永磁电机概述

c）三相受控的正弦电流在转子q轴上 d）三相反电势 e）电磁转矩
DC Winding: DC绕组的结构是要获得一个梯形反电势波形，与 梯形的电流波形（120导通）相互作用产生一个平 滑的转矩。 这需要一个整距集中绕组。 图6 显示一个12槽4极对称三相绕组中的一相的分 布 a）2/3短距 b）集中整距
效率图
可由此找出 最大效率点 作为运行点
如果转速超过基本同步速，则需要弱磁，这就需要内 置式永磁转子（IPM）。简单的表面式永磁转子的弱 磁能力受到限制。
这发生在电流向量超前于q轴时，由图3 可见，将有一 个分量位于d轴上，它具有三个作用： 1.有一个负的XdId向量在q轴上。它减少了电动机磁通， 减少了高速时的铁耗 2.它减少了要求逆变器输出的电压 3.它引进了一个磁阻转矩
AC or DC Control?
• 无刷永磁电机分为两种类型：AC、DC 两种类型永磁电机的设计有着不同的要求，与其反电动 势波形及转子位置检测有关 AC：相电流是正弦的，逆变器每个桥臂是180导通， 使用位置编码器，脉宽调制 DC：电流波形是梯形的，120导通，用三个霍尔探测 器检测开关位置。 因此 • 交流（AC）电机需要由永磁转子产生正弦的反电动 势 直流电机（DC）需要梯形的反电动势波形
P e i e i e i EI Te e A A B B C C 1.5
E、I一相反电动 势和电流的幅值
在一相绕组正向导通120°范围内， 输入线电流I为恒值其一相反电动 势为恒值转子角速度为时一相绕 组产生的电磁转矩Tep，总电磁转 矩T为
EI Tep
3 (2 120 ) EI T 360
对于永磁材料磁滞回线的第二象限部分可用于描述其特性，称为退磁曲线。
Br--H=0时的剩余磁感应强度, Hc--B=0时的磁感应矫顽力 Hcj--Bi=0时的Hcj内秉矫顽力
内秉矫顽力Hcj和Hc的区别：
Hc是处于技术饱和磁化后的磁体被反向充磁时，使磁感应强度B降为0 所需的反向磁场强度的值，但此时磁体的磁化强度并不为0，只是所
极距=12/4=3
梯形120 导通三相 电流
短距绕组 中的三相 反电势 短距绕组的 电磁转矩
A 相 120˚ 导 通
B相120˚导通 A 相 120˚ 导 通
整距绕组中 的反电势
整距绕组的 电磁转矩
Magnet Selection and PC
磁铁的类型对电机的性能和成本影响很大
内禀退磁 曲线
距d轴约100~120电角的角度，这意味着当电流在q轴上时，若出 现一个瞬时过载，将会有一个额外的转矩将电机拉回正确的触发 角，防止磁极滑动。
⑵凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。
串联充 磁
并联充 磁
图3（a）
两种类型转子的稳态向量图见图3（a）
v vd jv q je pm jX d id X q iq Ris
一般的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子q轴 上，除非要用到弱磁。这是用在高于基本转速时，当 逆变器电压已经达到最大值，而要求的电流最大值不 能达到时。 逆变器开关时间是超前的，可以达到约15~20电角 图1是一台小型4 极DC控制电机转 矩转速曲线。可 以看出转矩范围 由1500r/min扩 展到约 2500~3000r/mi n
1.铁氧体磁铁需要良好的磁路和低的磁阻， 否则，负载线将不能足够陡，导致运行 点落在非线性区域 2.当x轴线由0定标负载线的斜率等于负的 PC， 3.PC=（磁铁厚度×气隙面积)/(气隙长度 ×磁铁面积）。PC值可被用于设定磁铁 厚度 4.对表面磁铁 气隙面积磁铁面积 5.磁铁厚度需设计得适当大于气隙长度 6.所需磁铁材料较多
Winding Arrangement
AC绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形， DC绕组是要获得梯形波
AC Windings: 分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽
分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽 斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩 分数槽的好处： • 平均每对极下的槽数大为减少以较少数目的大槽代替数目较 多的小槽可减少槽绝缘占据的空间，有利于槽满率的提高 • 增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电动势波形的正 弦性 • 分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距y=1（集中绕组）可 以缩短线圈周长和绕a组端部伸出长度，减少用铜量，各个线 圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。 • 分数槽集中绕组有利于用绕线机进行机械绕线提高工效 • 槽满率的提高，使线圈周长缩短，铜耗随之减低进而提高效 率和减低温升 • 减低齿槽转矩和转矩波动
Choice of Rotors
转子的两种最基本的拓扑 • 有一点突出的表面磁铁，常用于DC电动机中 • 嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于AC电机
图2 表面和内置的永磁四极电机 红、蓝色是相反极化的磁铁，灰色是叠片式铁心 a）非凸极的表面磁铁转子 b）凸极内置式磁铁 转子（IPM）
对表面磁铁非凸极转子，Xd=Xq，如图2（a） 对凸极转子，⑴Xq > Xd，其优点是峰值转矩从q轴移一个
，
B H
当永磁体处于外加磁场时，工作点为A，当去掉外加磁场时，工作 点不是沿着退磁曲线变化，而是到了一个新位置A’如果循环的改变 外磁场，得到一个局部磁滞回线，由Fra Baidu bibliotek其非常狭窄，故可用一条直 线代替，称为回复线其斜率称为回复磁导率。 磁能积-Bd*Hd， Bd*Hd越大，磁体蕴 含的磁能量越大。
磁铁不能工作在非线性区域，如图9，要有足够的 设计裕度使磁铁在过载条件下也不会失磁。运行 点可以通过计算磁导系数（PC）和电负载效应来 获得，对铁氧体永磁电机PC至少要8，对稀土永磁， 可以低些。
加的反向磁场强度与磁体的磁化强度相互抵消，此时若撤销外磁场，
磁体仍具有一定的磁性。 Hcj：若外加反向磁场>Hcj，磁铁的磁性将会基本消除。Hcj是衡量
磁体抗退磁能力的一个非常重要的一个物理量，是表征永磁材料抵抗
外部反向磁场以保持其原始磁化状态的一个主要指标。 在图2-3的坐标下，永磁材料中的磁场满足： B=0H+0M 0-真空磁导率，M-单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化 强度。其中0M称为内禀磁化强度，用Bi表示， Bi=0M=B+0H ,Bi=f(H)称为内禀退磁曲线。
DC运行特性
1）对应梯形反电势的全距和集中绕组
2）高的功率密度 3）霍尔效应管用于检测正确的电流开关位置（低损 耗） 4）适于电力驱动
AC运行特性
1) 对应正弦反电动势和平滑运行的分布的分 数槽绕组 2) 更好的控制及延伸的弱磁 3) 轴上的旋转编码器用以控制电流（高成本） 4) 适于伺服驱动及驱动需要高质量的弱磁能 力
永磁电机概述
INITIAL ELECTROMAGNETIC DESIGN CHOICES
• A. Radial or Axial Flux? • B. Ratings, Motor Classes, and TRV （torque-per-unit-rotor Volume） • C. AC or DC Control? • D. Choice of Rotors • E. Pole-Number Selection • F. Noise, Vibration, Cogging Torque, and Torque Ripple • G. Winding Arrangement • H. Magnet Selection and PC （permeance coefficient） • I. Steel Selection and Iron Loss • J. Insulation Systems, Slot Fill, and Mechanical Aspects of Rotor Structure
典型的不同磁铁在25°C时的剩磁Br和回复磁导率REC 见表Ⅲ
Alnico- 铝镍钴合金，Ferrite-铁氧体， Sintered samarium cobalt-烧结的钐钴， Sintered Neodymium iron boron-烧结的钕铁硼
回复磁导率REC
REC tan
电动机惯例
对应非凸极电机，则Xd=Xq，图3b）为对应非凸极 电机的等效电路。
图3（c）对应凸极电机，稳态等效电路分为d、q两个 电路。 在低饱和的情况下，Xd和Xq是相互独立的，分别对 应d轴和q轴的磁阻 在高度饱和的情况下，d轴和q轴分量是交叉耦合的。 所以 Xd = f(Id,Iq) ， Xq = f(Id,Iq).
磁极表面的槽用于控制Xq的大小，它还可以控 制交叉饱和，使电机运行更易于控制，更稳定。
Pole-Number Selection
DC电机趋向于选择低极数，（2,4,6等）ac电机趋 向于选择高极数（8,12,16等）高的极数使分数槽 绕组成为可能，极对数还是电机转速的函数。 下列几点是要注意的： 1）电机磁通在高频率下是不能改变的，否则将造成铁 耗过高。在更高转速下可以用弱磁方法以限制铁耗 2）磁通频率=转子旋转频率极对数 3）对一般的叠片铁心，不能超出150~200Hz。 4）两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致 损耗的增加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径增加。
峰值电流发生在基速1500r/min
这是在某个运行点 下，电流密度在 190.9A时为 20A/mm2，如果电 流保持在q轴上，磁 密很高
最高磁密 在齿上
1500r/min负载电流为190.9A时电流相位与转矩的关系
6000r/min，负载电流为35.4A时
可以看出转矩峰值在超前30~50之间
如图是一个18槽8极内置式永磁电机，其一相的 绕组见图a），转子安排见图b），这是一个分数 槽电机，使反电势波形非常接近正弦。使转矩平 滑
a）三相正弦绕组中一相的分布
q Z 18 3 0.75 2mp 8 * 3 4
b） IPM电机的一半横截面
4 360 80 18
三条斜线对 应三条空载 磁路磁阻
磁导系数PC-又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应 强度Bd与磁场强度Hd的比值，即PC=Bd/Hd，PC 越大，磁体工作点越高，越不容易被退磁。
PC可以通过减少气隙、是磁通路径缩短及宽 的齿和轭来改善，低磁密也可以改善PC
磁铁材料的温度特性也要考虑进去
永久 失磁
铁氧体永磁体设计小结
稀土永磁讨论小结
1.PC不需要这么高，需要的材料较少，同样PC可 用于确定磁铁厚度 2.它具有高能量，磁化较困难 3.需预激磁 4.在温度压力下可能会退磁
现代电机设计技术通常用详细的分析算法及电磁有 限元算法来分析
如图16为 8极永磁电机，该电机运行在很高的超前 相位下，使有宽范围的弱磁（1500~6000r/min） 并有固有的磁阻转矩