稀土永磁电机ppt介绍

综合电励磁及永磁体励磁两 种电机优点
实现了无刷化， 免维护
可以根据电压的变化 通过改变电励磁电流 的大小和方向来调节 磁场，进而调节电压
辅助电励磁部分的损 耗小，保留了永磁发 电机的高效率特点
2.3 混合励磁发电机
混合励磁发电机的一种典型结构
2.3 混合励磁发电机
以一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机为例
1.1 盘式永磁电机
磁场分布
电流波形
磁场－电路耦合计算
1.1 盘式永磁电机
磁场－电路耦合计算
焦耳热
流场－温度场耦合计算的热源
1.1 盘式永磁电机
流速电分机布整机的温度场分布 转子的温度场分布
1.1 盘式永磁电机
其转矩密度达 8.5kN/m2，为 传统电机的2 倍左右。
180kW盘式永磁电机
1.2 横向磁通永磁电机
71.44 55.76 54.14
70
2.06
59.6
6.44
50.7
样机的定子和转子
2.3 混合励磁发电机
该电机具有以下特点：
（1）不加电励磁时，发电机的固有电压调整率为 10.72%；加电励磁时，发电机的电压调整率仅在 1%的范围内 (2) 调节特性基本呈直线分布，调节特性好 (3) 效率高，在额定负载时，效率达91.26%
(4) 空载线电压波形畸变率小，仅为1.98%
1.3 无铁心永磁电机
从图中可以看出,沿圆周方 向,磁场呈周期性分布,在电 机的端部有一个很大的轴 向分量磁密。
无铁心永磁电无机铁气心隙表电面机磁磁密的密矢矢量分量布分布图
1.3 无铁心永磁电机
已制成的2.2kW 8极无铁心永磁 电机的实物照片， 其效率90％，功 率密度比传统电 机提高1倍以上， 噪声57dB。
1.2 横向磁通永磁电机
功率因数为0.8， 转矩密度为传统 电机的2.5倍左右。
15kW横向磁通永磁电机照片
1.2 横向磁通永磁电机
横向磁通永磁电机实验中
1.3 无铁心永磁电机
传统电机的磁场是由电流产生的，为了减少 磁路的磁阻，都选用高磁导率的硅钢片叠压 制成定、转子铁心，导致体积大、重量大(铁 心重占总重的60%左右)、损耗大(铁心损耗 占总损耗的20%~30%)、振动噪声大(铁心有 齿有槽是产生电磁噪声的根源)，难以满足高 性能调速系统的要求。
齿顶漏磁示意图
3.1 转矩脉动仿真及抑制
永磁体产生的磁通通过气隙进入定子后，有一 部分经过定子齿后又返回转子，并未匝链定子 绕组，这部分磁通称为齿顶漏磁通。
当极数和槽数相近时，齿顶漏磁通占整个漏磁 通的比例很大，有的高达50.4%，需要进行详 细分析计算。
3.1 转矩脉动仿真及抑制
不同极槽配合的分数槽绕组产生的谐波次 数及大小都是不同的，由此产生脉动转矩 的大小不尽相同，采用有限元分析软件进 行场路耦合仿真。
轴向磁通（盘式）永磁电机 横向磁通永磁电机 无铁心永磁电机
1.1 盘式永磁电机
盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场 是轴向的，可以使电机制成扁平型，可获得 很高的转矩密度。如制成多气隙组合式结构， 可以进一步提高转矩，特别适合于大转矩直 接驱动装置。
1.1 盘式永磁电机
a) 单边 b) 外转子 c) 内转子 d) 多盘
流体和结构在网格界面处 的相互作用引起声压施加 给结构一个强迫力，并且 结构运动产生一个有效的 “流体载荷”。
流固耦合边界标志
3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机 的振动噪声
有限元计算噪声与实验结果对比
样机 a）定计子算四阶值模/d态B(A) 实验值/bd）B(整A)机七阶模误态差(%)
1
62.8 模 态 60.76
稀土永磁电机追求达到高功率密度、高效率、 高动态响应和低速平稳性、低振动噪声
电机的电磁负荷高，结构新颖而又 多样，增加了设计分析、仿真计算 和研究开发的复杂性。
电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统
涉及到电磁、机械、电子、流体、热学 等多个学科
相互影响 运用和发展多场耦合系统，弄清各种场 的分布规律及其控制技术。在此基础上 对各种参数进行综合分析比较和优化。
分类
1
新型结构永磁电机
2
永磁发电机
3
交流永磁伺服电动机
4
高效异步起动永磁电动机
1 新型结构永磁电机
随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推进等大功 率电气传动技术的发展,人们对低速、高转矩密 度、直接驱动电机的要求日益迫切,以减小电机 的体积、重量和原材料的消耗,提高电机的功率 （转矩）密度。
为更好地适应这些特殊行业的需要，在传统 径向磁通永磁电机的基础上出现了:
转子支架位移场分布矢量图及重力方向位移云图
锥形支撑位移场分布矢量图及重力方向位移云图
2.2 半直驱式永磁风力发电机
由于在同样功率时， 电机的重量与其转速 成反比，MW级的直 驱永磁风力发电机重 几十吨，甚至一百多 吨，运输和吊装都比 较困难。
发电机的吊装图
2.2 半直驱式永磁风力发电机
每台电机用钕铁硼永磁1吨多。因此又 出现了经一级齿轮增速的半直驱式永磁 风力发电机，150～200rpm，重量可以 成倍减小。
应用场合遍及计算机、工程装备、交通运输、 风力发电、家用电器、医疗设备、航空、航 海、航天、兵器等各个领域，显示出了强大 生命力。
中国的稀土资源丰富
品种全、质量高、得天独厚！
2005年世界稀土资源分布状况
我国钕铁硼永磁产量占绝对优势
1996年
烧结钕铁硼产量分布
2006年
中国稀土矿的储量居世界首位，烧结钕 铁硼永磁的产量约占世界总产量的四分 之三左右。这一得天独厚的丰富资源为 中国稀土永磁电机的发展和应用提供了 极为有利的条件。
盘式永磁电机结构
1.1 盘式永磁电机
盘式永磁电机的优点是转矩密度高， 由此带来的关键技术之一是冷却系 统的合理设计和电机温度场分布， 需要进行三维流场-温度场耦合分 析。
1.1 盘式永磁电机
电机的温度场分布取决于冷却介质和损耗的 分布，为了能够获得电机温度的准确分布， 需要建立永磁电机磁场－电路－流场－温度 场的耦合计算模型，在产品开发阶段完成热 性能分析，从而降低试验成本，缩短设计周 期。
电机定子、转子实物照片
1.3 无铁心永磁电机
无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机的对比分析
电机型号 中心高
Y2-132S-8 TYB2200-750 比较结果
132
112
额定功率/W
2200
2200
效 率/％ 功率因数
78.0
89.8
提高11.8％
0.71
0.95
提高0.24
该功类率密电度/机W·k在g－1数控3机3.85床、机6器8.75人、提电高动103车％ 、电
针对8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永 磁同步电动机对它们的噪声大小进行分析计算。选
取了8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永 磁同步电动机不同对极它槽们配的合噪电声磁大噪声小的进计行算分析计算。
极槽配合 计算值dB（A） 实测值dB（A） 误差(%)
8极9槽 8极36槽 8极48槽
梯、噪家声/d用B(A电) 器等要71 求较高的57 控制降场低合14d具B（有A）广
阔的应用前景。
2 永磁发电机
永磁发电机
直驱低速永磁风力发电机
混合励磁发电机
半直驱式永磁风力发电机
2.1 直驱低速永磁风力发电机
当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主 导地位，而直驱永磁风力发电机组的应用 越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大 提高了可靠性和效率，提高了单位kW的 发电量。国内已成功开发出1~3MW的直 驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。
可以实现电励磁电机 所难以达到的高性能
稀土永磁电机 的发展方向
大功率化 高功能化 微型化
小型
大型
功率 体积
几mW 直径0.8mm、长1.2mm
几十 MW 直径12m
重量
一百多吨
转速
几小时1转
每分钟几十万转
电机结构也不再局限于传统的径向磁通结 构，出现了无铁心、轴向磁通、横向磁通、 直线、双定子、双转子等新型结构。
措施之一是斜极
在径向磁通电机中斜极的 永磁体机构
在轴向磁通电机中的斜极结构
3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机 的振动噪声
高性能伺服系统要求电机的振动噪声很低， 需要采取振动噪声抑制技术，为此需要进 行三维瞬态磁场-声场额耦合分析计算。
3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机 的振动噪声
声场分析是流体—结构 相互作用的耦合场计算， 是瞬态的声学分析。
1.3 无铁心永磁电机
利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）的 优异特性而不用或少用硅钢片，制成无铁心
永磁电机，则电机的重量可以大幅度下降、
效无率铁提心高电、机振的动三噪维声磁显场著是降开低域，的同，时分具析有计更 低算的的转关动键惯技量术、之更一快是的如响何应确速定度三、维更开宽域的场调 速的范边围界、条更件长和的对使计用算寿结命果。的有效处理。
高，在轭部与
齿部的交接面 最高。
电机磁密分布
1.2 横向磁通永磁电机
气隙磁密分布图
每一个气隙带的 磁密分布相间， 呈半正弦波形的 磁密分布，即一 段磁密达到正的 最大幅值，而相 连的下一段则出 现零磁密。
1.2 横向磁通永磁电机
气隙磁密分布图
对于内外气隙磁密 带，分布正好相对， 即外气隙带出现磁 密正的最大幅值时， 内气隙带则出现零 磁密，反之亦然。
半直驱永磁风力发电机
2.3 混合励磁发电机
在发电机运行中为了保持电压不变，需要 进行磁场调节。对于永磁发电机来说，转 速的变化或负载电流的变化会造成输出电 压的变动，但由于永磁电机的气隙磁场是 由永磁体和磁路磁导决定的，调节气隙磁 场困难而导致电压调节困难。
2.3 混合励磁发电机
混合励磁同 步发电机
传统电机的齿和槽在同 一平面内，齿宽和槽宽 互相制约。改成横向磁 通电机后可以使转矩密 度相当于传统结构电机 的2～5倍，特别适用于 车、船等直接驱动场合。
传统径向磁通电机的磁路
1.2 横向磁通永磁电机
横向磁通永磁电机结构复杂, 内部磁场呈复杂的三维分布, 在转子和定子铁心的齿部, 磁 通沿径向流通, 而定子铁心轭 部的磁通沿轴向流通, 流通方 向相互垂直。
2.1 直驱低速永磁风力发电机
单支撑结构的直驱式永磁风力发电机结构图
2.1 直驱低速永磁风力发电机
由于电机结构及受力情况比较复杂，采 用传统的计算已经不能满足要求，故需 采用有限元软件对电机进行强度和刚度 分析计算。
2.1 直驱低速永磁风力发电机 计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加相 应载荷及约束进行强度分析，可得到不同构件的 位移场分布矢量图及重力方向位移云图。
3.4
2
76.2
72.51
5.1
3
82.9
82.0
1.1
3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机 的振动噪声
有限元计算振动速度与实验结果对比
样机 计算值/ mm﹒s-1 实验值/ mm﹒s-1 误差(%)
1 节点压力1.云51图
2
0.992
1节.5点3 位移云图 1.3
1.02
2.7
3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机 的振动噪声
需要用三维电磁场分析计算 来弄清其电磁场分布规律和 优化设计规律，进而提高其 性能。
横向磁通电机的磁路
1.2 横向磁通永磁电机
横向磁通电机的一种典型结构图
1.2 横向磁通永磁电机
定子结构
1.2 横向磁通永磁电机
转子结构
1.2 横向磁通永磁电机
定子齿外端的பைடு நூலகம்
端部漏磁很大。
磁密较低，越
往里齿磁密越
不同极槽配合下的转矩波动
极槽8数极9槽转矩脉8动-9曲线 8-36
转矩波动
9.4% 13.2%
8-48 17.6%
3.1 转矩脉动仿真及抑制 对齿槽转矩需采取多种措施加以抑制，如：
优化磁极形状 将定子槽斜槽或永磁体斜极 增设辅助槽 优化极弧因数 这些使三维磁场的计算更为复杂。
3.1 转矩脉动仿真及抑制
3 交流永磁伺服电动机
高性能永磁交流伺服电动机的优点有 动态响应速度快 低速平稳性好 转动惯量小 效率高、功率因数高
它广泛用于机床、机器人、电动车、 电梯、家用电器等场合。
3.1 转矩脉动仿真及抑制
近年来永磁交流伺服电机采用槽数与极数接近 的分数槽绕组越来越多，通过三维电磁场分析 可得，由于采用槽数与极数相近的分数槽绕组， 在电机的漏磁通中存在着齿顶漏磁通。
稀土永磁电机的 研究与多物理场分析
唐任远
国家稀土永磁电机工程技术研究中心
电机磁场
靠电流 产生
稀土永磁 产生
效率低 可靠性低 功率因数低
高效、高功率因数 结构简单、运行可靠 体积小、重量轻 反应快，动态性能好 形状和尺寸灵活多样
与电力电子技术、现 代控制技术等先进技 术相结合
稀土永磁电机
可以部分替代传 统的电励磁电机