永磁同步电动机开题报告

永磁同步电动机设计

一课题研究背景[1]

我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同,但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁,使电机结构更为简单。近年来,永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步,推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发,有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展,某些永磁同步电机已形成系列化产品,其容量从小到大,目前已达到兆瓦级,应用范围越来越广;其地位越来越重要,从军工到民用,从特殊到一般迅速扩大,不仅在微特电机中占优势,而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进,稀土永磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期,在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃,目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展。

二研究目的和意义

熟练掌握永磁同步电机的特点和机构，性能，掌握永磁同步电机的电磁计算，会设计永磁同步电机。

三研究内容

1 永磁同步电动机转子结构形式[2]

（1）外贴式转子结构

永磁体贴到转子外表面上，径向充磁；永磁体也可以嵌入

转子表面内，贴于转子表面的转子结构制造容易，常用于

矩形波同步电动机和恒功率运行的正弦波永磁同步电动机

中。

（2）内置式转子结构

1)径向式结构；漏磁系数小，永磁体轴向嵌入磁体槽中，通过磁漆桥限制漏磁通，转子机械强度高。

2）切向式结构；每极磁通比径向大，主要因为每极磁通有两相相邻的磁极提供，但是这种转子结构复杂，转轴又需要非磁性材料或在转轴外加隔磁套，所以漏抗大。

3）混合式结构

这种结构结合了径向式和切向式的优点，但结构比较复杂，制造难度大。

2 永磁同步电动机的电抗参数计算[3]

1）永磁电动机动机电抗参数研究

对于直轴电枢反应电抗Xad，先求出空载时的气隙基波磁通φ10，再求出直轴电枢电流等于Id时的有效气隙基波磁通φ1N，对于交轴电枢反应电抗Xaq，直接在定子绕组中通入交轴电流Iq，求出此时产生的气隙磁通φaq，运用ANSOFT 后处理的导出结果，利用Matlab语言编制相应程序，计算出电机的交、直轴电枢反应电抗参数。

2）实验验证

为了验证本方法的正确性，在实际测量过程中，采用电压积分法，对不同型号永磁同步电动机的电枢反应电抗参数进行测量，通过对比可以看出，计算出的永磁同步电动机交、直轴电枢反应电抗值与试验测得的电抗值基本吻合，从而验证了本方法的正确性。

利用上述方法对多台永磁同步电动机电抗参数进行计算，得出其电

抗参数标幺值的变化规律如下：不同转子结构的永磁同步电动机，其交、直轴电枢反应电抗的标幺值*aqX 与*a dX 也不相同。表面式转子结构的*aqX 与*a dX 几乎相当；内置式转子结构的*aqX 要大于*a dX 对于内置式转子结构的永磁同步电动机，在同一气隙长度下，切向式转子结构交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比最大，径向式“一”字形转子结构的次之，而“U”形和“W”形转子结构的最小。当永磁同步电动机的气隙长度在0.35～0.5mm 范围内变化时径向式“一”字形转子结构交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比在 1.67～2.65 的范围内变化，而“U”形和“W”形转子结构的。对于切向式转子结构而言，当气隙长度在0.65～0.8mm 范围内变化时，其交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比在1.5～1.7 的范围内变化。

对于径向式结构，随着永磁体磁化方向长度hm的增加，直轴电枢反应电抗的标幺值*a dX 逐渐减小，而且随着hm的增加，δ对

*a dX 的影响逐渐减小。这是由于直轴电枢反应磁通进入转子后，将穿过永磁体，随着hm的增加直轴电枢反应磁路的磁导减小，故*

a dX 减小。一般而言，气隙长度δ的增加，应使*a dX 变小；随着永磁体磁化方向长度hm的增加，决定直轴电枢反应磁路磁导的主要是hm的大小，δ的增加对*a dX 的影响减弱。hm和δ对于交轴电枢反应电抗标幺值*aqX 的影响情况同*a dX 差不多，只是交轴电枢反应磁通穿过永磁体的量要比直轴电枢反应磁通少一些，因此气隙长度δ对*aqX 的影响要比对*a dX 的影响大一些。对于切向式结构，永磁体磁化方向长度hm、气隙长度δ对*a dX 的影响非常大，随着hm、δ的增加*a dX 呈明显下降趋势。而对*aq X 而言，随着δ的增加*aqX 下降明显，表明δ对*aqX 有较大影响。相对来说，hm对*aqX 的影响要小得多，这主要是因为交轴电枢反应磁通只有少量通过永磁体，因此对*aqX 的影响小；直轴电枢反应磁通大部分通过永磁电机模型在电机电抗参数计算过程中，只有确保电机模型的准确建立，才能保证仿真结果的正确性。利用ANSOFT 的三维建模环境Maxwell 3D 建立有限元模型，具体建模过程如下：①根据电机结构尺寸，建立电机物理模型。②确定电机材料属性。③确定有限元计算的边界条件和外源参数。④网格剖分。⑤设置求解参数,进行计算。

3 永磁同步电动机的电磁计算

（1）、主要尺寸设计特点[4]

自启动永磁同步电动机是一种在NdFeB永磁材料兴起后，而产生的新型同步电动机。目前它的主要用途就是用它来代替感应电动机。这样它的主要应用场合就是感应电动机的应用场合。它的设计特点常常考虑感应电动机的设计方法和永磁体结合。这种电动机的主要尺寸也是由电枢直径De，贴心有效长度Lef及电机的气隙长度组成。

电枢直径De及电枢有效长度Lef常借助与感应电动机标准直径和铁芯长度。特别是当设计与感应电动机同一需求，同一容量的同步电动机时，则更要参考感应电动机的主要尺寸。

永磁体的设计。

永磁体的尺寸包括轴向长度L、充磁长度h和宽度bm。永磁体的轴向长度一般与电机铁心轴向长度相等或稍小一点。因此设计电机时只要考虑永磁体宽度和充磁长度。永磁体的充磁长度h是个重要的参数,对电机的性能影响较大。增加充磁长度,则电动机过载能力、功率因数和抗去磁能力增大,但永磁体用量增加,弱磁能力降低,恒功率区范围变窄。对于永磁体宽度bm,需要根据磁负荷的要求来确定,宽度决定了永磁体提供的磁通面积。如果bm越大,永磁体可以提供的磁通面积就越大,每极磁通量也就越大,但要受到转子尺寸的限制。有公式可以估算永磁体大小,开始设计时不妨先用估算公式求出粗算值,而后根据电机性能慢慢改参数使电机达到最优。

空载漏磁系数

空载漏磁系数是指电动机空载时的总磁通与主磁通之比。它的大小仅