(完整)調速永磁同步電動機的電磁設計與磁場分析

1、調速永磁同步電動機的電磁設計與磁場分析1引言與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比,永磁同步電動機具有結構簡單，運行穩(wěn)定；功率密度大;損耗小，效率高；電機形狀和尺寸靈活多變等顯著優(yōu)點，因此在航空航天、國防、工農業(yè)生產和日常生活等各個領域得到了越來越廣泛的應用。隨著電力電子技術的迅速發(fā)展以及器件價格的不斷下降，越來越多的直流電動機調速系統(tǒng)被由變頻電源和交流電動機組成的交流調速系統(tǒng)所取代,變頻調速永磁同步電動機也應運而生。變頻調速永磁同步電動機可分為兩類，一類是反電動勢波形和供電電流波形都是理想矩形波（實際為梯形波）的無刷直流電動機，另一類是兩種波形都是正弦波的一般意義上的永磁同步電動機。這類電機通常由變頻器頻率

2、的逐步升高來起動，在轉子上可以不用設置起動繞組。本文使用AnsoftMaxwell軟件中的RMxprt模塊進行了一種調速永磁同步電動機的電磁設計，并對電機進行了性能和參數(shù)的計算，然后將其導入到Maxwell2D中建立了二維有限元仿真模型,并在此模型的基礎上對電機的基本特性進行了瞬態(tài)特性分析。2調速永磁同步電動機的電磁設計2.1 額定數(shù)據(jù)和技術要求調速永磁同步電動機的電磁設計主要包括主要尺寸和氣隙長度的確定、定子沖片設計、定子繞組的設計、永磁體的設計等.通過改變電機的各個參數(shù)來提高永磁同步電動機的效率耳、功率因數(shù)cos9、起動轉矩T和最大轉矩T本例所設計永磁同步電動機的額定數(shù)據(jù)及其性能指標stm

3、ax如下：額定數(shù)據(jù)數(shù)值額定功率P=30kwN相數(shù)m=3額定線電壓U=380VN1額定頻率f=50Hz極對數(shù)p=3額定效率耳=0.94N額定功率因數(shù)cos=0.95N絕緣等級B級計算額定數(shù)據(jù):（1）額定相電壓：U二U/'<3二220VNN1px103額定相電流：I=50.9ANmU耳cos申NNN(3)同步轉速：n=lOOOr/min1p955Px103(4)額定轉矩：T=十=286.5NmNn12.2 主要尺寸和氣隙長度的確定永磁電機的主要尺寸包括定子內徑和定子鐵心有效長度,它們可由如下公式估算得到:D2L=CP-i1pKPp=耳cos申，NNn16.1C=“KKABpNmdp6

4、第3頁共9頁式中，D為定子內徑，L為定子鐵心長度，P-為計算功率，C為電機常數(shù)。K為額定負載i1E時感應電勢與端電壓的比值，本例取0。96;2為計算極弧系數(shù)，初選0。8;K為氣隙磁場的波pNm形系數(shù)，當氣隙磁場為正弦分布時等于1。11;K為電樞的繞組系數(shù)，初選0.92.A為電機的線負dp荷，B為氣隙磁密，A和B的選擇非常重要，直接影響電機的參數(shù)和性能，應從電機的綜合技術66經濟指標出發(fā)來選取最合適的A和B值，本例初選為A=200A/cm,B=0.7T。66由上式可初步確定電機的D2/，但要想進一步確定化和L各自的值，還應選擇主要尺寸比2pL兀D，i1其中T為極距。通常，中小型同步電動機的X=0

5、.62.5，一般級數(shù)越多,九也越大，本例初選1.4.永磁同步電動機的氣隙長度6一般要比同規(guī)格的感應電動機的氣隙大，主要是因為適當?shù)脑黾託庀堕L度可以在一定的程度上減小永磁同步電動機過大的雜散損耗，減低電動機的振動與噪聲和便于電動機的裝配。所以設計永磁同步電動機的氣隙長度時，可以參照相近的感應電動機的氣隙長度并加以適當?shù)男薷?。本例?=0.7mm。確定電動機定子外徑時，一般是在保證電動機足夠散熱能力的前提下，視具體情況為提高電動機效率而加大定子外徑還是為降低成本而減小定子外徑。2。3定子鐵心與繞組的設計(1)定子槽數(shù)的選擇當相數(shù)和極數(shù)確定時，定子的槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)的值對電機的參數(shù)、附加損耗、

6、溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。般在26之間選取并盡量取整數(shù)，對于極數(shù)少、功率大的電機，取大值;對于極數(shù)多的電機，取小值本例取二4。(2)定子繞組的設計與感應電機一樣，永磁同步電動機使用的繞組型式有單層繞組、雙層繞組和正弦繞組等.這些繞組型式各有其優(yōu)缺點和適用場合。本次設計的調速永磁同步電動機的繞組是雙層疊繞組,定子Y接。此外采用雙層短距分布繞組可以避免電動機繞組中產生環(huán)流并可以削弱電動勢諧波，定子繞組Y接則可以大大減小電動機的雜散損耗，使定子電流中不含3次和3次倍數(shù)的諧波，定子電流中亦不含偶次諧波。2.4永磁體的設計(1) 轉子磁路結構設計永磁同步電動機的轉子磁路結構是按照永磁體在轉子上位置

7、的不同來分類的，永磁體一般有三種排布方式:表面式、內置式和爪極式。而內置式轉子結構按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的關系又可以分為徑向式、切向式和混合式三種結構。轉子磁路結構的不同會使得電動機的運行性能、制造工藝和運行場合也不同。本例采用的是內置切向式轉子磁路結構，其在一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供的，能夠獲得更大的每極磁通，非常適合多級電機.但漏磁系數(shù)較大，因此需要有相應的隔磁措施.(2) 永磁體選擇一般常用的永磁材料包括鋁鎳鉆永磁材料、鐵氧體永磁材料以及稀土類永磁材料，但應用于調速永磁同步電動機的永磁材料只有稀土磁體，即汝鐵硼永磁體和釤鈷永磁體。本例采用的是NTP-288M的永磁體，

8、20C時，剩磁為B=1.18T，r20矯頑力為H=898kA/m。計算剩磁密度B=1+(t-20)a(1_IL)B=1.1T，式中B的可逆溫度系c20rBrr20r數(shù)a=-0.12%K-i，B的不可逆損失率IL=0%K-1,預計永磁體工作溫度t=75C.Brr(3)永磁體設計永磁體的主要尺寸有三個：永磁體的軸向長度L、磁化方向長度h和寬度b.永磁體的尺寸MMM除了影響電動機的性能外，還影響著電動機中的空載漏磁系數(shù)b，也決定著永磁體的利用率實0驗證明，永磁體尺寸越大，空載漏磁系數(shù)越小。一般來說，永磁體的軸向長度L就取電動機鐵心M的軸向長度，因此只需要設計其他兩個永磁體的尺寸h和b。通常來講，b的

9、長度設計不能超過MMMT的長度；設計h應使永磁體工作在最佳工作點，因為永磁體的最佳工作點更大程度上取決于永M磁體的磁化方向長度h。M對于內置切向式轉子磁路結構，其永磁體尺寸的估算公式為：2KKb8h=ysa中0M11b丿bvm00bBTlb=08ifM兀bBKLm0rM式中，K為電動機的飽和系數(shù)，其值為1.051.3;sK為與轉子磁路有關的系數(shù)，其值為0.71。2；ab為永磁體的空載工作點，即空載時磁感應強度的標幺值，一般取0。600.85；m0b為空載漏磁系數(shù)，是空載時的總磁通與主磁通之比，本例取1。2；0（完整）調速永磁同步電動機的電磁設計與磁場分析B為氣隙磁密基波幅值，B=-Bsin叱；

10、“§1兀62K為氣隙磁通的波形系數(shù)，即電機基波磁通與氣隙總磁通之比，本例初選0。9。3模型建立和仿真計算3。1RMxprt電磁和結構設計根據(jù)上述電磁設計部分得到的調速永磁同步電動機的參數(shù)，在AnsoftMaxwell的RMxprt模塊中建立電機模型，如圖1所示，并設定樣機的仿真參數(shù).仿真參數(shù)的設定至關重要，這意味著將要計算前面建立的電機模型在該狀態(tài)下的工況，一般是將額定工作狀態(tài)設定為分析對象。設定完仿真參數(shù)，在確認無誤的情況下，軟件就會對電機進行求解計算.RMxprt電機分析模塊是基于等效電路和磁路的方法對電機進行計算的。最終計算清單見附錄1，其列出了所有輸入數(shù)據(jù)和計算結果.第7頁共

11、9頁圖1電機模型通過計算結果，可以看到所設計電機在額定運行情況下的效率為96.9%，滿足給定的性能指標?？蛰d時的氣隙磁密約為0。63T。其他各項指標也均滿足要求。此外還可以得到電機的性能曲線。圖2、圖3、圖4分別給出了電機輸出功率、效率與力矩角的關系以及氣隙磁密的波形曲線。的關系曲線圖2輸出功率與力矩角圖4氣隙磁密S吉帝衛(wèi)匸山£xn匚3.2 Maxwell2D中建立電機的二維有限元模型RMxprt模塊是基于等效磁路法的電機設計模塊，許多參數(shù)均由軟件自動查表得到，同時由于采用了等效磁路，電機的設計精度會降低為提高設計精度，往往需要將RMxprt模塊中的電機模型導入變換為AnsoftMa

12、xwell2D模型，然后進行有限元計算仿真，得到電機的瞬態(tài)特性，從而為電機的優(yōu)化設計提供依據(jù).Ansoft14版本能夠將RMxprt模型一鍵式導入到2D界面中，自動完成幾何模型繪制、材料定義、激勵源添加、邊界條件給定、網(wǎng)格剖分和求解參數(shù)設置等前處理項，點擊運行即可生成瞬態(tài)計算模型，其對應的計算為轉子在額定轉速下的恒速運行，所模擬的是額定轉速下三相繞組電流和轉子上的電磁轉矩.圖5給出的是電磁轉矩曲線，圖6給出的是三相電流曲線.由于軟件所給的工況是轉子在0時刻前已經被拖至額定轉速，然后在0時刻突然加電，而實際中電機均為從0轉速升速至額定轉速，因此曲線的前半段并無參考價值，而從轉矩曲線的后半段可以看

13、出在額定轉速下基本穩(wěn)定，但脈動較大。從電流曲線后半段可以看出電流也基本穩(wěn)定。Torquezu-EucqMfs侶一i.MD75D50DDTccooTirreImd血5.00圖5額定轉速時瞬態(tài)電磁轉矩曲線WindingCurrfinis心胡迄口氏卅護曇ClFi?rt!T*35*/«l3rtUDlTninsicnl425QDGirrrtiTawBISduo1TrjnsJeM225DO-175DOF4s?.wri12D>e-agi5土-375.00SoJoD'1113D?W'11'400*00''''SOQTlmDhul圖6額定轉

14、速時瞬態(tài)相電流曲線圖7和圖8給出的是t=0。2s時刻的電機磁力線和磁密分布圖.從圖8的磁密分布圖中可以看出，與磁鋼靠近的定子齒部磁密較小，而定子軛部磁密較大，遠離磁鋼的定子齒部磁密較大，而定子軛部磁密較小.且定子齒部的磁密最大值約為2T，定子軛部磁密最大值約為1。3T,而定子所用硅鋼片D2350的BH曲線飽和值約為1.6T，由此可以看出硅鋼片的利用率較高。A12.2.4579e3022.0M986302I. 6M17e3021. 2337e3Q2S.E55Se034.175063039,lTZcngeS-5.93566-303-&06?5tH305-1.2m8e302-1.62

15、3;3ch30Z-2.03106302-z.gicngez-2.E：M726302Time=0s圖7額定轉速下t二0。2s時刻的磁力線分布圖BiCtosla2. L+577e+G03Z.33忸£陽032.1505e+0ffi1.9965+0031.833e+0001.6997c+0001. 陽B:Le+G£>315S25640001.22Bge+0001.0752£+003y.216Me-0017.86035-0016.13£-0014.6-O013.0722C-0011.53B1C-Q012. ?802e-006Tiinie=023Speed=1

16、00D.DOOOOOrpmPosition5?.500000。Speedl=1000.000DOOrpmPcsrtionh5F.50DClOOd訊圖8額定轉速下t=0.2s時刻的磁密分布圖4結論本文通過AnsoftMaxwel丨軟件比較系統(tǒng)地對調速永磁同步電動機主要尺寸和氣隙長度、定子沖片和繞組、轉子磁路結構以及永磁體等參數(shù)的確定進行了研究，并說明了電機形狀與結構參數(shù)變化對電機性能的影響，同時在設計時可以調整各種電機參數(shù)得到不同的電機設計方案，對優(yōu)化電機設計提供有力的手段和指導借鑒意義。（完整）調速永磁同步電動機的電磁設計與磁場分析參考文獻1唐任遠等.現(xiàn)代永磁電機理論與設計M.北京：機械工業(yè)出

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