最大的扭矩，这方面的公式求解参考第七章第4节最大扭矩每安培(MTPA)控制策略的公式(7-l6)和公式(7-l7)。 将d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使 d 轴与转子磁场方向重合即可以实现转子磁场定向矢量控制。如按功率不改变这一条件进行约束，经坐标变换后，在dq轴系统中的各个量，磁链、电压、电流就等于三相轴系统(UVW)中 14 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 第三章 永磁同步电机的设计特点及思路 调速永磁同步电动机的应用场合极为广泛，与其配套的传动系统与控制方式也不一样，因而对其技术经济性能的要求大不相同，一般来说对调速永磁同步电动机的主要要求是:调速范围宽，转矩和转速平稳，动态响应快速准确，单位电流转矩大等。 调速永磁同步电动机的设计是与相匹配的功率系统的有关性能密不可分的。设计时，应根据传动系统的应用场合和有关技术指标要求，首先确电动机的控制策略和逆变器的容量，然后根据电机设计的有关知识来设计电动机。下面以正弦波永磁同步电动机为例分析研究调速永磁同步电动机的设计特点。 永磁同步电动机调速传动系统的主要特性是它的调速范围和动态响应性能。调速范围又分为恒转矩调速区和恒功率调速区。而电动机的运行过程可以用工作周期来表示，调速永磁同步电动机的动态响应性能常常以从静止加速到额定转速所需的加速时间t来表示。为了提供足够的加速能力，一般情况下，最大转矩为额定转矩T的3倍左右。 调速永磁同步电动机的具体设计包括以下几大部分:主要尺寸的选择及计算;转子磁路结构的选择;永磁体的设计及计算;定、转子冲片的设计;绕组计算;磁路计算;参数计算;交轴磁化曲线计算;工作特性计算;定位力矩的抑制和低速平稳性的改善;调高永磁同步电动机弱磁括速能力的措施等等。这些在后面的具体设计中会详细的提到。 永磁同步电动机得电磁设计基本方法和普通同步电动机的设计方法有很多相似之处，但也存在不同之处。基本设计思路:由技术要求首先确定转子结构和永磁材料性能，再由电磁负荷(A, B)，确定主要尺寸(Dl)其电磁设计计算 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图3-1所δil ef 示。该方程思路清晰，参数确定和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 调整都很方便，对电机研发人员来说非常习惯，但需要很多经验参数。 15 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 已知或给定设计任务 确定转子结构型式 确定电机基本尺估算A, Bδ 寸D，L 设计定子尺寸 确定磁钢用量，设计转子冲片 磁路计算，空载工点计算 绕组设计 电磁参数计算 工作特性计算，负载工作点计算 设计结果 图3-1 调速永磁同步电动机电磁设计流程 3.1 主要尺寸选择 永磁同步电动机设计与其他交流动电机设计一样，通过电磁计算来确定电机的各个部分几何尺寸，如电动机的主要尺寸、定子冲片尺寸、绕组数据和气隙长度等，还要确定转子磁极结构型式以及永磁材料和尺寸等。 主要尺寸(D和L)、定子冲片尺寸、槽数、槽形尺寸、电枢绕组等都可采用类i1eff 比法参考类似规格的异步电动机初步选定，再进行电磁计算核算。 调速永磁同步电动机的主要尺寸尚可可由所需要的最大转矩和动态响应性能指标确定，为了提高加速能力，一般情况下，最大转矩(又称峰值转矩)T为额定转矩TNmax的2.5倍以上。 下面分析表面凸出式转子磁路结构正弦波永磁同步电动机主要尺寸的设计过程。 16 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 当调速永磁同步电动机最大电磁转矩指标为T时，则最大转矩与电磁负荷和电机max 的主要尺寸有如下关系: ,2-42T= (3-BL DA×101) ,1maxefi14 式中B-------气隙磁密基波幅值(T); 1, A--------定子电负荷(A/cm) ,mNIK11dp1 A= 2p,, 当选定电动机的电磁负荷后，电动机的主要尺寸 4Tmax4 2 L D= 10 (3-2) ，efi12,B,1A 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具体情况为提高电动机效率而加大定子外径或为减小电动机制造成本而缩小定子外径。 调速永磁同步电动机的气隙长度一般由于电动机的不同的用途，其气隙长度的取值也不相同:对采用表面式转子磁路结构的永磁同步电动机，由于转子铁心上的瓦片兴磁极需加以表面固定，其气隙长度不得不做的较大;对采用内置式转子磁路结构的，并要求具有一定的恒功率运行速度范围的永磁同步电动机，则电动机的气隙长度不宜太大，否则将导致电动机的直轴电感过小，弱磁能力不足，无法达到电动机的最高转速。 , 调速永磁同步电动机的杂耗偏大，为了降低杂耗、振动和噪声，其气隙长度(mm)一般要比同规格电励磁式同步电动机要大，比同规格异步电动机大得多，而且随着中心高的增加，气隙长度也随之增加。比一般异步电动机增加20%,30%，或按以下经验公式选取: -2,=4.7D/10 (3-3) p，a 式中 D---------定子内径(cm); a p ---------极对数。 3.2 转子磁路结构的选择 转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。 近年来，外转子永磁同步电动机在一些领域得到了广泛的应用。它的主要优点在于电动机转动惯量比常规永磁同步电动机大，且电枢铁芯直径可以做的较大，从而提高了 17 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 在不稳定负载下电动机的效率和输出功率。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种:表面式、内置式和爪极式。下面主要介绍表面式转子磁路结构。 3.2.1表面式转子磁路结构转子 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极包以无纬玻璃丝带作保护层。有的调速永磁同步电机的永磁磁极用许多矩形小条拼装成磁瓦形，能降低电动机的制造成本。 表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种，对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构;而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。 表面凸出式转子结构 由于其具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。 表面插入式转子结构 这种结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。 总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、制造成本低，应用较为广泛，尤其适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。 3.2.2 RT11新型永磁转子 本人已签约一家生产电梯电机的美资企业，今年已在该公司实习了3个月，对该公司设计的转子结构有所了解。该公司的专利RT11新型永磁转子，在技术方面有四大突破:安装方便、高效、易维护、电压适用范围更宽，能最大限度满足电压波动。众所周知，永磁转子是永磁同步曳引机非常重要的部件之一，而RT11新型永磁转子将极大提升永磁电机的工作效率和安全性，代表了中国永磁电机技术最尖端水平。 目前市场上常见的永磁转子有三种结构: 18 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 第一种是表面瓦状永磁结构的永磁转子，瓦形永磁体均匀分布在圆柱磁轭上。为防止位移，此种结构的永磁体一般采用胶粘方法固定，存在粘结剂老化后永磁体极易松动问题，因此一般都用在转速低，小负荷的永磁电机上。 第二种将瓦状永磁体两侧加工成燕尾状，在永磁体两侧之间设有用非导磁材料制成、用螺钉紧固的压条，利用压条两侧将永磁体压紧。虽然解决了粘结剂老化永磁体易松动的问题，但需要在圆柱磁轭上加工很多螺孔，存在加工工艺复杂、成本较高等缺陷。 第三种在磁轭两端增加加非导磁材料制作的端板，利用端板上的凸缘对永磁体定位。虽然没有加工螺孔的问题，但是，永磁体只能单列使用，永磁体长度有限制，只能用于小功率电机或定转子较短的电机。 针对永磁转子常见的弊病，KDSRT11新型永磁转子,一次性解决了所有问题。据RT11新型永磁转子设计师梁昌勇先生介绍，此项发明的目的在于提供一种制造工艺简单、效率高、瓦状永磁体能牢固地固定在磁轭上，并且，RT11永磁转子长度不受限制，永磁体可以单段，也可多段并列的永磁转子。 其特别之处在于:通过新型结构设计，优化槽定位，切向和径向均不会产生位移，并且，不需要在上面钻较多的孔，所以，结构简单，工作可靠。由于磁轭由冲片叠压而成，燕尾槽的加工是由模具完成，所以，易加工，分度均匀，转子长度不受限制，永磁体可以单列，也可多列 3.2.3本设计转子选择的磁路结构 根据磁路结构选择的原则:当电动机最高转速不是很高时，可选用表面凸出式转子磁路结构;反之，则应选取内置式转子磁路结构。本设计选择表面凸出式转子磁路结构。 3.3 永磁体设计 永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度L、磁化方向长度h和宽度b。MMM永磁体的轴向长度一般与电动机铁心轴向长度相等，因此实际上只有两个永磁尺寸(即h和b)需设计。设计时，应考虑下列因素: M M h的确定应使电动机的直轴电抗X合理。因为h决定X的重要因素，而X又Mad M ad ad 影响电动机的许多性能。 h不能过小。这主要是从两方面考虑:一是h大小应保证电动机主磁路的磁动势M M 平衡;二是永磁体太薄将使其易于退磁。 设计h应使永磁体工作于最佳工作点。因为电动机中永磁体的工作点更大程度上M 取决于永磁体的磁化方向长度h。 M 19 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 为调整电动机的性能，尝尝要调整b，因为b直接决定了永磁体能够提供磁通M M 的面积。 电动机的磁负荷与永磁体的尺寸和电动机的转子磁路结构有关。而磁负荷则决定着电动机的功率密度和损耗。对表面式转子磁路结构的调速永磁同步电动机，其永磁体尺寸可近似地由下式确定: ,r,,0h,M,Br,(3-4) 1, ,,B,,,bM,p,p, ,0式中:------------电动机的计算气隙长度; Br/---------一般取为1.1,1.35。 B, 对内置径向式转子磁路结构的电动机，永磁体尺寸的确定比较复杂，因为它与许多因素都有关，例如，确定永磁体得磁化方向长度时，应考虑它对永磁体工作点的影响，对电动机抗不可逆退磁能力的影响和电动机的弱磁增速能力等。 永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外，还影响着电动机中永磁体得空载漏磁 ，从而也决定了永磁体的利用率。通常内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的系数,0 估算公式为: ,KKbtam0,h,M,,(1,b)m00, (3-5) ,,,,2BL01pef,bM,,,bm0BrK,LM, 式中K--------电动机的饱和系数，其值为1.05,1.3; t K---------与转子结构有关的系数，取值范围为0.7,1.2。 对内置切向式转子磁路结构永磁体尺寸的估算公式为: ,KtKabm02,hM,,,b,m00(1), (3-6) ,,,,BL01pef,bM,,,bm0BrK,LM, 永磁体的磁化方向长度与电动机的气隙长度有着很大的关系，气隙越长，永磁体的磁化方向长度也越长。需要指出的是在正弦波永磁同步电动机中，由永磁体产生的气隙磁密并不是呈正弦波分布，因而设计时必须合理设计电枢绕组以减少转矩脉动。当永磁体产生的气隙磁密接近正弦波，且通过先进的SPWM技术使定子绕组产生的磁动势也接近正弦波时，便可得到低脉动的转矩输出。 20 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 第四章 调速永磁同步电动机电磁设计程序 4.1额定数据和技术要求 除特殊注明外，电磁计算程序中的单位均按目前电机行业电磁计算时习惯使用的 2单位，尺寸以cm(厘米)、面积以cm(平方厘米)、电压以V(伏)、电流以A(安)、功 率和损耗以(瓦)、电阻和电抗以(欧姆)、磁通以Wb(韦伯)、磁密以T(特斯拉)、磁, 场强度以A/cm(安培/厘米)、转矩以N(牛顿)为单位。 额定功率 P=15 KW N 相数 m=3 1 额定线电压 U=380V Nl 额定频率 f=50 Hz N 极对数 p=2 额定效率 =94% ,N 额定功率因数 cos=0.92 ,N ,失步转矩倍数 T=1.8倍 P0N 绕组型式 单层交叉、Y接 3额定相电压 U=U/=219.39 V NNL PN3额定相电流 I=10=26.53A ，NmUN,Ncos,N 额定转速 n=1500r/min N 9.549PN3，10额定转矩 T==95.49 N?m NnN 绝缘等级 B级 4.2 主要尺寸 15.铁芯材料 DW315-50 16.转子磁路结构形式 表面凸出式 -2,17.气隙长度=4.7D/p10 =0.565cm ，a 18.定子外径 D=26cm 1 19.定子内径D=17cm 1i ,20.转子外径 D= D-2=15.87cm 2i1 21 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 21.转子内径D=6cm 12 22.定、转子铁心长度L=L=19cm 12 La,L1,1923.铁心计算长度cm Lef,La，2,,20.13铁心有效长度 cm LFe,KFeLa,0.95，19,18.05净铁心长 cm KFe,0.95式中，铁心叠压系数cm 24(定子槽数 Q1,36 Q36125.定子每极槽数 Qp,,,912P4 Di1,26.极距 cm p,,13.352,2p 27.定子槽形如图所示 h01,0.08b01,0.38b1,0.77r1,0.51h12,1.52,1,30:cm,cm,cm,cm,cm, Ns1,1328.每槽导体数 a1,1 29.并联支路数 36，13QN11sN,1,30.每相绕组串联导体数 ==78 2m1a12，3，1 N1,d1,2,1.2N2,d1i,3,1.25并绕根数-线径 31.绕组线规 32.槽满率 2r，b11,22S,,()h12,h，cm (1)槽面积 r=1.59 122 h,0.2 式中槽楔厚度 cm。 2cm (2)槽绝缘占面积 Si,Ci(2h12，,r1),0.162 Ci,0.035式中槽绝缘厚度 cm。 2cm (3)槽有效面积 Se,S,,Si,(1.59,0.162),1.428 22NNdhNdhsdtid,,(，)，(，)1111212Sf,)槽满率 (4=78.2% Se NNdNN 式中、-----对应于d、导线的双边绝缘厚度。==0.08mm d2d2d11id11 4.3 永磁体计算 33.永磁材料牌号 NTP264H ,IL，，BrB,1，(t,20)(1,)B,1.074134.计算剩磁密度 T rr20,,100100，， 22 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 式中 ---------20?时的剩磁密度，其值为1.15T; Br20 ,1 ------的可逆温度系数,其值为-0.12%; K,BBrr IL-------的不可逆损失率，其值为0%; Br t--------预设工作温度，取值75?。 ,IL，，BrHc35.计算矫顽力 ==817.25KA/m 1，(t,20)(1,)Hc20,,100100，， 式中-----20?时的计算矫顽力，875KA/m Hc20 B,7r2036.相对回复磁导率 ==1.046 式中=H/m 。 4,，10,,0r3,H，10c020 ,r,37.磁化方向长度 ==2.955cm h0MBr-1,0式中:------------电动机的计算气隙长度0.565cm， B, Br /---------取值为1.2 B, 38.宽度 ,,==0.82×13.352=10.95cm , 为极弧系数，取值为0.82 ,bpppM 39.轴向长度 =19cm LM ,(D40.提供每极磁通的截面积 = S,MP2P 23 2011届毕业设计 湖南工程学院 调速永磁同步电动机的电磁设计 24