永磁同步电机毕业设计说明.doc

永磁同步电机毕业设计说明.doc

《永磁同步电机毕业设计说明.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步电机毕业设计说明.doc（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

永磁同步电动机的电磁设计与分析

摘要

永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。

和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。

本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。

还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。

又通过Ansoft软件Maxwell2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。

关键词　永磁同步电动机；电磁设计；性能分析

ThedesignofPermanent-MagnetSynchronousMotor

Abstract

PMSM（Permanent-MagnetSynchronousMotor）isanewtypeofmotor,whichhastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume, lightweight, lowloss, highefficiency.ComparedwiththeDCmotor,ithasnoDCmotorcommutatorandbrush.Comparedwiththe asynchronousmotor,becauseit doesnotrequire no powerexcitation current,Ithastheadvantagesofhighefficiency,highpowerfactor,largemomentofinertia,statorcurrentandsmallstatorresistanceloss.

Thepapermainlyintroducesthe PMSM'sdevelopment backgroundandforeground, workingprinciple, developmenttrend,takingasynchronous startpermanent magnetsynchronousmotorasanexample,itintroducesindetailthe electromagnetic designofPMSM,thatmainlyincludesthe rateddata andtechnicalrequirements, maindimensions,permanentmagnet calculation,rotorandstatorpunching,windingcalculation,magnetcircuitcalculation,parameterscalculation,performancecalculation,calculationofstartingperformance,andalsoliststherevevantexamples.WeaslocananalysetheperformanceofPMSMthroughtheRmxprtmoduleofAnsoftsoftwareandconcludethatthecharacteristiccurveofefficiency,power,torque.Bychanging two parametersofthemotor,Igettheoptimalscheme ofthemotor.Through transient moduleofAnsoftsoftware Maxwell 2D tosimulatethe motorparameters,themagneticfielddistribution ofthe motor iscalculated,I canbeobtainedthecurvesofthe currentandthetorque,thedistributionofmagneticlineofforceandthedistributionofmagneticfluxdensity.

KeywordsPMSM;Motordesign;Performanceanalysis

目录

摘要…… I

Abstract II

第1章绪论 4

1.1课题背景 4

1.2永磁电机发展趋势 5

1.3本文研究主要容 6

第2章永磁同步电动机的原理 7

2.1永磁材料 7

2.1.1永磁材料的概念和性能 7

2.1.2钕铁硼永磁材料 8

2.2永磁同步电动机的基本电磁关系 9

2.2.1转速和气隙磁场有关系数 9

2.2.2感应电动势和向量图 10

2.2.3交直轴电抗及电磁转矩 12

2.3小结 13

第3章永磁同步电动机的电磁设计 14

3.1永磁同步电机本体设计 14

3.1.1永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 14

3.1.2定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 15

3.1.3转子铁心的设计 16

3.2永磁同步电动机本体设计示例 18

3.2.1额定数据及主要尺寸 18

3.2.2永磁体及定转子冲片设计 19

3.2.3绕组计算 23

3.2.4磁路计算 26

3.2.5参数计算 29

3.2.6工作特性计算 33

3.2.7起动特性计算 37

3.3小结 41

第4章永磁同步电动机的性能分析及磁场分析 42

4.1永磁同步电动机的性能分析 42

4.1.1永磁同步电动机性能曲线 42

4.1.2重要参数的变化对性能的影响 44

4.2永磁同步电动机的磁路分析 46

4.2.1永磁同步电动机的模型 46

4.2.2在AnsoftMaxwell2D中运行后的结果图 47

4.3小结 52

结论 53

致 54

参考文献 55

附录A 56

第1章绪论

1.1课题背景

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，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，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、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，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展[1]。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化，提高了可靠性，又节约用铜，省去了转子铜耗，提高了电机效率[2]。

因而应用围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域[3]。

新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展，同时也解决了制约稀土永磁电机发展的共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20%，加工费降低50%[4]。

日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会[5]。

从1996年，丰田汽车公司的电动机RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50kW，最高转速1300r/min到本田公2001年推出的燃料电池试验车FCX-V4的驱动电机最高功率为60kW，最大转矩为272N·m。

欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。

在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重：

英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。

德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。

其最高转速为12,500r/min，最大输出功率32kW。

美国的电动车开发比日本晚。

在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。

美国两个最高车速分别为72km/h和56km/h的短程混合电动公交车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机[6]。

1.2永磁电机发展趋势

永磁电机向大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻发展。

目前永磁同步电机广泛应用于电动汽车、有轨无轨机车、航空航天、电梯、家用电器、航海等领域，开发出高功率、高转速、高力矩、高效率、质轻的永磁同步电机，可见对节能环保、高效高质量服务等方面具有很大的推动作用，这也是永磁同步电机的发展趋势。

高功率：

德国西门子公司于1986年完成了1100kW，230r/min机电一体化的交流永磁同步推进电机；另外1760kW永磁同步推进电机装于U-212潜艇试用，其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少很多。

目前研制的永磁同步电动机最大功率为14MW，转速150r/min，用于Siemens公司和Schotel公司联合生产的SSP吊仓式电力推进系统[7]。

高转速：

超高速电机典型产品如美国通用电气公司早期研制的150kW，转速为23000r/min的航空用起动发电机和日本的1000kW，转速为15000r/min的钐钴永磁同步发电机。

超高速电机在旋转时有很大的离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。

高效率：

永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15%~20%。

美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21kg降低到4.2kg，体积减少了1/3，而且效率提高了45%。

在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上[8]；窦满锋等[9]提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电机的设计方法，研制的REPMSM比相应的异步电机效率提高6.5%，功率因数提高13%，起动转矩提高50%。

在油田抽油机上使用节能效果明显等等。

国外提高电动机效率的主要途径是：

（1）通过对同步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；

（2）采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗；（3）合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；（4）通过改进设计和工艺，降低杂散损耗。

国外已开发出高效同步电机。

美国提出将电动机推至极限，将生产超高效电动机。

我国工业大学开发的超高效稀土永磁电机效率为94.7%[10]。

永磁电机的轻型化、微型化、高功能化、专业化、微型化。

航空航天产品，电动车辆、数控机床，计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品、电梯等，都对电机提出体积小、重量轻，不同性能侧重点都提出了严格的要求；医疗微型机器、管道检修机器人等等都对微型化电机提出了挑战；宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。

已开发的150W、转速3000r/min，工作在200～300℃高温和133.3×Pa真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径105mm、长145mm，采用高温特性好的永磁体[8]。

国外专用电机占有量达80%，通用电机占有量占20%，而我国正好相反。

专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%，可见专业电机的节能潜力和高功能匹配性。

动力传动一体化电机驱动系统对整个动力传动系统（电机、减速齿轮、传动轴）进行一体化建模和控制，构建高性能、高可靠性或高精度的一体化驱动系统。

高性能、高档永磁同步电机伺服系统高性能、高档永磁同步电机伺服系统随着我国航空航天、汽车、船舶、电站设备和国防工业等制造业的高速发展，数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显。

优化方面如G.H.Lee等[11]通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力矩波动最小的优化控制；WUZhihong等[12]通过使用神经网络以速度和力矩作为输入，正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机控制永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷。

高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。

典型生产厂家如德国西门子、百格拉，美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司[13]。

1.3本文研究主要容

本文主要研究永磁同步电动机的本体设计，先掌握永磁同步电动机的原理，在此基础上对一台30kW容量的永磁同步电动机进行设计，并对其电机性能和磁场分布进行仿真分析，具体容如下：

1）论述永磁同步电动机的原理，包括永磁材料的特点，永磁同步电动机的基本电磁关系。

2）说明永磁电动机的本体设计，并对一台30kW的永磁同步电动机进行设计，包括对永磁同步电动机的永磁体设计，定、转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算和起动性能计算，得出了永磁同步电动机的工作特性表和合成转矩表。

3）用Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机进行性能分析，得到了永磁同步电动机的功率因数、电流、效率、转矩的特性曲线，分别改变了永磁同步电动机的定子铁心长，每槽导体数和永磁体磁化方向长度，得出这些参数对永磁同步电动机性能的影响。

用Ansoft软件Maxwell2D的瞬态模块进行磁场计算，得到永磁同步电动机的模型、剖分面、转矩曲线和电流曲线，不同时刻的磁力线分布图和磁通密度分布图。

第2章永磁同步电动机的原理

2.1永磁材料

2.1.1永磁材料的概念和性能

永磁材料又称“硬磁材料”。

永磁材料的主要磁性能指标是：

剩磁、矫顽力、禀矫顽力、磁能积。

我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。

永磁材料的其它磁性能指标还有：

居里温度、可工作温度、剩磁及禀矫顽力的温度系数、回复导磁率、退磁曲线方形度、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。

除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压强度、冲击韧性等。

此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。

永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。

在铁磁材料中，磁感应强度与外加磁场强度的函数关系式非常复杂，的变化落后于的变化，这种现象称为磁滞，用磁滞回线描述，如图2-1，磁滞回线宽的为永磁材料，磁滞回线窄的为软磁材料[14]。

图2-1磁滞回线

对同一铁磁材料，以不同的磁场强度分别进行反复多次反复磁化，可得到多个大小不等的磁滞回线，如下图2-2所示。

将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。

图2-2基本磁化曲线

2.1.2钕铁硼永磁材料

钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁

能积、高矫顽力、高机械强度等优点，但目前尚存在温度系数大和使用温

度低等缺点。

钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料[15]。

钕铁硼永磁的主要成分是，是目前磁性能最强的永磁材料。

它的最大磁能积可达，为铁氧体永磁材料的5~12倍、铝镍钴永磁材料的3~10倍，理论值为；剩磁可达1.47T，矫顽力最高可超过1000kA/m，能吸起相当于自身重量640倍的重物。

由于不含钴且钕在稀土中的含量远高于钐，钕铁硼的价格比稀土钴要低得多。

钕铁硼永磁的居里温度低，为310到410，温度稳定性较差，剩磁温度系数为（0.095~0.15）%/K，矫顽力温度系数为-（0.4~0.7）%/K，通常最高工作温度为150，目前已有商业化的耐200高温的钕铁硼永磁。

常温下退磁曲线下部发生弯曲，若设计不当，易发生不可逆退磁。

钕铁硼广泛应用在永磁电机中，稀土永磁材料产量的三分之一以上用来制造各种永磁电机，永磁电机的优点是省铜、省电、重量轻、体积小、比功率高。

电动自行车电机、电脑驱动电机、车床等的行速与转速的测量电机、电梯的曳引机电机、麻将电机、冰箱空调电机、风力发动电机、汽车发动电机等等应用领域极其广泛。

2.2永磁同步电动机的基本电磁关系

2.2.1转速和气隙磁场有关系数

（1）转速

稳态运行是，永磁同步电动机的转速与定子旋转磁场的转速相同，取决于电源频率和电机极对数，即

（2-1）

（2）计算极弧系数

基波磁场是实现机电能量转换的基础。

在永磁同步电动机中，可以认为空载气隙磁场是带有谐波的平顶波，计算极弧系数直接影响到基波幅值的大小。

极弧系数为

（2-2）

（3）空载气隙波形系数

在永磁同步电动机中，忽略齿槽影响，空载气隙磁密波形可以近似为矩形波，其幅值为

（2-3）

气隙磁密波形系数定义为空载气隙磁场中基波磁密幅值与气隙磁密最大值的比值，即

（2-4）

（4）电枢反应磁密波形系数

在直轴上施加直轴电枢反应基波磁动势，产生的气隙磁密最大值和磁密基波幅值分别为.和，直轴电枢反应磁密波形系数定义为

（2-5）

在较轴上施加交轴电枢反应基波磁动势，所产生的气隙磁密基波幅值为。

假设交轴位置与直轴位置的磁阻相同，则产生一假象的气隙磁密正弦波，其幅值为，交轴电枢反应磁密波形系数为

（2-6）

（5）电枢反应系数

电枢反应磁动势为正弦波，励磁磁动势为方波，两者的波形不同，求合成磁场时，通常将电枢反应磁动势折算到相应的励磁磁动势。

折算的原则是：

折算后产生的基波磁密相同。

直轴电枢反应磁动势折算到励磁磁动势时应乘以直轴电枢反应系数，交轴电枢反应磁动势折算到励磁磁动势时应乘以交轴电枢反应系数。

（2-7）

（6）空载漏磁系数的计算

永磁同步电动机的空载漏磁系数为

（2-8）

式中：

为永磁体产生的穿过空气气隙进入定子的那部分磁通；为由永磁体产生的在转子部闭合的那部分磁通。

2.2.2感应电动势和向量图

（1）感应电动势

定子绕组每相空载感应电动势的有效值为

（2-9）

式中：

为永磁体产生每极基波磁通，为定子极距。

永磁体产生每极气隙磁通，两者之比定义为气隙磁通波形系数

因此空载电动势又可以表示为

（2-10）

直轴电枢反应磁通在定子每相绕组中感应的直轴电枢反应电动势

（2-11）

与直轴电枢电抗之间满足

（2-12）

交轴电枢反应磁通在定子每相绕组中感应的交轴电枢反应电动势

（2-13）

与交轴电枢反应电抗的关系

（2-14）

气隙合成磁场在定子每相绕组中的感应电动势为

（2-15）

式中：

为永磁体和电枢反应磁动势共同产生的每极基波磁通。

图2-2永磁同步电动机的向量图

（2）永磁同步电动机的相量图

在永磁同步电动机中，定子绕组满足的电压方程为

（2-16）

故

（2-17）

根据式（2-17）可画出永磁同步电动机工作状态下的向量图，如图2-2所示。

从相量可以看出，永磁同步电动机满足以下关系

（2-18）

定子电流的直轴和交轴分量分别为

（2-19）

2.2.3交直轴电抗及电磁转矩

由于永磁体的存在，永磁同步电动机的直轴磁导较小，交轴磁导较大，分别引进了直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。

在进行计算时，可以认为不随铁心饱和程度变化，而则受磁路饱和程度影响较大，应考虑饱和影响。

（1）直轴电枢反应电抗

由永磁同步电动机相量图可知

（2-20）

式中：

直轴电枢反应去磁时取“+”号，直轴电枢反应助磁时取“-”号。

（2-21）

式中：

是电枢电流为纯直流时的基波气隙磁通。

直轴电枢电流产生的直轴电枢反应磁动势幅值为

（2-23）

永磁体产生的磁动势近似为方波，而直轴电枢反应磁动势为正弦波，从产生基波磁动势的角度出发，将直轴电枢反应磁动势折算到作用在永磁体上的方波磁动势

（2-24）

据此进行磁路计算，得到永磁体的工作点，则

（2-25）

式中：

。

对于串联式磁路结构，。

因此直轴电枢反应电抗为

（2-26）

（2）交轴电枢反应电抗

（2-27）

（3）永磁同步电动机的电磁转矩

永磁同步电动机的输入功率为

（2-28）

将式（2-18）代入（2-28）得

（2-29）

将式（2-29）扣除定子损耗就是包括铁耗和杂散损耗在的电磁功率，即

（2-30）

通常定子绕组电阻较小，忽略其影响，则

（2-31）

永磁同步电动机的电磁转矩为

（2-32）

式中：

和分别为电动机的机械角速度和电角速度。

2.3小结

本章对永磁同步电动机的原理进行了介绍，介绍了永磁材料和永磁同步电动机最常用的钕铁硼永磁材料，对永磁同步电动机的基本电磁关系进行了说明，讲解了永磁同步电动机的基本向量图，给出了永磁同步电动机的重要关系式，是了解永磁同步电动机的重要基础。

3章永磁同步电动机的电磁设计

3.1永磁同步电机本体设计

3.1.1永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标

与感应电动机相比永磁同步电动机虽然有诸多性能方面的优点，但在产品种类，使用场合和设计技术的成熟方面都存在一定差距。

永磁同步电动机主要在要求高效节能的场合替代感应电动机，因此设计的目标是：

高功率因数、高效率、起动性能好、经济好、工作可靠。

永磁同步电动机设计就是根据产品规格、性能要求和外形尺寸要求等。

在永磁电机的设计中,永磁材料的尺寸确定是非常重要的。

永磁体的设计包括永磁材料的种类、形状、摆放位置和尺寸大小。

永磁体尺寸包括轴向长度lm、磁化方向长度hm和磁化方向宽度bm。

lm通常等于或略小于电机的轴向长度，实际上，只需要设计永磁体在永磁电机横截面上的尺寸hm和bm。

结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论和计算方法，设计出性能要求和外形尺寸要求等，结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论与计算方法，设计出性能符合要求、可靠性高、经济型号的合格产品。

下面列出额定数据和主要性能指标要求[14]。

永磁同步电动机的额定数据组要有：

（1）额定功率：

额定运行时转轴上输出的机械功率。

（2）额定电压：

额定运行是的供电电压。

（3）额定频率：

额定运