永磁電機最終

1、磁極結構永磁直流電機永磁無刷直流電機永磁同步電 機永磁同步發(fā) 電機有無 凹槽小部分有大部分有內置式有，表 面式無有有無 極靴大部分有部分有一般沒有部分有充磁 方向圓周方向、平 行充磁或徑向 充磁圓周方向、平行充 磁或徑向充磁圓周方向或 徑向圓周方向、平 行充磁、徑向充磁永磁 體形 狀弧形、矩形、 長棒形、圓筒 形、瓦片形等弧形、長棒形、圓 筒形、瓦片形弧形、長棒 形、瓦片形等環(huán)形、星形、 瓦片形、矩形等磁極 結構圓形、方形圓形圓形圓形內置 式大部分有有有表面 式少數(shù)有有有1.永磁直流電機根據(jù)所用永磁材料的不同，將永磁直流電動機的磁極結構分為以下 4類：鋁 鎳鉆永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動

2、機、稀土永磁直流電動機、復合磁極 永磁直流電動機鋁鎳鉆永磁直 流電機鐵氧體永磁直 流電動機稀土永磁直 流電動機復合磁極永磁 直流電動機有無凹槽部分有一般沒有一般沒有一般沒有有無極靴大部分有部分有部分有一般沒有充磁方向圓周方向或徑 向圓周方向圓周方向圓周方向永磁體形 狀弧形、矩形、 長棒形、圓筒 形矩形、筒形、瓦 片形瓦片形、長棒 形瓦片形磁極結構圓形、方形圓形、方形圓形、方形圓形1.1鋁鎳鉆永磁直流電動機的磁極結構鋁鎳鉆永磁直流電動機的主要磁極結構如圖 1所示，其中（a）為兩極結構， 采用弧形永磁體，沿圓弧方向充磁，兩塊永磁體并聯(lián)提供每極磁通，屬于并聯(lián)式 磁路結構；（b）與（ a）基本相同，不

3、同之處是結構（b）的幾何中性線位置開了 凹槽，以削弱該位置的磁場，改善換向；（C）為多極結構，為便于永磁體的制造 和充磁，采用矩形永磁體，圓周方向充磁；圖（d）采用長棒形永磁體，沿徑向 充磁；圖（e）采用圓筒形磁極，圓周方向充磁。/5/ '、XKJ/丿TJ-亠弋、耳可1-永磁體 2- 電樞3- 機殼 4- 極靴圖1鋁鉆鎳永磁直流電動機的磁極結構1.2鐵氧體永磁直流電動機的磁極結構鐵氧體永磁直流電動機的磁極結構如圖 2所示，其中（a）為瓦片形磁極結 構，永磁體直接面對空氣隙，電樞反應直接作用在永磁體上，且氣隙磁密低，適 合于對氣隙磁密和電機體積要求不高的場合，設計不當會出現(xiàn)不可逆退磁；（

4、b）在永磁體上安裝軟鐵極靴，交軸電樞反應沿極靴方向閉合， 對永磁體影響小，此 外極靴還有聚磁作用，可以產生較高的氣隙磁密，有利于減小電機體積和重量；（C）為整體圓筒形磁極，可以充為一對極或多對極，結構簡單，加工和裝配方 便，便于大量生產，但極間的部分永磁材料作用很小，材料利用率低，但圓筒形 永磁體較難制成各向異性，磁性能較差；（d）為方形結構采用矩形永磁體和聚磁 極靴，與（b）相同。逅fa)1-永磁體 2- 電樞3- 機殼 4- 極靴圖2鐵氧體永磁直流電動機的磁極結構1.3稀土永磁直流電動機的磁極結構稀土永磁的特點是矯頑力高、剩磁密度高，在磁極結構上可以做成磁極面積 和磁化長度均很小的結構形狀

5、，通常做成瓦片形，如圖 3（ a）所示。在對體積 重量要求很高的場合，可采用如（b）所示聚磁結構。1-永磁體 2- 電樞3- 機殼4- 極靴圖3永磁直流電動機的磁極結構1.4永磁直流電動機的復合磁極結構在直流電動機中，電樞反應磁動勢對前半極增磁，對后半極去磁。對于單向 旋轉的永磁直流電動機，前半極的全部或部分采用性能較低而價格便宜的材料， 如鐵氧體永磁或者實用軟件；后半極采用高性能的永磁材料，如釹鐵硼永磁，就 是所謂的復合磁極結構，如圖4所示。復合磁極的優(yōu)點是：可以保證電機性能的 前提下減少永磁材料用量，降低成本，還可使電動機具有復勵性質。Ia O1-主極；2輔助極；3電樞；4 機殼圖4復合磁

6、極結構2.永磁無刷直流電機永磁無刷直流電動機中，主磁場由轉子上的永磁體產生，常見的轉子結構如 圖5所示。圖（a）中兩片永磁體形成轉子 N極，通過轉子鐵心的凸極形成兩個 S極。 該結構可使永磁轉子所需的永磁體片數(shù)減少一半， 但凸極結構會使定子繞組電感 隨轉子位置而變化，產生附加的磁阻轉矩。但此結構的電樞反應磁圖（b）中的永磁體切向充磁，可獲得較大的氣隙磁密，使用鐵氧體永磁時 多采用此結構，既能降低成本又能獲得較高的氣隙磁密。 場較強，會引起氣隙磁場畸變。圖（C）中轉子永磁磁極之間為鐵心，運行時產生一附加磁阻轉矩，通過合 理設計可以使該磁阻轉矩為有用的驅動轉矩，提高電機的功率密度。對于多磁極永磁無

7、刷直流電動機，轉子多采用圖（d）所示的結構，雖然其 磁性能較低，但結構簡單、工藝性好、成本低。圖（e）、（f）、（g）所示轉子結構中的永磁體均為表面安裝，且一般為平行充 磁，永磁體直接面對氣隙，氣隙磁場較強。由于永磁材料磁導率低，所以定子繞 組電感較小，電樞反應磁場較弱，對永磁無刷直流電動機的運行有利。OS11； Ifl:卩M* T % tidci V JOO5NvJf&圖5永磁無刷直流電機轉子結構0： iMfl43.永磁同步電機永磁同步電動機的永磁體放置在轉子上，其放置的方式影響到氣隙磁通、漏 磁乃至電機的性能。根據(jù)永磁體放置的位置不同，分為表面式和內置式兩種轉子 磁極結構。3.1表

8、面式轉子結構3.1.1 結構表面式轉子結構如圖6所示，永磁體用高強度非導磁圈固定在籠型轉子的外 部，磁極之間用填充物填充。oI *歹訐,()J：1 鐵芯；2永磁體；3導條；4護環(huán)；5極間填充物；6軸圖6表面式轉子結構3.1.2 特點磁極之間可以用非導磁材料，如樹脂、鋁、銅等填充，也可以用導磁材料填 充。若采用非導磁材料填充，則交直軸磁路對稱，屬于隱極電機；若采用導磁材 料，則交軸磁阻小于直軸磁阻，為凸極電機，可以利用凸極效應產生的磁阻轉矩 提高過載能力。當極數(shù)較少時，每極永磁體圓弧角度較大，材料利用率低、加工 困難，可以采用拼塊式結構，由多塊永磁體拼成整個磁極。表面式轉子結構的缺點是：導條在轉

9、子內部，產生的異步轉矩較小，僅適合 于對起動性要求不高的場合。3.2內置式轉子結構3.2.1 結構在內置式轉子結構中，永磁體位于導條和鐵心軸孔之間的鐵心中。根據(jù)一對 極永磁體的磁路關系，內置式轉子結構可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和串并聯(lián)混合式。在并聯(lián)式磁路結構中，相鄰兩磁極的永磁體并聯(lián)提供每極磁通， 如圖7所示, 圖（a）采用非磁性軸隔磁，而圖（b）采用空氣槽隔磁，可使用磁性軸。圖（C） 是并聯(lián)式磁路結構，主要適用于磁性能較低的永磁材料， 如鐵氧體，其缺點是電 機正反轉時電樞反應程度不同，造成運行性能的不同，目前該結構已很少應用。-VIn1鐵芯；2永磁體；3導條；4空氣槽；5軸圖7并聯(lián)式轉子結構串聯(lián)式

10、磁路結構如圖所示，兩個磁極的永磁體串聯(lián)，每極磁通由一個磁極的 永磁體面積提供，磁動勢由一對磁極的永磁體提供。 其優(yōu)點是轉子軸不需要采用 非導磁材料。其中圖8（a為早期結構，目前不再采用；圖（b）放置永磁體少;圖（c）、d）、（e）的每極分別為字母“U” V、W勺形狀，分別稱為” U、 V、W 結構，它們的優(yōu)點是可以放置較多的永磁體，每極磁通大，缺點是加工工藝復雜。 每當極數(shù)較多時，在圖（C）、（d）、（e）中，徑向磁化的永磁體放置空間很小， 且影響切向磁化永磁體的放置空間，此時往往采用圖（a）（ b）所示的并聯(lián)式磁 路結構。圖（f）、（g）也是相鄰兩極磁路串聯(lián)，可以歸入這一類，其優(yōu)點是結構 簡

11、單。0-id II0ch)；1?對1鐵芯；2永磁體；3導條；4空氣槽；5軸圖8串聯(lián)式磁路結構混合式磁路結構是從串聯(lián)式磁路結構演化而成的，將圖9（ C）（ e）中相鄰磁極中切向磁化的兩塊永磁體并在一起，就變成了圖（a）（ b）所示混合式磁路 結構。與圖（C）（e）相比，混合式磁路結構轉子的結構簡單，加工更方便，切 向磁化永磁體的厚度為徑向磁化永磁體厚度的 2倍。其特點與” U " V” ” W吉 構基本相同，也不適用于極數(shù)多的場合。1鐵芯；2永磁體；3導條；4空氣槽；5軸圖9混合式磁路結構3.2.2 內置式、表面式結構的特點及對比1）特點通常交軸磁阻小于直軸磁阻，轉子磁路不對稱，所產生

12、的磁阻轉矩有助于提 高過載能力和轉矩密度。表面式轉子結構永磁體采用非磁性圓筒或無煒玻璃絲帶 固定在籠型轉子的外部，但由于導條在轉子內部，產生的異步轉矩較小，不適合對 起動性能要求較高的場合；在內置式轉子磁路結構中，永磁體通常位于轉子導條和 軸之間的鐵心中，籠型轉子直接面向氣隙，這樣起動性能好，廣泛應用于要求起動 性能好的場合中。內置式結構的缺點是漏磁大，需要采取一定的隔磁措施，轉子 機械強度差。2）對比兩種電機的二維模型如圖10所示。電機的基本參數(shù)如表1所示永磁同步電 機i疇 II a*I三W.=工1 I-J'j*，-'% "7和內賢式鐵就杵浪嵐鉛枸b）壷面式欽恢刪朮

13、戲蜻構圖10電機二維模型表1電機基本參數(shù)遲f供心仲命nmn+祚疋快心rtf外iimmm玄麹疋于鮎ti24如組ffl導匕數(shù)390龜疋 Ky：rniih'K門&倉內卅川】m1041兩種結構永磁電機的空載氣隙磁密諧波幅值占基波百分比如圖11所示。不同結構的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密波形正弦畸變率、齒槽轉矩的對比如表2所示。i于皺武ft987654321憶詁一eo 70 -60 -50 -40' '30 -20 -10 -J-T10 20 30I 40 RD fin 7(1' 80 90 TOOi鈕眥益a）內買式詼領詐永磁結肉圖11諧波幅值占基波百分比 表2兩種電機

14、性能對比1.273H.917.9氣晾厳常波解正戲瞼變豐/%U.04永iS體表貼式/K礪怵內S式弱礎擴連能力酣依抗去輕能丹龜強無有氣除砲帝略低磴俸川雖(b)4.永磁同步發(fā)電機磁極介紹4.1切向式轉子磁路結構4.1.1 結構切向式轉子磁路結構由于永磁體和極靴的固定方式不同， 式結構（圖12）和切向槽楔式結構（圖13）。4.1.2 特點切向式轉子磁路結構中，永磁體的磁化方向和氣隙磁通軸線接近垂直且離氣 隙較遠，其漏磁比軸向式結構和徑向式結構要大。但是，在切向式結構中永磁體并聯(lián)作用，有兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多情況下更為突出。因此適合于極數(shù)多且要求氣隙磁密高的永磁

15、同步發(fā)電 機。通常分為切向套環(huán)1極靴2査環(huán)的礙性材料段 3g環(huán)的非磁性材:W段4一墊片 5未磁體6非碣性襯S7轉軸圖12切向套環(huán)式結構w£31-檄毗2朮遜休3tft艮4-If ffin襯女5-轉軸圖13切向槽楔式結構4.2徑向式轉子磁路結構4.2.1 結構徑向式轉子磁路結構中永磁體的形狀主要有環(huán)形、星形、瓦片形和矩形四種。環(huán)形永磁體（圖14）的結構和工藝最為簡單，但永磁材料的利用率不高。目 前主要應用于微型和小功率發(fā)電機。星形永磁體提高了永磁材料的利用率結構和工藝較為簡單，但由于極間漏磁較大，充磁比較困難，容易造成永磁體的不均勻磁化，而且永磁體的形狀復雜， 永磁材料的磁性能同樣偏低，

16、因而發(fā)電機的容量容易受到限制。 徑向星形永磁體 轉子磁路結構又可分為無極靴和有極靴兩種（圖15 a和b）0為在盡可能小的轉子直徑中放置盡可能大的永磁體，以提高氣隙磁密，同時 考慮到稀土永磁的矯頑力高，永磁體磁化方向長度可以小，近年來又多采用瓦片 形永磁體（圖16）和矩形永磁體（圖17） 04.2.2 特點徑向式磁路結構中永磁體的磁化方向和氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，漏磁系數(shù)較切向結構小。在一對極磁路中有兩個永磁體提供每極磁通，故氣隙磁密 相對較低。（曰山槻fit培冊異t-I*艇俸2 II屜FI射科一工,壞的II.逼tUf樸說丄售帥的磴世對料丹<1圖14環(huán)形永磁體圖15星形永磁體轉子磁路

17、結構11S環(huán)2永隔體3非SS性材料4晞性材料襯去5轉軸圖16瓦片形永磁體結構奩環(huán)或I堆片3-水曬3啪曜憾林H4-W-材料扌寸去5轉軸奩壞?極椎圖17矩形永磁體結構二、磁場分析1. 磁場分析理論基礎由于永磁材料、部件尺寸、電機繞組分布定、轉子齒槽的影響,氣隙中存在高 次諧波磁場。這些高次諧波磁場會影響電動機的性能，如電流中存在諧波分量，轉矩產生脈動，隨之產生諧波損耗以及振動噪聲等。因此磁場一些性能分析是評價 一個電機合格與否的準則。2. 磁場特性2.1磁場特性指標1）磁場強度磁場強度的大小直接決定電機轉速，磁場強度越大轉速越快。而磁場 強度的大小和永磁體的材料有關。尤其是永磁材料的最大磁能積、剩

18、 磁感應強度和磁感應矯頑力。2）磁場空間分布及均勻性磁場的空間分布和均勻性是由電機結構的對稱性直接決定的，磁場的 空間分布越均勻氣隙磁密波形越接近正弦波或方波，進而電機的轉矩 波動性越小，效率越高，工作噪聲越小。3）漏磁漏磁根本上也是由電機結構的對稱性決定的，電機結構越不對稱，偏 心越大，則漏磁因數(shù)越大，這將導致電機發(fā)熱，損耗增大。2.2影響因素2.1.1永磁材料1) 永磁材料的選取標準永磁材料的磁性能可以用一些磁參數(shù)表示，如剩余磁感應強度Br、矯頑力He、 最大磁能積(BH) max等。永磁材料的性能參數(shù)是影響著永磁電機的性能的關鍵參 數(shù)之一，所以再選擇永磁材料時應滿足以下要求：永磁電動機能

19、長期穩(wěn)定的運行； 永磁材料的性能能長期應保持穩(wěn)定性。永磁材料直接決定了電機內的磁場強度等 特性。選擇永磁體材料有一個衡量標準就是最大磁能積，即為B-H的乘積(B XH)max。當永磁體材料工作于這一點時，就會在氣隙中產生同一的磁通密度而所 需的使所需的永磁體體積最小。根據(jù)以上的描述，為了使所用的永磁體的體積達 到最小，盡可能的選擇的永磁體材料具有最大可利用的最大磁能積，永磁體材料還有剩磁感應強度Br、磁感應矯頑力He這兩個參數(shù)需要考慮。在選取永磁材料時，通常從以下三方面進行考慮，為獲得足夠高的單位功率，永磁材料應具有足夠大的磁感應強度、足夠大的矯頑力及磁能積；永磁材料應具有良好的磁性能，包括熱

20、穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，尤其對 于永磁同步風力發(fā)電機所用的永磁體，應選擇工作溫度點高的永磁材料，使得發(fā)電 機工作在永磁材料退磁曲線的直線部分；經濟性要好，價格適宜。2) 常用永磁材料鋁鎳鉆永磁的顯著特點是溫度系數(shù)小,僅為-0.02%K1左右,因此,隨著溫度地 改變磁性能變化很小，目前仍被廣泛應用于儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高地永磁 電機中。鋁鎳鉆永磁的矯頑力低，所以在使用過程中嚴禁與任何鐵器接觸。但這 種材料剩余磁感應強度較高，最高可達1.35T。它的退磁曲線和回復線并不重合， 退磁曲線如圖18所示，所以這種材料在構成電機磁路時必須事先對永磁體進行 穩(wěn)磁處理，人為地決定回復線的

21、起始點的位置，使電機在規(guī)定或預期的狀態(tài)下運 行。鋁鎳鉆永磁電機一旦拆卸、維修之后再重新組裝時，還必須進行再次整體飽和充磁和穩(wěn)磁處理,否則永磁體工作點將下降,磁性能大大下降。1U.A5血.MlCTlij石巧陽 ws 相FiYhSt?InjSALHlra 如:愉 310t. Im亠一 他WK?O 口畑 :，沁村KQMW圖18部分鋁鎳鈷的退磁曲線nw圖19部分鐵氧體的退磁曲線鐵氧體永磁材料回復線基本上與退磁曲線的直線部分重合，退磁曲線接近于直線，如圖19所示，可以不用提前進行穩(wěn)磁處理。其矯頑力大 ，抗去磁能力強, 價格較低，但是剩磁密度不高，因而需要加大提供磁通的面積，使電機體積增大。二冋*10G.

22、4im畑 I収期0 25 5-1礙cm21所示。稀土永磁材料都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積的材料。其中稀土鉆永磁退 磁曲線與回復線重合，稀土鉆的退磁曲線和內稟退磁曲線如圖 20所示，抗去磁能 力強，磁穩(wěn)定性好，適合制作各種高性能永磁電機，但其價格昂貴。這種材料磁性很 強，磁極間的吸引力和排斥力均很大，因此在充磁后的運輸和裝配中都要采取措 施。釹鐵硼永磁材料是目前性能最高的永磁材料 ，而且由于釹在稀土中含量較高， 所以其價格比稀土鉆永磁低。但由于其中含鐵和釹 ，所以容易銹蝕也是它的弱點， 所以要對其表面進行涂層處理。釹鐵硼的溫度特性如圖i-Er_E3,OiBB5SSSTO-KlijiBJwn 蛍

23、ruft；u :U.lI'ilOI航:WIT?44XiaIVOK-XI戚心'ar lA.n Jhr u 股ftod ''MOIttO圖20 YX-20和YXG-24永磁體在不同溫度下的退磁曲線和內稟退磁曲線圖21 N33SH釹鐵硼永磁的溫度特性常用的四種永磁材料的綜合對比如表3所示。表3典型永磁材料的綜合對比性能鋁鎳鉆鐵氧體釤鉆（稀土鉆）釹鐵硼剩磁/T1.30.421.051.16矯頑力/(kA/m)60200780850退磁曲線形狀彎曲上部直線、下 部彎曲直線直線（高溫下 彎曲）剩磁溫度系數(shù)/（%/K）-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蝕性能強強強易

24、氧化充磁安裝后充磁安裝前后充磁 都有安裝后充磁安裝后充磁最高工作溫度/ r550200300150加工性能少量磨削、電火花加工特殊刀具切片 和少量磨加工少量電火花加工加工性能好應用場合儀器儀表類要 求溫度穩(wěn)定性 高的地方性能和體積要 求不咼，價格 要求低的場合高性能、高溫、 高溫度穩(wěn)定性 的場合高性能、體積 要求高、溫度 不咼的場合IV § £rRp 1麗一 1 J小豪/ipmuiKimZSS-Vi2.1.2電機結構在第一大節(jié)中介紹了各種電機的磁極結構，電機的磁極結構對電機的性能有 很大的影響。如電機的磁極形狀，尺寸轉子槽的開口長度都會對永磁電機的漏磁 因數(shù)空載氣隙基波幅值

25、、轉矩等產生影響。除此之外，電機的定子尺寸，氣隙長度等對電機的性能也有一定的影響。磁 動勢與氣隙長度、磁感應強度成正比關系，氣隙的長度在一定程度上會對磁感應 強度有所影響，所以氣隙長度會影響電機磁動勢進而影響其負載能力。氣隙長度的選擇和鐵心的的利用程度有關，為了充分利用鐵心，應最大程度的提高有效磁導和減小空氣氣隙長度。但是，由于生產工藝的要求S不能太小， 且S的選擇和 永磁體材料的選取有關。2.1.3充磁方式充磁方式對電機的磁性能有影響，具體表現(xiàn)在充磁方向和充磁長度兩方面。 針對永磁體的外置和表貼兩種放置模式，永磁體的充磁方向也有所不同，有平行充磁、徑向充磁、Halbach三種方式，不同的充磁

26、方式將會影響氣隙磁密的波形 和峰值、磁場分布。而充磁長度也對氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布有影響。1) 充磁方向以除轉子分別內置和表貼不同之外， 結構尺寸和材料都相同的兩個電機為樣 機，分別進行不同充磁方向仿真，可以得到圖22和圖23的磁力分布圖。go(a徑向充誡口I imhiKh 腿休圖22內置式永磁電機3種充磁方式時磁力線分布圖22表明，針對內置式永磁電機徑向充磁磁密從外向內沿半徑逐漸增加， 永磁體轉子軛部易發(fā)生磁飽和， 漏磁最大；平行充磁磁密較均勻，軛部磁路較寬 松；Halbach磁體磁密最均勻，軛部磁路最寬松，漏磁最小。<h)屮彳了充慮國莊向代磁c)( all>ach 陸體

27、圖23表貼式永磁電機3種充磁方式時磁力線分布圖23表明，針對表貼式永磁電機徑向充磁磁密從外向內沿半徑逐漸增加, 電樞轉子軛部易發(fā)生磁飽和，漏磁最大；平行充磁磁密從外到內逐漸減??； Halbach磁體軛部磁路最寬松，漏磁最小。圖24為3種充磁方式下內置式和表貼式永磁電機氣隙各次諧波分量大小, 表4是不同充磁方式下一些參數(shù)對比。(a)千10怦向允血平叮免峨I Halhath0.60.2IP357911 IS IS(b)表貼式永磁電機氣隙磁密諧波含量內置式永磁電機氣隙磁密諧波含量圖24不同充磁方式下內置式和表貼式永磁電機氣隙磁密諧波含量 表4不同充磁方式下內置式和表貼式永磁電機氣隙磁密基波幅值和畸變

28、率對比屯機結構充施方式基渡«值彳1'粋向充磁0.9250. 2660.9390. 178Halbxh輕問充iS0.7290. 363平0.6620.314HalbiMh0.柄3厲207外木磁休轉子 對轉|札機內永磁休轉子 對轉電機由上表可知，內置式永磁電機采用平行充磁時磁密幅值最大，表貼式永磁電 機采用徑向充磁時磁密幅值最大，而 Halbach磁體基波幅值最小。兩種電機中都 是徑向充磁氣隙磁密波形畸變率最大，平行充磁次之，Halbach最小。綜上，表貼式永磁電機選擇徑向充磁方式能獲得較好的氣隙磁密波形和較高 的磁密峰值，適合無刷直流電機；內置式永磁電機選擇平行充磁既可以提高氣

29、隙 磁密正弦分布度又能得到較高的磁密峰值；而Halbach磁體的電機氣隙磁密波形畸變率最小，正弦分布程度高，適用于永磁同步電機。以上結論是選擇充磁方向 的一般規(guī)律，具體充磁方向的選擇則要根據(jù)實際情況決定。2）充磁長度以下將以一組實驗數(shù)據(jù)分析充磁長度對永磁電機氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布的影響。實驗中以內置切向式電機為樣機得到以下實驗數(shù)據(jù)： 表5為永磁 體充磁長度為16mm,18mm,20mm,22mm,23mm時的分析結果。由上表的結果可知，電機氣隙磁密的波形和峰值、磁場分布會隨著永磁體充 磁長度的變化而變化，所以在選擇充磁長度時應本著漏磁因數(shù)盡量小、氣隙磁密 基波幅值盡量大、畸變率盡量小的

30、原則選取。3.表5永磁體不同充磁長度分析結果充磁長度/mm漏磁因數(shù)氣隙磁密基波 幅值/T空載氣隙磁密 波形畸變率/%161.100.857732.12181.100.875332.98201.140.884132.38221.210.883730.39231.240.880429.10仿真分析這部分留給學弟仿真磁極與電機性能1.電機磁場與電機的穩(wěn)定運行1.1影響電機的穩(wěn)定運行的原因永磁電機的鐵心損耗和感應電勢等電磁參數(shù)在很大程度上取決于氣隙中的 磁通密度分布，因此氣隙磁通密度波形的優(yōu)劣直接影響電機的性能。永步電機的 理想運行是正弦變化的定子電流與正弦分布的氣隙磁場相互作用產生恒定的電 磁轉矩。

31、對于永磁電機，空載氣隙磁場并非理想的正弦波，其中含有幅值較大的空間諧波,使得鐵心損耗增大，降低了電機的效率；另外諧波磁場在定子繞組中產生 諧波電動勢和諧波電流，并使電機的電磁轉矩波動和振動噪聲增加。因此，幾乎 所有永磁電機的設計都是盡量保證電機的繞組分布均勻，定、轉子等所有部件在在結構上的均勻性，然而，在實際情況下并無法保證結構上的絕對均勻性，因此需要尋求一些方法以解決結構不均勻導致的諧波問題。1.2常用解決方法方法一：磁極形狀的三段圓弧結構優(yōu)化1）電機結構電機結構示意圖如圖25所示。*/ y，/z圖25自起動永磁同步電機結構示意圖 轉子磁路釆用V型結構，均勻氣隙，籠型轉子釆用鑄鍋材料具體結構

32、參數(shù)如表 6所示。表6起動永磁電動機的主耍參數(shù)額定功率22 kW極數(shù)定r外3倔mm宦r山ft260 nim轉T外徑258,7 Mil癥子聯(lián)接方代轉丫鐵心替片代詩鉗黃定子摘數(shù)4R轉子槽數(shù)40永磁嬌頑力S7 lei Ann永哦屈化氏段5 5 rnm2）磁場分析用ANSYS軟件中對電機所示模型進行磁場分析,由此得到原模型即采用均勻 氣隙時磁力線分布以及空載氣隙磁密波形，如圖26和圖27所示。圖26電機空載磁力線分布圖01 a06I»2|爭 O-G4心eOPa q l! i I，|'Ji!1"1 !l1ihlltq1soVC1 腱?40300妙 f>HL tft 用&

33、quot;vn圖27空載氣隙磁密波形對得到的空載氣隙磁密波形進行諧波分析，可得氣隙磁密的基波和各次諧波 幅值，如圖28所示。均勻氣隙永磁電機的氣隙磁場中含有大量的諧波，諧波含量高 達28.67%這會導致諧波電流、轉矩脈動、振動噪聲以及鐵心損耗的增大。根據(jù) 分析可知，電機氣隙磁密諧波含量很大，不利于電機的穩(wěn)態(tài)運行，故需對氣隙磁密 波形進行優(yōu)化，使其接近正弦性，提高電機的運行效率。20|1311131&1? 1耳圖28均勻氣隙永磁電機氣隙磁密諧波分析3）磁極形狀優(yōu)化為了改善隙磁密波形，永磁同步電機轉子磁極結構的三段圓弧設計如圖29所，兩條點劃線將一a和的值構成不同組合，即可得到示，為了清晰

34、的表示磁極形狀發(fā)生的變化，特將極距范圍夸大表示。在一個極距范 圍內，中間一段圓弧的圓心與定子內圓的相同，a為其所占角度；兩邊圓弧以（dm, 0）為圓心,以圖中所示偏心半徑r為半徑，其中dm為偏心距。它們之間平滑連接, 即構成磁極表面的三段圓弧。圖中虛線部分為原來的轉子外圓 個極距范圍分為三個部分。適當調整設計變量 不同形狀的三段圓弧結構。建立優(yōu)化后的轉子模型如圖30所示。滬hiE呻：圖29三段圓弧結構示意圖圖30優(yōu)化后三段圓弧磁極結構轉子模型釆用有限元法計算原模型不計定子開槽時的空載氣隙磁密，得到如圖31所示波形和諧波分析情況；計算優(yōu)化后三段圓弧結構不計定子開槽時電機的空載氣隙 磁密波形，并進行諧波分析得到如圖32所示波形。一厝玉0J%2 O 9 5 d- a - -1 1 1 O O O t舉豊辜馥02恥 eo 90 120 150 1 旳十間屯f鳳忙）口阿越矗波瞻圖31優(yōu)化前原模型電機空載氣隙磁場14;|II 3 5 7 U 11 13151171abhf'i rV >/ Il1 21209 t> OG020心e，戸ua；X&