電機設(shè)計第四章課件

航空電機電磁設(shè)計及CAD永磁電機設(shè)計概述永久磁鐵勵磁特點:損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高２００６年１０月，包頭市匯全稀土實業(yè)（集團）有限公司、內(nèi)蒙古科技大學和包頭市愛能控制工程有限公司共同組成產(chǎn)學研聯(lián)合體，對兆瓦級大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組項目展開攻關(guān)，并成功研制出世界第一臺兆瓦級雙電樞混合勵磁風力發(fā)電機組。1120kW電磁設(shè)計方面與電勵磁電機設(shè)計的主要差別:首先要根據(jù)技術(shù)要求選擇合適的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁材料。對永磁電機不需要設(shè)計計算勵磁繞組，但要計算和確定磁鐵的體積、尺寸和工作點。永磁同步發(fā)電機的參數(shù)校核和計算必需借助磁鐵工作圖進行，所以應先作出磁鐵工作圖，然后依據(jù)磁鐵工作圖進行參數(shù)的校核和計算。永磁電機特性的計算及其變化規(guī)律與電勵磁電機比較也有不少特點和區(qū)別。在一些設(shè)計參數(shù)的選擇上永磁同步發(fā)電機也有它的特點，往往與所選用的永磁材料的性能有關(guān)。4.2永久磁鐵的基本特性硬磁：磁滯回線寬 較高的剩余磁感應強度Br

較高的矯頑磁場強度Hc

較大的磁能積BmHm內(nèi)稟磁化強度J是定向結(jié)集的微觀電流所產(chǎn)生的等效磁場強度。將因磁疇定向結(jié)集而在鐵磁物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應BJ表示為：

幾個特征點的參數(shù)：Br——剩磁感應強度。HCB或簡寫為HC——磁感應矯頑力（或簡稱矯頑力）。HCJ——內(nèi)稟矯頑力。它表示欲使內(nèi)稟磁感應BJ將為零。1、永磁鐵的去磁曲線和內(nèi)稟磁化曲線3、磁能積去磁曲線上每一點縱坐標的乘積BmHm代表單位體積永磁鐵磁能的兩倍，稱為磁能積。去磁曲線上不同點的磁能積BmHm大小不同，我們把其中乘積最大的稱為永久磁鐵的最大磁能積（BmHm）max，簡寫為（BH）m。最大磁能積代表該永磁鐵單位體積所可能提供的最大磁能，所以是永久磁鐵的重要參數(shù)之一。4、可逆溫度系數(shù)和居里溫度溫度每升高一度磁感應可逆變化的百分數(shù)稱磁感應溫度系數(shù)或剩磁感應溫度系數(shù)5、永磁材料本身磁性能的穩(wěn)定磁性能變化包括可逆的和不可逆的兩部分。其中可逆變化（如磁性能隨溫度的可逆變化）我們是無能為力的。而產(chǎn)生的不可逆變化，這在電機工作的過程中是不允許的，應在電機裝配前盡力消除之。4.3永磁電機常用的永磁材料

制造：材料、澆鑄、強磁場冷卻定向結(jié)晶特點：剩余磁感應強度高熱穩(wěn)定性好機械強度好，便于機械加工 型號： 最大磁能積（kJ/m3)缺點：Hc小，去磁曲線非線性，拆裝很麻煩1、鋁鎳鈷系永磁材料3、稀土永磁材料制造：稀土元素和鈷組成的金屬化合物，原料制粉后在磁場中模壓成型，再燒結(jié)而成特點：剩余磁感應強度高矯頑磁場強度高最大磁能積高價格高、機械性能較差釹鐵硼永磁材料（NdFeB）更高磁能積、價廉熱穩(wěn)定性較差4、如何選擇永磁材料在選擇永磁電機用永磁材料時，主要應考慮下列幾點：能產(chǎn)生較大的氣隙磁場；磁場的穩(wěn)定性，其中包括本身磁場的穩(wěn)定（例如溫度變化的影響）及由于永磁電機運行狀態(tài)變化引起的永磁鐵工作點的穩(wěn)定兩方面；機械性能；價格。補充：永磁電機結(jié)構(gòu)拓撲選擇永磁電機結(jié)構(gòu)拓撲考慮的因素用途、性能、成本1、有利于充分發(fā)揮永久磁鐵的特性。2、考慮永磁鐵對電樞反應去磁作用的抵抗能力。3、考慮對感應電勢波形的影響。4、考慮轉(zhuǎn)子加工、裝配的工藝性和發(fā)展。5、考慮漏磁的大小。6、考慮阻尼效果。7、考慮轉(zhuǎn)子表面脈振損耗的大小。永磁電機的應用發(fā)展現(xiàn)狀PMSM最重要的電磁參數(shù)：永磁磁鏈（通過氣隙）交軸、直軸電感轉(zhuǎn)子永磁體（性能、體積、位置參數(shù)）決定空載磁場大小，對應空載電勢E0；直軸電樞反應電感Lad、交軸電樞反應電感Laq、繞組漏感Lσ；直軸電感Ld=Lad+Lσ

、交軸電感Lq=Laq+Lσ

Ls是電感矩陣，各相的自感與互感構(gòu)成氣隙均勻，Ls為常數(shù)，氣隙不均勻，Ls與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)3/2變換，去耦合互感旋轉(zhuǎn)定向，雙反應理論，電感恒值PMSM永磁電機方程在dq坐標系中PMSM的方程式磁鏈與電流關(guān)系如下式電磁轉(zhuǎn)矩方程：機械運動方程：PMSM的向量關(guān)系轉(zhuǎn)矩是關(guān)鍵物理量！第1項是永磁轉(zhuǎn)矩Tm第2項是由轉(zhuǎn)子磁路不對稱造成的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr對隱極永磁同步電動機，Lq=Ld對凸極永磁同步電動機，一般Lq>Ld利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩？PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩永磁轉(zhuǎn)矩磁阻轉(zhuǎn)矩永磁電機結(jié)構(gòu)面貼式永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子面貼式、內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子定子轉(zhuǎn)子伺服電機最常見的類型風扇，電動車軸驅(qū)動慣量大，永磁體拆卸方便內(nèi)轉(zhuǎn)子外轉(zhuǎn)子有槽電機、無槽電機有槽電機無槽電機定子三相定子繞組四極永磁轉(zhuǎn)子定子護鐵永磁轉(zhuǎn)子相繞組交疊繞組、非交疊繞組電機AABBCC交疊繞組非交疊繞組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1——面貼式永磁轉(zhuǎn)子特點非凸極結(jié)構(gòu)（Ld=Lq）無磁阻轉(zhuǎn)矩加工工藝成熟一般伺服場合應用較多優(yōu)勢漏磁小轉(zhuǎn)矩密度高效率高控制性能好不足弱磁區(qū)升速范圍有限相對大的逆變器容量Ld=Lq磁阻電機特點沒有磁體利用磁阻轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢適合高速運行恒功率區(qū)速度調(diào)節(jié)范圍寬具有一定的容錯能力不足低速時轉(zhuǎn)矩密度低低速時效率低功率因數(shù)低采用軸向疊片的轉(zhuǎn)子有助于提高轉(zhuǎn)矩密度導磁材料不導磁材料Ld>Lq轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)２——插入式轉(zhuǎn)子結(jié)合了永磁電機和磁阻電機的特點電磁轉(zhuǎn)矩包括了永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩以永磁轉(zhuǎn)矩為主在不降低轉(zhuǎn)矩密度的條件下，磁阻轉(zhuǎn)矩可以減小永磁體的磁鏈漏磁鏈路徑的作用降低故障時對系統(tǒng)的影響高速時磁阻轉(zhuǎn)矩可以提高輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)利于實現(xiàn)零速時的無位置傳感器技術(shù)Ld<Lq轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)３——內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子（徑向）具有插入式轉(zhuǎn)子的所有特點此外：磁體埋在疊片中機械強度高漏磁較大抗去磁能力高q軸電感相對較高弱磁能力強磁阻轉(zhuǎn)矩顯著低速和高速時的轉(zhuǎn)矩和功率密度高在電動車場合應用最多Ld<Lq轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4——內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子（切向）具有插入式轉(zhuǎn)子的所有特點此外：磁體埋在疊片中漏磁較大抗去磁能力強q軸電感大弱磁能力強磁阻轉(zhuǎn)矩顯著低速和高速時的轉(zhuǎn)矩和功率密度高極對數(shù)多時其磁鏈集中，聚磁作用非磁性轉(zhuǎn)軸Ld<Lq對PMSM電機的一般要求其要求因具體應用場合而異例如：對于牽引場合的電動機：功率密度高效率高恒功率區(qū)速度調(diào)節(jié)范圍寬具有故障處理能力可靠性高，運行噪音低性價比高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒功率區(qū)弱磁對于伺服應用場合：轉(zhuǎn)矩密度高效率高轉(zhuǎn)動慣量小，加速特性好可靠性高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對于專用系統(tǒng)，采用何種形式的電機結(jié)構(gòu)必須進行綜合考慮和系統(tǒng)優(yōu)化。用途、性能（應用要求）、成本（電機和驅(qū)動器、開發(fā)費用、運行費用等）PMSM本體提高轉(zhuǎn)矩的基本原理減小漏磁鏈永磁+磁阻增加凸極效應降低飽和的交叉耦合采用聚磁結(jié)構(gòu)增加線圈磁鏈防止不可逆去磁減小漏磁鏈在磁體和磁鋼之間增加間隙安排附加的磁體永磁轉(zhuǎn)子增加磁通的方法——1氣隙磁密永磁體剩磁氣隙截面積永磁截面積相對磁導率氣隙長度磁體長度增加AmU、V型永磁轉(zhuǎn)子增加磁通的方法——2聚磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子——Bg>BrBg的基波表達式隨著極數(shù)和lm的增加，磁通越來越集中l(wèi)m和Np使得ri進一步降低磁體極數(shù)對于給定的極數(shù)和r0可以求得一個最優(yōu)的lm，使得Bg的峰值和平均值最大

電動汽車動力單元Specification9kWat4200rpm12極,18槽有效長度:：100mm直徑:150mm氣隙磁密：0.6T?高電感電機（鐵心很接近氣隙）?內(nèi)側(cè)漏磁減少了氣隙磁密度?設(shè)計時使內(nèi)側(cè)飽和限制漏磁，內(nèi)側(cè)邊緣用很薄的過渡連接，但要注意機械應力問題?磁鋼的夾持問題永磁轉(zhuǎn)子增加磁通的方法——3Am進一步增加增設(shè)Q軸磁路磁阻（barriers）的永磁轉(zhuǎn)子Q軸磁路增設(shè)磁障可減小交叉耦合飽和效應由于Q軸磁通使磁路飽和而對磁體磁通的影響得到減小對D軸磁通的影響降到最低在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩得到顯著提高交流伺服應用場合Ld=Lq抗去磁能力非常重要的設(shè)計參數(shù)典型值為抗5—10倍的滿載電流短路過載能力從本質(zhì)上講，去磁是一個瞬態(tài)過程衰減的交變電流大的尖峰電流溫度的影響也很關(guān)鍵最惡劣的情況下釹鐵硼高溫鐵氧體低溫鐵氧體釹鐵硼永磁體的去磁可逆去磁不可逆去磁安全工作區(qū)安全工作區(qū)開路工作點開路工作點磁通損耗去磁磁動勢的影響去磁磁動勢的影響膝點位置決定了去磁能力的大?。ㄍǔＴ诘谌笙蓿┯来呸D(zhuǎn)子d軸磁通路徑D軸磁通路徑為防止弱磁時發(fā)生不可逆去磁開路負載id(iq=0)電樞反應id(iq=0)增強的永磁轉(zhuǎn)子Q軸磁通路徑為了增強磁阻轉(zhuǎn)矩提高轉(zhuǎn)矩密度提高弱磁能力磁阻的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進——1傳統(tǒng)凸極磁極分段磁極磁通屏蔽軸向疊片磁阻的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進——2磁阻轉(zhuǎn)子單磁障多磁障軸向疊片加輔助磁阻的永磁轉(zhuǎn)子（永磁+磁阻）Q軸D軸切口肋狀導磁條多層內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子（永磁+磁阻）凸極系數(shù)顯著增加——磁阻轉(zhuǎn)矩得到充分利用調(diào)速范圍拓寬加工復雜兩段式轉(zhuǎn)子（永磁+轉(zhuǎn)子）定子轉(zhuǎn)軸磁阻段永磁段a)兩段式轉(zhuǎn)子的縱向部分b)兩段式轉(zhuǎn)子c)磁阻部分軸向疊片被絕緣片隔開非磁性部分d)永磁部分永磁體4.4永磁同步發(fā)電機主要尺寸和永磁鐵尺寸的確定體積大小主要取決于電磁負荷A、Bδ值的大小。但對永磁電機，A、Bδ值大小的確定與永磁鐵的結(jié)構(gòu)，尺寸及磁能利用程度等有密切關(guān)系，故若能先確定合理的A、Bδ的值，然后再確定電機的主要尺寸是比較合理的。一、估算永磁鐵體積1、純電感負載法（拉里奧洛夫法）

2、隱極同步發(fā)電機不飽和矢量圖法二、計算永磁鐵尺寸及主要尺寸D、l

已知體積，確定永磁鐵的具體尺寸——磁化方向長度和截面積的方法一對極外磁路提供的磁勢：

三、確定電機主要尺寸和永磁鐵尺寸的三種方法方法一：方法二：根據(jù)經(jīng)驗或類比已知電機方法三五、永磁鐵工作點的選取為了使永磁鐵向外提供的有效磁能為最大，永磁鐵工作點應選在最佳利用點處?？梢宰C明對直線型去磁曲線最佳利用工作點的位置可按下處計算：永磁鐵工作特點的高低對電機的性能有多方面的影響工作點不同，永磁體的尺寸就不同永磁鐵工作點的高低，影響電機體積尺寸的大小永磁鐵工作點的位置影響電機的電磁性能六、氣隙磁感應強度和長徑比的選取Bδ的大小與電機的電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有密切的聯(lián)系，例如永磁鐵剩磁感應Br、永磁鐵尺寸、極弧系數(shù)α、氣隙、線負荷、極對數(shù)p等。選定了Bδ的大小，反過來在很大程度上影響著上述參數(shù)的選擇。λ上升使端部漏磁占的比例下降，所以Kσ下降，一定極對數(shù)下，λ不宜太小（直徑不宜大）。

七、電樞反應折合系數(shù)的計算八、永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子漏磁導計算永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子漏磁對電機性能的影響影響永磁鐵的利用程度影響電機的工作特性影響轉(zhuǎn)子漏磁大小的因素：極弧系數(shù)、氣隙、長徑比的大小、永磁鐵的尺寸和形狀等磁場分割法計算漏磁導永磁電機漏磁場分布復雜，計算比較困難，計算誤差較大，這是永磁同步發(fā)電機計算精度低于電磁式電機計算精度的原因之一。漏磁導的計算：由于磁導是并聯(lián)相加的，所以一般采用分割磁場法來近似計算氣隙磁導。磁場分割法計算漏磁導。這種方法的核心是，將氣隙磁場分布規(guī)律近似相同的各部分分割出來，分別計算其磁導，然后將各部分磁導相加得到總磁導。計算誤差大小由分割誤差和各部分計算的近似程度所決定。要獲得比較精確的計算結(jié)果，最好采用電子計算機計算三維電磁場的方法來計算，但要注意，若采用二維場（平面場）的方法計算，由于不可能計及端部漏磁，故可能造成較大的誤差。徑向轉(zhuǎn)子漏磁場的分割切向轉(zhuǎn)子漏磁場的分割永久磁鐵漏磁導計算的特點——漏磁導的折算磁路歐姆定律計算磁漏磁通由于永磁鐵端部和側(cè)面磁化方向的不同高度處永磁鐵的磁勢大小是變化的，對不同高度處的磁導就不能用統(tǒng)一的磁路歐姆定律來計算。為了能用統(tǒng)一的磁路歐