電動(dòng)車輛用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

1、北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 引 言1.1電動(dòng)車輛發(fā)展背景汽車尾氣的排放對(duì)人類健康和人們生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，再綜合能源問(wèn)題的考慮，于是，具有零排放污染的電動(dòng)汽車重新被重視起來(lái)，各國(guó)都制定了相關(guān)的鼓勵(lì)政策。典型的例子如美國(guó)，1993年9月，美國(guó)政府提出了10年完成的“新一代汽車合作計(jì)劃”(pngv)，由政府牽頭，組織幾十個(gè)公司和機(jī)構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車的規(guī)定目標(biāo)。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動(dòng)汽車的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃1，調(diào)動(dòng)社會(huì)上各種力量參與電動(dòng)汽車的研制。電動(dòng)汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機(jī)、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實(shí)際應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。

2、電動(dòng)汽車是以電為動(dòng)力的汽車，電動(dòng)機(jī)是其主要?jiǎng)恿?lái)源。1.2電動(dòng)汽車分類目前的電動(dòng)汽車分類主要有以下兩種：1） 燃料電池電動(dòng)汽車 初期的電動(dòng)汽車因電池組體積大、續(xù)駛里程短、使用不方便、成本高等缺點(diǎn)，無(wú)法與技術(shù)已經(jīng)成熟的內(nèi)燃機(jī)汽車相比。要想發(fā)展電動(dòng)汽車必須在技術(shù)上解決比能量、比功率、壽命、成本以及研發(fā)經(jīng)費(fèi)等各種難題。到了20世紀(jì)90年代，電動(dòng)汽車技術(shù)有了顯著的進(jìn)步。如燃料電池的比功率從1997年的016kw/kg，提高到2000年的047kw/kg，提高了近3倍。燃料電池，尤其是以氫為原料的質(zhì)子交換膜燃科電池(pemfc)，成了電動(dòng)汽車發(fā)展的希望2。 燃料電池汽車(fuel cellpowered

3、 e1ectric vehicles)實(shí)際上是一種使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軓亩?qū)動(dòng)車輛的汽車，排放物只是沒(méi)有污染并可再利用的水。燃料電池的發(fā)展還有些關(guān)鍵性技術(shù)難題，如催化劑、質(zhì)子交換膜、極板等，這些問(wèn)題都在研究攻關(guān)階段，但不管如何，“氫能”必將引起汽車工業(yè)的革命。1996年，北京舉辦的國(guó)際電動(dòng)汽車及代用燃料汽車展覽會(huì)上，參展的電動(dòng)汽車有福特的ranger電動(dòng)輕卡車，通用的ev1型車，豐田的rav4l型車，psa集團(tuán)的saxo型車，菲亞特的zic等車型，充分展示了電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。此外，還有很多混合動(dòng)力汽車展出。1999年，在日本東京國(guó)際車展上，展出的燃料電池汽車有豐田公司功率為75kw的燃

4、料電池汽車；奔馳公司a級(jí)燃料電池汽車，車內(nèi)空間與內(nèi)燃機(jī)車型相同。功率為50kw，最高速度為150km/h；三菱公司功率為40kw的燃料電池汽車；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料電池汽車的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了號(hào)稱“氫動(dòng)一號(hào)”的燃料電池汽車，應(yīng)用液態(tài)氫驅(qū)動(dòng)燃料電池組，總體積與一臺(tái)普通汽油機(jī)相當(dāng)，功率為80120kw，整車質(zhì)量為1575kg，0100km/h加速時(shí)間僅為12秒，這些指標(biāo)與相應(yīng)的汽油機(jī)汽車基本相當(dāng)。豐田公司最新一輪燃料電池汽車fchv4，輸出功率為90kw，最高時(shí)速150km，續(xù)駛里程250km。 現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出來(lái)的汽車代用燃料還有壓縮天然氣(cng)、液化石

5、油氣(lpg)、甲醇和乙醇等等，這些代用燃料汽車都已投入實(shí)際使用，尤其是壓縮天然氣和液化石油氣汽車使用得更廣泛一些。另外，還有正在研究階段的太陽(yáng)能汽車，以及在設(shè)想中的核能汽車等新能源汽車。但是從資源的角度和現(xiàn)在發(fā)展?fàn)顩r看，電動(dòng)汽車是最具生命力的。隨著社會(huì)的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲(chǔ)存、氫的社會(huì)供應(yīng)等技術(shù)難題會(huì)逐漸解決。各大公司都已建立了電動(dòng)汽車批量生產(chǎn)的總裝配生產(chǎn)線。據(jù)說(shuō)，戴姆勒克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動(dòng)車路試工作已結(jié)束，2002年將投入商業(yè)化生產(chǎn)。估計(jì)到2010年，世界燃料電池汽車的年產(chǎn)量可達(dá)100萬(wàn)輛，占世界汽車總產(chǎn)量的1左右。圖1-1 氫燃料電池車基本工作原理2）混合

6、動(dòng)力汽車 混合動(dòng)力汽車也稱為復(fù)合動(dòng)力汽車(hybrid vehicle)?；旌蟿?dòng)力汽車是兼顧降低燃油消耗和減少排放污染兩種意義而研制的，也就是說(shuō)，是向零排放過(guò)渡的一種形式。一般這種車的動(dòng)力是由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)兩套系統(tǒng)組成的，任何一個(gè)系統(tǒng)都可以單獨(dú)使用，也可以邊走邊充電。正常行駛時(shí)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)需要充電或車輛需要瞬間大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)即投入運(yùn)轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)限定在高效率及排放清潔的范圍內(nèi)運(yùn)行。由于混合動(dòng)力汽車是介于內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的一種形式，成本比電動(dòng)汽車要低得多(見(jiàn)表3)，雖然比發(fā)動(dòng)機(jī)汽車還是高，但技術(shù)上比電動(dòng)汽車要容易實(shí)現(xiàn)得多。由于各國(guó)、各地區(qū)的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，目前已

7、有很多國(guó)家實(shí)際使用了混合動(dòng)力汽車，各大汽車公司都生產(chǎn)和銷售這種車型?；旌蟿?dòng)力轎車中發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接基本上有兩種形式并聯(lián)和混聯(lián)(串聯(lián)與并聯(lián)混合)。在并聯(lián)形式中，電動(dòng)機(jī)與蓄電池都控制在最小范圍內(nèi)，有利于控制成本和質(zhì)量；而混聯(lián)的形式。比較接近電動(dòng)車，所以燃油經(jīng)濟(jì)性較好。日產(chǎn)公司的dino混合動(dòng)力車裝備1.8l 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)和理離子蓄電池，采用并聯(lián)方式聯(lián)接。三菱公司的suw advence混合動(dòng)力車裝備1.5l 77kw直噴汽油機(jī)，與12kw電動(dòng)機(jī)組合一起，并配以鋰離子蓄電池。圖1-2混合動(dòng)力汽車工作原理圖13常見(jiàn)電機(jī)簡(jiǎn)介通常電動(dòng)機(jī)的作功部分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；也有

8、作直線運(yùn)動(dòng)的，稱為直線電動(dòng)機(jī)3。電動(dòng)機(jī)能提供的功率范圍很大，從毫瓦級(jí)到萬(wàn)千瓦級(jí)。電動(dòng)機(jī)的使用和控制非常方便，具有自起動(dòng)、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運(yùn)行要求；電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。圖1-3感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁感線分布示意圖圖1-4感應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組模型各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動(dòng)機(jī)（又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）。它使用方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。大容量低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力機(jī)常用同步電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)同步電機(jī)）。同步電動(dòng)機(jī)不但功率因數(shù)高，

9、而且其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，只決定于電網(wǎng)頻率。工作較穩(wěn)定。在要求寬范圍調(diào)速的場(chǎng)合多用直流電動(dòng)機(jī)4。但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，不適于惡劣環(huán)境。20世紀(jì)70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價(jià)格日益降低，已開(kāi)始得到應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時(shí)運(yùn)行制、斷續(xù)周期運(yùn)行制）下所能承擔(dān)而不至引起電機(jī)過(guò)熱的最大輸出機(jī)械功率稱為它的額定功率，使用時(shí)需注意銘牌上的規(guī)定。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需注意使其負(fù)載的特性與電機(jī)的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械速度變化的要求。一般電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度

10、看，調(diào)速大致可分兩種：保持輸入功率不變。通過(guò)改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐妱?dòng)機(jī)輸入功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖1-5電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理框圖圖1-5燃料電池工作原理示意圖電動(dòng)車不在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒汽油。它使用存儲(chǔ)在電池中的電來(lái)發(fā)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)有時(shí)使用12或24塊電池，有時(shí)則需要更多。正如遠(yuǎn)距離控制的模擬電動(dòng)汽車一樣，電動(dòng)車配有用來(lái)旋轉(zhuǎn)車輪的電發(fā)動(dòng)機(jī)以及使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電池。 電動(dòng)汽車主電動(dòng)機(jī)的特征是：機(jī)殼由機(jī)座內(nèi)襯和機(jī)座外套組成，新型體積小、重量輕，對(duì)電機(jī)的冷卻及時(shí)可靠。 電動(dòng)汽車主電動(dòng)機(jī)，包括端蓋、定子鐵心、轉(zhuǎn)子、定子繞組，其特征在于：機(jī)殼由機(jī)座內(nèi)襯和機(jī)座外套組成，機(jī)

11、座內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)固定定子鐵心。鐵心的冷卻方式采用水冷或者風(fēng)冷，本設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷方式，由固定在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)，所實(shí)現(xiàn)的冷卻較為可靠。第2章 永磁同步電動(dòng)機(jī)概述永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且無(wú)需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。因而它是近年來(lái)研究比較多并在各個(gè)領(lǐng)域中得到原來(lái)越廣泛應(yīng)用的一種電機(jī)。21永磁同步電機(jī)分類永磁同步電機(jī)分類方法主要有：l 按工作主磁場(chǎng)方向分為：徑向磁場(chǎng)式、軸向磁場(chǎng)式；l 按電樞繞組位置可分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常規(guī)式）、外轉(zhuǎn)子式；l 按轉(zhuǎn)子上有無(wú)啟動(dòng)繞組可分為

12、：無(wú)起動(dòng)繞組電動(dòng)機(jī)（用于變頻器供電場(chǎng)合，利用頻率的逐步升高啟動(dòng)，并隨頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)）、有起動(dòng)繞組電動(dòng)機(jī)（既可用于調(diào)速運(yùn)行又可在某一頻率和電壓下利用起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，常稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)）；l 按供電電流可分為：矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)、正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）。 本課題所涉及電動(dòng)機(jī)為徑向磁場(chǎng)、內(nèi)轉(zhuǎn)子式的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用正弦波供電電流。22永磁同步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心可做成實(shí)心或疊片疊壓而成。電樞繞組既

13、有采用集中整距繞組的，也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的。一般來(lái)說(shuō)，矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用整距繞組，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用分布短距繞組。23永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)屬于異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，其磁場(chǎng)系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)永磁體組成，通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，按所需的極數(shù)裝鑲有永磁體的磁極。定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)類似。 當(dāng)定子繞組接通電源后，電動(dòng)機(jī)以異步電動(dòng)機(jī)原理起動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)，加速運(yùn)轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩（由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩合成）將轉(zhuǎn)子牽入同步，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行。永磁同步電機(jī)的定子為三相對(duì)稱

14、繞組，與三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（ndfeb）磁鋼5。驅(qū)動(dòng)器為交-直-交電壓型逆變器，通過(guò)正弦波脈寬調(diào)制（spwm）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度,其中為電動(dòng)機(jī)對(duì)數(shù)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與已充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)并使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線對(duì)齊。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)功率角，負(fù)載愈大，也愈大，直到一個(gè)極限角度m，電動(dòng)機(jī)失步為止。由此可見(jiàn)：同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步。它的靜態(tài)誤差

15、為零；在負(fù)載擾動(dòng)下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)的。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。但是，因?yàn)樗嬖谑Р絾?wèn)題，所以它不適合用于重載下運(yùn)行。又由于它只能在頻率漸升情況下才能啟動(dòng)，所以也不適于快速啟動(dòng)。24永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，具有以下特點(diǎn)：(1) 更高的綜合節(jié)能效果 永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體激磁，無(wú)需勵(lì)磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減?。晦D(zhuǎn)子無(wú)銅耗（三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的2030），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無(wú)風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動(dòng)機(jī)一般比同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)效率可提高28，并且

16、在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更顯著。 (2) 可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動(dòng)態(tài)需求 常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達(dá)要求，需選擇更大容量的異步電動(dòng)機(jī)，而到了正常運(yùn)行狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)則又處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機(jī)設(shè)計(jì)的具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達(dá)3.6倍以上，效率可達(dá)94，功率因數(shù)可達(dá)0.95，既滿足了負(fù)載動(dòng)態(tài)時(shí)大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果6。 (3) 能滿足低速直接驅(qū)動(dòng)的需求 為了提高控制精度、減小振動(dòng)噪聲、杜絕油霧帶來(lái)的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的需求

17、，近年來(lái)對(duì)低速電動(dòng)機(jī)的需求也不斷增長(zhǎng)。如用于電梯拖動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過(guò)曳引輪直接拖動(dòng)轎廂，明顯減小了振動(dòng)和噪聲。又如船用吊艙式電力推進(jìn)器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)置于船艙外的吊艙，無(wú)需原來(lái)的傳動(dòng)系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，實(shí)現(xiàn)船舶的運(yùn)行和控制。這是船舶驅(qū)動(dòng)技術(shù)的又一發(fā)展，國(guó)外自上世紀(jì)九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等7。 (4) 能滿足多極高功率因數(shù)的需求 近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)朝著多極化發(fā)展，多極電機(jī)可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機(jī)體積、減少鐵心用量。多極電機(jī)還顯著減小了定子端部長(zhǎng)度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎

18、廂和井壁間隙的永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子采用60極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)房電梯。若仍用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時(shí)，功率因數(shù)將更低，因此在y型系列電機(jī)中，10極電機(jī)已不多見(jiàn)。而該60極永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高達(dá)0.98，空載、輕載時(shí)甚至可達(dá)1，節(jié)能效果明顯。 (5) 高功率密度的需求 艦船、車輛受體積所限，要求電動(dòng)機(jī)要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于無(wú)需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負(fù)荷，使電機(jī)尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機(jī)，磁負(fù)荷甚至可高達(dá)1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機(jī)的齒槽結(jié)

19、構(gòu)，約束著磁負(fù)荷和電負(fù)荷的關(guān)系，過(guò)高的磁負(fù)荷將減小放置繞組的空間，成為實(shí)現(xiàn)高功率密度的瓶頸。1986年德國(guó)h.weh教授首先提出橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)（transversefluxpmmachinetfm）的設(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。橫向永磁電機(jī)我國(guó)目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。英國(guó)研制的用于艦艇的橫向磁場(chǎng)電機(jī)，功率達(dá)10mw，轉(zhuǎn)速為180r/min。此外橫向磁場(chǎng)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。 (6) 能夠滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求 目前電氣傳動(dòng)技術(shù)已從簡(jiǎn)單的速度控制發(fā)展到運(yùn)動(dòng)軌跡控制。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)

20、機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向矢量變換控制，因此近年來(lái)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高科技設(shè)備的主流。在某些場(chǎng)合，甚至實(shí)現(xiàn)了1000001的調(diào)速范圍和小于12的低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。外國(guó)產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國(guó)內(nèi)所有市場(chǎng)，功率一般為20w15kw。我國(guó)交流伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，尚處在發(fā)展初期。 此外機(jī)械加工設(shè)備的更新，需要各種永磁同步電動(dòng)機(jī)。 第3章 車用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程31電機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù) 本電動(dòng)機(jī)是為滿足一般小型乘用車的使用而設(shè)計(jì)的，完成一般客運(yùn)的功率提供功能，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定功率 ：；額定轉(zhuǎn)速 ：；額定線電壓 ：380v；額定效率 ：；絕緣等級(jí) ：f；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) ：2.6；定子外徑

21、 ：0.26m；定子內(nèi)徑 ：0.17m；氣隙長(zhǎng)度 ：0.065m；轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 ：0.06m；鐵心長(zhǎng)度 ：0.19m；定轉(zhuǎn)子槽數(shù) ：36/32；鐵心材料 ：dw315-50；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式內(nèi)置徑向型。32電機(jī)結(jié)構(gòu)本電機(jī)適用于1.5噸以下車輛，采用徑向磁場(chǎng)、繞組內(nèi)置、w型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，其大致尺寸如下圖：圖3-1本電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸33永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能分析331穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和相量圖正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）與電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來(lái)研究。需要指出的是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小，使得電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反

22、應(yīng)電感，這一點(diǎn)異于電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論可寫出永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程8： （3-1）式中 永磁氣隙基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的每相空載反電動(dòng)勢(shì)有效值（v）； 外施相電壓有效值（v）； 定子相電流有效值（a）； 定子繞組相電阻（）；、直、交軸電樞反應(yīng)電抗（）； 定子漏抗（）； 直軸同步電抗， （3-2）交軸同步電抗， （3-3）、直、交軸電樞電流（a） （3-4） 與的夾角（），稱為內(nèi)功率因數(shù)角，超前時(shí)為正。 由電壓方程可以畫出永磁同步電動(dòng)機(jī)不同情況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的典型相量圖，如下圖所示。圖3-2永磁電機(jī)的幾種典型向量圖其中為氣隙和成基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；為氣隙和

23、成基波磁場(chǎng)直軸分量所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為直軸內(nèi)電動(dòng)勢(shì)；為超前的角度，即功率角，也成為轉(zhuǎn)矩角，這一角度與輸入功率、輸出功率密切相關(guān)；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角9。圖d中所示是直軸增，去磁臨界狀態(tài)（即與相同）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程： （3-5）從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時(shí)的空載反電動(dòng)勢(shì) （3-6） 上式通常用來(lái)判斷所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)是運(yùn)行于增磁狀態(tài)還是運(yùn)行于去磁狀態(tài)。實(shí)際值由永磁體所產(chǎn)生的空載氣隙磁通算出比較與，若前者大于后者，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于去磁工作狀態(tài)，反之將運(yùn)行于增磁工作狀態(tài)。且由上圖可知，要使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于單位功率因數(shù)（圖3-2b）或容性功率因數(shù)狀態(tài)(圖3-2a)，只

24、有設(shè)計(jì)在去磁狀態(tài)時(shí)才能達(dá)到10。332穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能分析計(jì)算 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能包括：效率、功率因數(shù)、輸入功率、電樞電流與輸出功率之間的關(guān)系以及失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等。3321電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性從圖3-2中可得到以下關(guān)系： （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） 從式（3-9）（3-10）中整理得定子電流的直、交軸分量： （3-11） （3-12）定子相電流 （3-13） 而電動(dòng)機(jī)的輸入功率（w）可表示為 （3-14） 忽略定子電阻，由式（3-14）可得電動(dòng)機(jī)的電磁功率（w） (3-15)除以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度，即可得電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（nm） （3-16）式中 電動(dòng)機(jī)的電角速度； 電

25、動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。 （a） （b）圖3-3是永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性曲線。圖3-3（a）為計(jì)算所得的“（電磁轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)矩角”曲線，圖中曲線1為式（16）第一項(xiàng)，即永磁氣隙磁場(chǎng)與定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，又稱永磁轉(zhuǎn)矩；曲線2為式（16）中第二項(xiàng)，既由于電動(dòng)機(jī)d、q軸磁路不對(duì)稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩；曲線3為曲線1與曲線2的合成。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)直軸同步電抗一般小于交軸同步電抗，磁阻轉(zhuǎn)矩為一負(fù)正弦函數(shù)，因而矩角特性曲線上最大之所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩角大于，這是永磁同步電動(dòng)機(jī)一個(gè)值得注意的特點(diǎn)。圖（b）為本同步電動(dòng)機(jī)的“（輸出轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）-轉(zhuǎn)矩角曲線”11。矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值被稱為永

26、磁同步電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)此值則電動(dòng)機(jī)將不再能保持同步轉(zhuǎn)速。最大轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)12。3322工作特性曲線 計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的、和等參數(shù)后，給定一系列不同的轉(zhuǎn)矩角，便可求出相應(yīng)的輸入功率、定子相電流和功率因數(shù)等，然后求出電動(dòng)機(jī)此時(shí)的損耗，便可得到電動(dòng)機(jī)的輸出功率和效率，從而得到電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能與輸出功率之間的關(guān)系曲線。圖3-4本設(shè)計(jì)中平底槽電機(jī)的工作特性曲線（每槽導(dǎo)體數(shù)=5） 由圖3-4可見(jiàn)，輸出功率的不斷增大，要求有更大的輸入功率，即要求有更高的定子相電流提供更強(qiáng)的磁場(chǎng)。同時(shí)也可看到，在低功率運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)是很低的。電動(dòng)機(jī)的

27、工作曲線圖是電動(dòng)機(jī)的工作性能重要體現(xiàn)。333損耗分析計(jì)算 永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗包括下列四項(xiàng)3331定子繞組電阻損耗 常規(guī)計(jì)算公式： （3-17）3332鐵心損耗 永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗不僅與電動(dòng)機(jī)所采用的硅鋼片材料有關(guān)，而且隨電動(dòng)機(jī)的工作溫度、負(fù)載大小的改變而變化。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)溫度和負(fù)載的變化導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中永磁體體工作點(diǎn)改變，定子齒、軛部磁密也隨之變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)的鐵耗。工作溫度越高，負(fù)載越大，定子齒、軛部的磁密越小，電動(dòng)機(jī)的鐵耗就越小14。永磁同步電動(dòng)機(jī)鐵耗的準(zhǔn)確計(jì)算非常困難。這是因?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)定子齒、軛磁密飽和嚴(yán)重，且磁通諧波含量非常豐富的緣故。工程上常采用與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)鐵

28、耗計(jì)算類似的公式，然后根據(jù)試驗(yàn)值進(jìn)行修正。永磁同步電動(dòng)機(jī)在某負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，從相量圖中可求出其氣隙基波合成電動(dòng)勢(shì)（v） （3-18）氣隙合成磁通（wb） （3-19）其中 電源頻率（hz）； 繞組因數(shù)； n定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)。由不難求出定子齒、軛部磁密，進(jìn)而求出電動(dòng)機(jī)的鐵耗。3333機(jī)械損耗 永磁體同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗與其它電機(jī)一樣，可根據(jù)實(shí)測(cè)值或參考其它電機(jī)機(jī)械損耗的計(jì)算方法。3334雜散損耗 永磁同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗目前沒(méi)有還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確實(shí)用的計(jì)算公式，一般取根據(jù)具體情況和經(jīng)驗(yàn)取定。 隨著負(fù)載的增加，電動(dòng)機(jī)電流隨之增大，雜散損耗近似隨電流的平方關(guān)系增大。當(dāng)定子相電流為時(shí)電

29、動(dòng)機(jī)的雜散損耗（w）可用下式近似計(jì)算： 其中 電動(dòng)機(jī)額定相電流（a）； 電動(dòng)機(jī)輸出額定功率時(shí)的雜散損耗（w）。34 磁路分析與計(jì)算341 磁路計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)磁路計(jì)算時(shí)，一般采用通常的電機(jī)磁路的磁位差計(jì)算方法。永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形如圖3-4所示。圖3-5永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密波形1-氣隙磁密 2-基波 3-三次諧波 4-五次諧波圖3-4為永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)氣隙磁密波形（不涉及定子槽開(kāi)口時(shí)）。圖中永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形基本上為一平頂波，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形相差較大，而與直流電機(jī)的空載氣隙磁密波形相似。磁路計(jì)算時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形可近似簡(jiǎn)化

30、為圖3-5所示的矩形波15。圖3-6永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密近似波形圖3-7內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)3411計(jì)算極弧系數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式不同，其極弧系數(shù)和計(jì)算極弧系數(shù)的計(jì)算公式也不同。對(duì)采用圖3-6轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)電磁場(chǎng)計(jì)算個(gè)氣隙磁密波形分析，存在如下關(guān)系： （3-20） （3-21）式中 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)； 電動(dòng)機(jī)定子極距（cm）； 氣隙長(zhǎng)度（cm）。3412氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)如圖3-5所示，經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解后，可得到永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密基波幅值（t） （3-22）因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形系數(shù) （3-23）永磁同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)永磁體提供

31、的氣隙磁通（wb） （3-24）式中 永磁體提供每級(jí)磁通的面積（）；空載時(shí)永磁體提供的氣隙基波磁通（wb） （3-25）式中 電樞計(jì)算長(zhǎng)度（cm）。因此，電機(jī)基波磁通與氣隙總磁通之比，即永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通的波形系數(shù) （3-26）由式（3-26）可知，的大小影響氣隙基波磁通與氣隙總磁通的比值，即影響永磁材料的利用率。342 永磁體工作點(diǎn)的計(jì)算3421空載和負(fù)載工作點(diǎn)的計(jì)算特點(diǎn) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)包括：徑向式、切向式和混合式。本設(shè)計(jì)采取徑向式結(jié)構(gòu)。永磁體磁動(dòng)勢(shì)源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì) （3-27）永磁體虛擬內(nèi)稟磁通 （3-28） 式中 ，在工作溫度下永磁材料的計(jì)算剩磁密度和計(jì)算矯頑力。 為經(jīng)磁

32、路計(jì)算所得的電動(dòng)機(jī)每對(duì)極主磁路的總磁位差（a），其值為 （3-29）式中 、分別為電動(dòng)機(jī)每對(duì)極的氣隙、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛等部位的磁位差（a）。 永磁同步電動(dòng)機(jī)直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)（a/極） （3-30）則其作用于永磁體的去磁磁動(dòng)勢(shì)標(biāo)么值 （3-31）式中 電機(jī)直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)。將上述式（3-27）至式（3-31）進(jìn)行迭代計(jì)算（在迭代計(jì)算中具體論述）即得到永磁體工作點(diǎn)。35永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算和分析351空載反電動(dòng)勢(shì)空載反電動(dòng)勢(shì)時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)一個(gè)非常重要的參數(shù)。（v）由電動(dòng)機(jī)中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生，其值為 （3-32）的大小不僅決定了電動(dòng)機(jī)是運(yùn)行于去磁

33、狀態(tài)還是增磁狀態(tài)，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能有很大的影響。合理設(shè)計(jì)可降低定子電流，提高電動(dòng)機(jī)效率，降低電動(dòng)機(jī)的溫升。352交、直軸電樞反應(yīng)電抗對(duì)于一臺(tái)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)直軸電流從0.005增大到時(shí)，其直軸電樞反應(yīng)電抗從33.0增至35.0；而交軸電流從0.008增大到時(shí)，交軸電樞反應(yīng)電抗從124.4降至89.7?？梢?jiàn)，在計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)的交、直軸電抗時(shí)，可不考慮的非線性，但必須考慮交軸磁路的飽和對(duì)的影響。考慮交軸磁路飽和時(shí)需迭代求解，其步驟在迭代計(jì)算部分中具體闡述。353交、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù) 交、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)和反映了電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對(duì)電動(dòng)

34、機(jī)電樞反應(yīng)電抗和的影響。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，電動(dòng)機(jī)的交、直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)也各有差別。由定義有：，?？捎墒剑?-23）得到，、為電動(dòng)機(jī)交、直軸電樞反應(yīng)磁密的波形系數(shù)。 對(duì)本設(shè)計(jì)，可取=1，因而其直、交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)為 （3-33）或者由經(jīng)驗(yàn)給出。本設(shè)計(jì)中取=1，=0.36。3.6異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)用于要求高效的場(chǎng)合，因而對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求主要是效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)品質(zhì)因數(shù)（）高和單位功率的永磁體用量省等。361主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的選擇異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與普通電動(dòng)機(jī)的主要尺寸一樣，包括定子沖片內(nèi)徑和電樞計(jì)算長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，異步起動(dòng)永

35、磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)可能有以下三種情況：1）替代原來(lái)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或原有性能較差的永磁同步電動(dòng)機(jī)。在這種情況下，待設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)一般要求與原來(lái)電動(dòng)機(jī)同中心高，顧客在原來(lái)電動(dòng)機(jī)主要尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步的估算，然后再調(diào)整設(shè)計(jì)，直至電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成功。2）要求待設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接利用某特定的定子沖片，以提高電動(dòng)機(jī)定子沖片的通用性和縮短電動(dòng)機(jī)的研制周期。在這種情況下，由給定的定子沖片既可知道定子沖片內(nèi)徑，再由電動(dòng)機(jī)的功率和電機(jī)常數(shù)選擇電樞計(jì)算長(zhǎng)度。3）僅給定電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，而無(wú)其它限制。此時(shí)選擇電動(dòng)機(jī)主要尺寸的自由度要比前兩種情況大得多。根據(jù)預(yù)估的電磁負(fù)荷，由電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速可選定電動(dòng)機(jī)的，然

36、后憑經(jīng)驗(yàn)選取一定的主要尺寸比，得出電動(dòng)機(jī)的主要尺寸。一般來(lái)說(shuō)，如無(wú)其它限制，電動(dòng)機(jī)的主要尺寸比應(yīng)選小一點(diǎn)，以便于在轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置更多的永磁材料。永磁同步電動(dòng)機(jī)為減小過(guò)大的雜散損耗，降低電動(dòng)機(jī)的震動(dòng)與噪聲和便于電動(dòng)機(jī)的裝配，其氣隙長(zhǎng)度一般要比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大。且電動(dòng)機(jī)中心高度越大，永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大得也越多。362永磁體設(shè)計(jì)永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度、磁化方向長(zhǎng)度和寬度。永磁體的軸向長(zhǎng)度一般取得與電動(dòng)機(jī)鐵心軸向長(zhǎng)度相等或稍小于鐵心軸向長(zhǎng)度，因此實(shí)際上只有兩個(gè)永磁體尺寸（即和）需設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮下列因素：1）的確定應(yīng)是電動(dòng)機(jī)的直軸電抗。因?yàn)槭菦Q定的一個(gè)

37、重要因素，而又影響電動(dòng)機(jī)的許多性能。2）不能過(guò)薄。這主要是從兩方面考慮：一是將導(dǎo)致永磁體生產(chǎn)的廢品率上升，永磁體成本提高，且使用磁體不易運(yùn)輸和裝配；二是永磁體太薄將使其易于退磁。3）設(shè)計(jì)應(yīng)使永磁體工作與最佳工作點(diǎn)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)中永磁體的工作點(diǎn)更大程度上取決于永磁體的磁化方向長(zhǎng)度。4）為調(diào)整電動(dòng)機(jī)的性能，常常要調(diào)整，因?yàn)橹苯記Q定了永磁體能夠提供磁通的面積。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)磁負(fù)荷較高時(shí)，應(yīng)選擇能安裝更多永磁體，也就是能安裝更大的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。永磁體尺寸除影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能外，還影響著電動(dòng)機(jī)中永磁體的空載漏磁系數(shù)，從而也決定了永磁體的利用率。計(jì)算結(jié)果表明，永磁體尺寸越大，越小。經(jīng)過(guò)一些列推導(dǎo)，可得內(nèi)置徑

38、向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁體尺寸的預(yù)估公式為 （3-34）式中 電動(dòng)機(jī)的飽和系數(shù)，其值可取1.05-1.3； 與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，其取值范圍為0.7-1.2。363電樞繞組設(shè)計(jì) 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組可采用與普通交流電動(dòng)機(jī)一樣的三相繞組。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體勵(lì)磁，氣隙磁場(chǎng)諧波較多，使電動(dòng)式中的諧波也較多。因此，為設(shè)計(jì)高性能的電動(dòng)機(jī)，必須在繞組設(shè)計(jì)上采取一定的措施。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用y接的雙層短距繞組以避免電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生環(huán)流，并削弱電動(dòng)式諧波。永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組匝數(shù)和線規(guī)可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷、定子槽形尺寸和槽滿率的限制來(lái)確定。37異步啟動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的迭代計(jì)算371

39、迭代計(jì)算一般方法迭代法也稱輾轉(zhuǎn)法，是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過(guò)程,跟迭代法相對(duì)應(yīng)的是直接法（或者稱為一次解法），即一次性解決問(wèn)題。迭代法又分為精確迭代和近似迭代?！岸址ā焙汀芭ｎD迭代法”屬于近似迭代法。迭代算法是用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一種基本方法。它利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點(diǎn)，讓計(jì)算機(jī)對(duì)一組指令（或一定步驟）進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，在每次執(zhí)行這組指令（或這些步驟）時(shí)，都從變量的原值推出它的一個(gè)新值。 利用迭代算法解決問(wèn)題，需要做好以下三個(gè)方面的工作： 1）確定迭代變量。在可以用迭代算法解決的問(wèn)題中，至少存在一個(gè)直接或間接地不斷由舊值遞推出新值的變量，這個(gè)變量就是迭代變量。 2）建立

40、迭代關(guān)系式。所謂迭代關(guān)系式，指如何從變量的前一個(gè)值推出其下一個(gè)值的公式（或關(guān)系）。迭代關(guān)系式的建立是解決迭代問(wèn)題的關(guān)鍵，通?？梢允褂眠f推或倒推的方法來(lái)完成。 3）對(duì)迭代過(guò)程進(jìn)行控制。在什么時(shí)候結(jié)束迭代過(guò)程？這是編寫迭代程序必須考慮的問(wèn)題。不能讓迭代過(guò)程無(wú)休止地重復(fù)執(zhí)行下去。迭代過(guò)程的控制通?？煞譃閮煞N情況：一種是所需的迭代次數(shù)是個(gè)確定的值，可以計(jì)算出來(lái)；另一種是所需的迭代次數(shù)無(wú)法確定。對(duì)于前一種情況，可以構(gòu)建一個(gè)固定次數(shù)的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)迭代過(guò)程的控制；對(duì)于后一種情況，需要進(jìn)一步分析出用來(lái)結(jié)束迭代過(guò)程的條件。下面我們使用上述方法對(duì)有關(guān)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的三個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行迭代計(jì)算。372異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)

41、設(shè)計(jì)中的涉及的三個(gè)迭代過(guò)程3721空載永磁體工作點(diǎn)的確定永磁體空載工作點(diǎn)的標(biāo)么值為，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)過(guò)程中占有重要地位，影響著電機(jī)的多種性能。在標(biāo)么值表示情況下，退磁曲線可用解析式表達(dá)。圖3-8退磁曲線及永磁體工作點(diǎn)示意圖電機(jī)空載時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)的標(biāo)么值=0，有 （3-35）式中 空載時(shí)用瓷體向外磁路提供的總磁通的標(biāo)么值； 空載時(shí)永磁體向外磁路提供的磁動(dòng)勢(shì)的標(biāo)么值。外磁路的有關(guān)各參數(shù)可表示為 （3-36）式中 主磁導(dǎo)標(biāo)么值； 漏磁導(dǎo)標(biāo)么值； 合成磁導(dǎo)標(biāo)么值； 空載漏磁系數(shù)。解得 （3-37）從而得出空載永磁體工作點(diǎn)（，）。以上是線性等效磁路下的工作點(diǎn)計(jì)算，但通常情況下永磁電機(jī)的磁路是飽和的，不是常數(shù)

42、。尤其是磁路飽和程度比較高時(shí)，空載、額定工況和最大去磁時(shí)的隨飽和程度不同而變化較大，而且與相互制約，此時(shí)就需要運(yùn)用迭代方法求解。圖3-9計(jì)算框圖圖3-8以框圖的形式給出了的迭代計(jì)算過(guò)程，具體的計(jì)算過(guò)程如下：1）假設(shè)2）計(jì)算此時(shí)空載主磁通 （3-38）3）氣隙磁密 （3-39）4）氣隙磁位差 直軸磁路 （3-40） 交軸磁路 （3-41）式中 永磁體延磁化方向與永磁體槽間的間隙。5）每對(duì)極總磁位差 （3-42）其中各項(xiàng)計(jì)算見(jiàn)計(jì)算書。6）主磁導(dǎo) （3-43）7）主磁導(dǎo)標(biāo)么值 （3-44）8）外磁路總磁導(dǎo)標(biāo)么值 （3-45）式中 空載漏磁系數(shù)。9）漏磁導(dǎo)標(biāo)么值 （3-46）10）永磁體工作點(diǎn) （3-

43、47）11）比較并確定誤差，當(dāng)計(jì)算值與假設(shè)值之間誤差超過(guò)1%，則應(yīng)回到步驟1）重新設(shè)定，重復(fù)上述計(jì)算步驟。 本設(shè)計(jì)中的計(jì)算由計(jì)算機(jī)程序完成， 其中運(yùn)用的c語(yǔ)言語(yǔ)句如下：printf(請(qǐng)輸入bm0的估計(jì)值(0.110); /*輸入工作點(diǎn)估計(jì)值*/ scanf(%f,&b_m0); /*賦值給變量b_m0*/while(true) /*計(jì)算*/if(bm0=b_m0)mi_b_m=bm0-b_m0; /*比較二者誤差*/else mi_b_m=b_m0-bm0;b_m0_=b_m0/100;if(mi_b_mb_m0_) /*當(dāng)誤差大于1%時(shí)*/b_m0=bm0; /*將求得bm0回代到計(jì)算過(guò)程*

44、/continue; else printf(經(jīng)迭代,bm0=%fn,bm0);fprintf(fp,經(jīng)迭代,bm0=%fn,bm0); goto c; 其中“”部分表示上述步驟2）到步驟10）的計(jì)算過(guò)程。3722交軸電樞反應(yīng)電抗的計(jì)算對(duì)的計(jì)算，同的計(jì)算相似，由于在交軸磁路飽和時(shí)的是非線性的，而由式（3-12）及式 （3-48）可知與使相互制約的，從而得到如下迭代計(jì)算方法：1）給定某一轉(zhuǎn)矩角；2）假設(shè)交軸電流分量，則交軸電樞磁動(dòng)勢(shì) （3-49）式中 交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)。3）由求交軸氣隙基波磁通根據(jù)由預(yù)先算得的交軸-曲線查取相應(yīng)的；4）由求出交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （3-50）5）計(jì)算 （3-5

45、1）式中 定子漏抗。6）代入（3-12）求出交軸電流分量；7）比較和，重復(fù)進(jìn)行步驟2）到步驟6）。本設(shè)計(jì)中所得-曲線如圖圖3-10-曲線圖在程序中所用到的語(yǔ)句如下：printf(請(qǐng)輸入交軸電流預(yù)估值i_q:(如20.00); scanf(%f,&i_q); /*輸入的預(yù)估值*/for(i=0;iiqi) if(i_qiqi+1) xaq_=xaqi+(xaqi+1-xaqi)*(i_q-iqi)/(iqi+1-iqi); break; else continue; else continue; /*根據(jù)輸入的在-曲線中查找xaq*/for(i=0;i0.01) i_q=iq_i; contin

46、ue; /*比較二者，如果誤差超過(guò)1%，將計(jì)算值回代重新計(jì)算*/ else break; /*如果誤差在允許范圍內(nèi)，停止迭代*/3723起動(dòng)電流的求解 起動(dòng)電流的求解與很多因素相制約，其中比較重要的是啟動(dòng)總阻抗。由于其過(guò)程比較復(fù)雜且與前述兩個(gè)迭代過(guò)程在原理上比較相似，在論文正文中不再贅述，具體計(jì)算和迭代過(guò)程可見(jiàn)計(jì)算書。38起動(dòng)電流過(guò)大的原因分析通過(guò)對(duì)起動(dòng)電流的計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)過(guò)程中，最初的電流通常會(huì)超過(guò)額定電流很多，所得起動(dòng)電流倍數(shù)為。圖3-11某電動(dòng)機(jī)相電流隨時(shí)間變化曲線在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，與變壓器二次側(cè)短路的情況相似，定子與轉(zhuǎn)子之間無(wú)電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系。在電動(dòng)

47、機(jī)接通的一瞬間，轉(zhuǎn)子因慣性還未轉(zhuǎn)起來(lái)，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)則以最大的切割速度切割轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出很高的電勢(shì)，因而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流過(guò)很大的電流。這一電流產(chǎn)生抵消定子磁場(chǎng)的磁通，就像變壓器二次磁通要抵消一次磁通的作用一樣。而定子為了維持與當(dāng)時(shí)電源電壓相適應(yīng)的原有磁通，就自動(dòng)增加電流，因此轉(zhuǎn)子與定子的電流都大大增加，甚至高達(dá)額定電流的7倍以上，這就是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大的原因。起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，定子磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度減小，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電熱和電流都減小，同時(shí)定子電流中用來(lái)抵消轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通影響的那一部分電流也相應(yīng)減小。所以，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，定子中的電流就從起動(dòng)電流逐步恢