毕业设计论文内置式异步起动永磁同步电动机设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文内置式异步起动永磁同步电动机设计摘要随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电动机相比，有效率高、功率因数高、体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机已经在国外蓬勃发展，而在国内电机行业也以惊人的速度在发展。本文设计了一台额定功率15kW、额定转速为1500rpm的永磁同步电动机。采用了高性能的钕铁硼永磁材料提高电机的功率密度。主要进行了电机的磁路计算、绕组计算、参数计算、损耗计算。通过改变电动机电枢铁心长径、磁钢片厚度、气隙长度和定、转子槽配合方式，对比分析了电动机的性能，对电动机进行优化设计，实现小型化和高效节能运行的目的，并且降低了电动机的成本。利用基于有限元Ansoft软件进行了电机参数的相关计算，与电机设计的传统磁路法进行了对比，分析了两者之间的误差以及误差产生的原因，提高了电机设计的准确性。关键词永磁同步；电磁计算；有限元仿真Design of Internal Rotor Line Start Permanent Magnet Synchronous MotorAbstractWith advances in magnetic materials technology and electronic power technology development, technical difficulties are gradually being overcome; the market is gradually being occupied by permanent magnet synchronous motor. Permanent magnet synchronous motors compare to asynchronous motors, there are high efficiency, high power factor, small size, energy-saving advantages. In today's emphasis on saving energy, with the concept of environment protection, energy-saving materials, permanent magnet synchronous motor has been flourishing in foreign countries, and in the national domestic, motor industry at an alarming rate in the development.Depended on the practical technical requirements, a high performance NTP permanent magnet motor is designed. The rated speed is 1500rpm, and the rated power is 15kW. The magnetic circuit design, winding design, parameter calculation and loss calculation are carried on. The inductance parameter that impacts the control performance of the motor is calculated and simulated by Ansoft, and the result is compared to the conventional magnetic circuit calculation. Through the change of the length of length armature, the thickness of the silicon steel sheet, air gap length and the pole slot number, the motor design is optimized. The low cost, small volume and high efficiency motor is obtained.Keywords Permanent magnet synchronous；Electromagnetic calculation; FEM simulation 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 永磁同步电动机概述11.1.1 永磁同步电动机特点11.1.2 存在问题21.1.3 发展趋势21.2 电磁场有限元分析简介41.3 本文主要研究内容5第2章 异步起动永磁同步电动机的基本原理62.1 稀土永磁材料62.1.1 稀土钴永磁材料62.1.2 钕铁硼永磁材料62.2 基本结构72.2.1 定子结构72.2.2 转子结构82.2.3 转子磁路结构82.3 工作原理112.4 本章小结12第3章 15kW异步起动永磁同步电动机电磁计算133.1 额定数据和技术要求133.2 电磁计算程序143.2.1 主要尺寸143.2.2 永磁体计算153.2.3 定、转子冲片163.2.4 主要尺寸163.2.5 绕组计算183.2.6 磁路计算203.2.7 参数计算233.2.8 交轴磁化曲线263.2.9 工作特性计算263.2.10 起动性能计算293.3 本章小结32第4章 永磁同步电动机的有限元仿真及方案分析334.1 永磁同步电动机的有限元仿真334.1.1 空载仿真结果354.1.2 负载仿真结果384.2 仿真结果分析404.3 多方案分析414.4 本章小结41结论42致谢43参考文献44附录A 常用定、转子槽比漏磁导计算45附录B 外文文献47附录C 外文文献翻译59千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 永磁同步电动机概述随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较，有效率高、功率因数高、体积小、节能、高功率密度、高力矩/惯量比、结构紧凑等优点的极具发展前景的新型电动机，在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机由于具有其他电动机所不可替代的优越性已经在国外蓬勃发展，国内电机行业也以惊人的速度在发展1。永磁同步电动机，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1、甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高28个百分点。而且，永磁同步电动机在25%120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。1.1.1 永磁同步电动机特点永磁同步电机采用永磁体励磁，具有电励磁电机无可比拟的优点2-3。具体说明如下：1.效率高 在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。2.功率因数高 永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资。3.起动转矩大 在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机)中，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的Y系列电机。如果37kW永磁同步电机代替45kW55kW的Y系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统的运行效能。4.力能指标好 Y系列电机在60%的负荷下工作时，效率下降15%，功率因数下降30% ，力能指标下降40%；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的80%以上。5.温升低 转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。6.体积小，重量轻，耗材少 同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30%左右。7.可大气隙化 便于构成新型磁路。8.电枢反应小 抗过载能力强4。1.1.2 存在问题在开发高性能永磁同步电机过程中，取得上述成果的同时，也得到了一些问题5，有待于更深入地研究和探索。1.不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降，甚至无法使用。因此，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力，以便设计和制造时，采用相应措施保证永磁同步电机不失磁。2.成本问题 铁氧体永磁同步电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了广泛应用。由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。3.控制问题 永磁同步电机不需外界能量即可维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中，可以不进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需把永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外，以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统，由于永磁同步电机本身是具有一定非线性、强耦合性和时变性的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此采用先进控制策略、先进的控制系统实现方式(如基于DSP控制)，从整体上提高系统的智能化和数字化水平，这应是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的一个主要突破口6。1.1.3 发展趋势根据反电势波形的不同，交流永磁同步电动机可以分成两大类：方波驱动永磁同步电动机和正弦波驱动永磁同步电动机。交流永磁同步电动机的发展是与永磁材料技术、电机结构、电力电子技术、微电子技术和电机控制理论的发展历史是紧密相关的。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人了一个新的时期，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。1.超高速电机 永磁同步电机不需要励磁绕组，结构比较简单，磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制成的电机，如美国通用电气公司研制的、的径向气隙型转子结构航空用稀土永磁发电机，外转子型用于电动车的、的电机。目前正在研制每分钟几十万转的电机。2.高转矩大功率电机 耐热、高磁性能钕铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁同步电机中获得重要应用。运输业和工业中诸如电动汽车、混合型(内燃机与电动机并用)动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等，对大功率电动机的需求正在增长。船舶推动电机要求低速大转矩。德国西门子公司于1986年研制、的六相永磁同步电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积可减小60%左右，损耗可降低20%左右7。另外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40%。瑞士ABB公司已经建造了超过300艘的电力推进船舶最大安装容量达到了，其研制的400kW到永磁同步电机用于：“Compact Azipod”吊舱式电力推进系统。法国热蒙工业公司1987年研制的、永磁电机样机与直流电机相比，体积也减少了40%。1996年，12相、永磁推进电机及控制装置已完成研制及所有的实船试验。同年，英国展出了“海航”号轻型隐身护卫舰设计模型。该舰装有两台永磁同步电机在巡航或隐身时直接驱动螺旋桨。 3.微型化 由于钕铁硼永磁的最大磁能积很高，特别是能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以制作的超微型和低惯量电动机得以实现。目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。现已制成外径、长的世界上最小的永磁电动机。4.高功能化 在高温、高真空度或空间狭小等特殊场合难以使用传统电机，而稀土永磁电机可以耐高温(指钐钴或高耐热性钕铁硼磁体)，且体积小，正好能满足这些特殊要求。宇航设备中的机械手、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。已开发的有150W、，工作在200300高温和真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径、长，采用高温特性好的永磁体7-8。1.2 电磁场有限元分析简介电磁场的分析和计算通常归结为求微分方程的解。对于常微分方程，只要由辅助条件决定任意常数之后，其解就是唯一的。对于偏微分方程，使其解成为唯一的辅助条件可分为两种：一种是表达场的边界所处的物理情况、称为边界条件；另一种是确定场的初始状态，称为初始条件。边界条件和初始条件合称为定解条件。目前，电磁场问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题边值问题。有限元法是将整个求解区域离散化，分割成许多小的区域，称之为“单元”或“有限元”， 传统的有限元法以变分原理为基础，把所要求解的微分方程型数学模型边值问题，首先转化为相可以应的变分问题，及泛函求极值问题；然后利用剖分插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，及最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解9。在19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了适用于所有宏观电磁现象的数学模型，称之为麦克斯韦方程组。它是电磁场理论的基础，也是工程电磁场数值分析的出发点。麦克斯韦方程组包括微分和积分两种形式，在此仅给出它们的微分形式，通过它们可以导出能用有限元处理电磁问题的微分方程。法拉第电磁感应定律： (11)麦克斯韦安培定律： (12)高斯电通定律： (13)高斯磁通定律： (14)电荷守恒定律： (15)电磁场的经典描述是麦克斯韦方程组，电机电磁场分析般采用位函数表示，位函数比场量本身更容易建立边界条件。位函数包括磁矢位和磁标位，由于使用磁矢位可以很方便地给出磁力线分布并求出磁通，目前二维电磁场计算大都采用磁矢位。在电磁场问题求解中，有各种各样的边界条件，结合Maxwell 3D/2D,归结起来可概括为6类。1.自然边界条件 自然边界条件是软件系统的默认边界条件，不需要用户指定。是不同媒介交界场量的切向和法向边界条件。2.诺伊曼边界条件 电磁场教科书中常常称诺伊曼边界条件为第二类边界条件，它规定了边界处势的法向导数分布。Maxwell所提到的是齐次诺伊曼边界，即法向导数是零。它是Maxwell系统默认的边界条件，不需要用户指定。3.狄利克莱边界条件 电磁场教科书中常常称狄利克莱边界条件为第一类边界条件，有限元计算领域，常常称其为约束边界条件，或本质边界条件。它规定了边界处势的分布，势是边界位置的函数，也可以是常数和零。4.对称边界条件 对称边界条件包括奇对称和偶对称两大类。奇对称边界可以模拟一个设备的对称面，在对称面的两侧电荷、电位、电流大小相等，符号相反。偶对称边界可以模拟一个设备的对称面，在对称面的两侧电荷、电位、电流等满足大小相等、符号相同。采用对称边界条件可以减小模型的尺寸，有效地节省计算资源。5.匹配边界条件 匹配边界条件是模拟周期性结构的对称面，使主边界和从边界场量具有相同的幅度，相同或想反的方向。6.气球边界条件 气球边界条件是Maxwell 2D求解器常见的边界条件，常常指定在求解区的外边界处，用于模拟绝缘系统等。除此之外，有一些求解器中还有各自“特色”的边界条件，如交变电场中的电阻边界、涡流场中的阻抗边界，主要用来模拟很薄的介质层。1.3 本文主要研究内容1.总结并阐述永磁同步电机的特点、存在问题和发展趋势，简单介绍有电磁场有限分析，及异步起动永磁同步电动机的基本工作原理。2.基于Ansoft的异步起动永磁同步电机设计软件进行计算和仿真，并通过输入要求指标数据，计算并显示电机设计的参数结果。3.实并通过改变参数来分析各参量变化后对电机的影响，实现优化电机设计。第2章 异步起动永磁同步电动机的基本原理异步起动永磁同步电动机式具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电动机和电励磁同步电动机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步转速，鼠笼转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电动机基本相同，不同之处在于永磁同步电动机由永磁体提供机电能量转换所需要的磁场，取消了电励磁永磁同步电动机中的集电环、电刷以及励磁电源，结构简单紧凑、能量密度显著提高，随着永磁体材料性能的不断提高和对节能的迫切需求，异步起动永磁同步电动机在纺织、油田等行业得到了较大范围的应用。 2.1 稀土永磁材料稀土钴永磁和钕铁硼永磁都是高剩磁、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料，但在某些性能上有较大区别，所以分别介绍。2.1.1 稀土钴永磁材料稀土钴永磁材料是60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料。其特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都很高。稀土钴永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外稀土钴永磁材料的温度系数比铁氧体永磁材料低，通常为左右，并且居里温度较高，一般为710880。因此这种永磁材料的磁性能稳定性最好，很适合用来制造各种高性能的永磁电机。缺点是目前的价格还比较昂贵，致使电机的造价较高。由于稀土钴永磁材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或线切割加工，所以在永磁体尺寸的设计上要避免过多的加工余量以免造成浪费和成本增加。2.1.2 钕铁硼永磁材料钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴永磁。室温下剩余磁感应强度现可高达1.47T，磁感应矫顽力可达，最大磁能积高达，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广和应用。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为300410左右；温度系数较高，的温度系数可达，的温度系数达。因而在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是它的一大弱点。所以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为1040。不同涂层的抗腐蚀能力不一样，环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击能力良好，抗盐雾能力较差。因此需根据磁体的使用环境来选择合适的保护涂层。另外，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲，为此使用普通钕铁硼永磁材料时，一定要校核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性10。2.2 基本结构与其他旋转电机一样，异步起动永磁同步电动机由定子和转子组成，定定转子之间存在空气隙。如图21为异步起动永磁同步电动机转子磁路结构示意图。图21转子磁路结构1转轴；2永磁体槽；3永磁体；4转子导条2.2.1 定子结构永磁同步电动机的定子结构与感应电机相同。为减小磁场引起的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁心通常由厚的硅钢片叠压而成，上面沖有均匀分布的槽，内嵌三相对称绕组。定子槽型通常采用半闭口槽，如图22所示，其中梨形槽的槽面积利用率高，冲模寿命长，且槽绝缘的弯曲程度较小，不易损伤，应用广泛。定子绕组通常由圆铜线绕制，为减小杂散损耗，大多采用双层短距和星形接法，小功率电动机中也有采用单层绕组的，特殊场合也有采用正弦绕组的。 (a) (b)图22定子槽型(a)梨形槽 (b)梯形槽为提高零部件的通用性、缩短开发周期，在进行异步起动永磁同步电动机设计时，常常选用感应电机的定子冲片、机壳、端盖和轴等。2.2.2 转子结构按照转子是否有起动笼，可将转子结构分为实心永磁体转子和笼型永磁体转子。实心永磁体转子铁心由整块钢加工而成，上面铣出操以放置永磁体。这种结构靠旋转磁场在转子铁心感应的涡流产生的转矩起动，无需起动绕组。有时为提高起动转矩，采用表面镀铜的方法增大涡流。 图23 转子槽型笼型永磁转子是最常见的结构，转子铁心由厚的硅钢片叠压而成，上面沖有均匀分布的槽，通常采用半闭口槽，如图23所示。 需要注意的是，感应电机中常采用转子斜槽，但在永磁同步电动机中，由于受永磁体放置的限制，通常采用定子斜槽。2.2.3 转子磁路结构异步起动永磁同步电动机的永磁体放置在转子上，其放置的方式影响到气隙磁通、漏磁乃至电机的性能，是永磁同步电动机设计的核心问题。按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般分为三种：表面式、内置式和爪极式。1.表面式转子磁路结构 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。表面式转子磁路结构又分为凸出式（图24(a)）和插入式（图24(b)）两种，对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于转子结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。(a) (b)图24 表面式转子磁路结构 (a) 凸出式 ；(b)插入式1永磁体；2转子铁心；3转轴表面凸出式转子结构 由于具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛的应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形接近于正弦波的磁极形状，可显著提高点顶级乃至整个传动系统的性能。表面插入式转子结构 这种结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、成本低，应用较为广泛，尤其适用于矩形波永磁同步电动机。但转子表面无法安装起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。2.内置式转子磁路结构 这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且有易于“弱磁”扩速。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，.内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。径向式结构 即每对极磁路中有两个永磁体串联起来提供磁动势，由一个永磁体的截面积提供每极磁通。这类结构（图25(b)）的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。(a)切向式 (b) 径向式 (c)混合式图25 典型的内置式转子磁路结构1铁心；2永磁体3导条；4空气槽；5轴切向式结构 即每对极磁路中只有一个永磁体提供磁动势，但由两个永磁体并联提供每极磁通。这类结构（图25(a)）的优点是漏磁系数较大、并且需采用相应的隔磁措施电动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机的极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势便显得更为突出。此外，采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻转矩中的比例可达40%，这对充分利用磁阻转矩，提高电机功率密度和扩展电机的恒功率运行范围都是很有利的。混合式结构 这类结构（图25(c)）集中了径向式和切向式结构的特点，但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本也比较高。3.爪极式转子磁路结构爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个个圆环形的永磁体构成。爪极式转子磁路结构永磁同步电动机的性能较低，又不具备异步起动能力，但结构和工艺较为简单。4.隔磁措施为不使电机中的漏磁系数过大而导致永磁体材料的利用率过低，应注意各种转子结构的隔磁措施。图26为几种典型的隔磁措施。隔磁磁桥很窄通过较小的磁通就可使其达到饱和，从而限制漏磁，磁桥的宽度越小，隔磁效果越明显，但机械强度越差，通常为左右11。图26 常用的隔磁措施1转子铁心；2轴；3永磁体；4隔磁磁桥；2.3 工作原理异步起动永磁同步电动机静止时，定子三相绕组上施加三相对称电压，产生定子旋转磁场，定子旋转磁场相对转子旋转，在转子绕组内长生多相对称电流，进而产生转子旋转磁场。定子旋转磁场与转子旋转磁场转速相同、转向相同，共同作用，产生异步转矩，使转子加速。在这个过程中，转子永磁磁场与定子旋转磁场转速不同，产生交变转矩。当转子加速到接近同步转速时，转子永磁磁场与定子旋转磁场的转速非常接近，二者相互作用，产生转矩，将转子牵入到同步运行状态。在同步运行状态下，转子绕组内不再产生电流（忽略定子谐波磁场产生的转子电流），此时转子上只有永磁磁场，它与定子旋转磁场相互作用，产生驱动转矩。由此可见，异步起动永磁同步电动机是靠转子绕组产生的异步转矩实现起动的，起动完成后转子绕组不再起作用，而由永磁体和定子绕组共同产生驱动转矩，这就是异步起动永磁同步电动机的工作原理。永磁同步电动机由于在转子上安放了永磁体，使得其起动过程比感应电动机更为复杂；在起动过程中既有平均转矩，又有脉动转矩，且这些转矩的幅值均随电动机的转速的变化而变化。下面对异步起动永磁同步电动机的起动过程进行简要分析。为清晰起见，先不考虑永磁体的作用，就把三项永磁同步电动机看成一台转子磁路不对称的三相感应电动机。在起动过程中，当定子绕组馈以频率为的三相对称交流电流时，在气隙中产生的磁场以同步转速旋转。设起动某一瞬间电动机的转差率为电动机转子以的转速旋转，则在转子起动绕组中感应出频率为的交流电流。由于转子磁路的不对称，转子电流产生的转速分别为和，相对于定子的转速分别为和。转子的正旋转磁场与定子旋转磁场的转租都是（相对于定子），彼此相对静止，相互作用产生感应电动机那样的异步转矩。转子的反旋转磁场与定子绕组中感应出频率为的电流，所产生的定子旋转磁场转速也是，与转子反旋转磁场也是彼此相对静止，两者互相作用产生另一异步转矩，称为磁阻负序分量转矩。这相当于又一台感应电动机，但转子是初级绕组，定子是次级绕组。当，即时，相当于这台感应电动机运行于同步转速，在次级绕组（定子）中无感应电流，转矩为零。当，即时，为正值，这意味着这一对旋转磁场的转向与相同，作为次级绕组的定子受到方向的异步转矩；但定子不动，故转子受到一个与方向相反的转矩，。当，即时，则相反，转子受到一个与方向相同的转矩，。下面再分析转子中永磁体的作用。转子永磁体所产生的磁场以旋转，在定子绕组中感应出频率为的电流，这相当于一台转速为，定子绕组通过电网短路的同步发电机，对转子作用的是发电制动转矩。因此，永磁同步电动机起动过程中的总平均转矩由、和三个平均转矩分量构成。图27为异步起动永磁同步电动机平均转矩随电动机转差率变化的曲线12。图27 异步起动永磁同步电动机的平均转矩转差率曲线2.4 本章小结本章首先概要地介绍了目前常见常用的几种永磁材料的特点及使用时的注意事项，其次介绍了永磁同步电机基本组成部分及常见的隔磁措施，并且分析了永磁同步电动机的基本工作原理、特点及起动过程，并且详细的分析了起动过程中的平均转矩的变化。为下一章的设计做好了准备。第3章 15kW异步起动永磁同步电动机电磁计算3.1 额定数据和技术要求1.额定功率 kW 2.相数 m=3 3.额定相电压 4.额定频率 5.极对数 6.额定效率 %表31 绝缘材料耐热分级13耐热等级允许工作温度主要绝缘材料Y90棉纱丝绸；纸及其制品；木材；再生纤维素纤维；聚酰胺纤维A105浸渍过Y级绝缘材料；酚醛树脂；油性（Q型）漆包线绝缘；黄漆绸；丁腈橡胶；有机玻璃；油性沥青漆E120QQ、QA、QAN漆包线绝缘；聚酯薄膜；聚脂薄膜绝缘纸复合箔；热固性聚脂树脂；三聚氰胺甲醛树脂；热固性合成树脂胶；纸层压制品；棉纤维层压制品B130QZ、QZN型漆包线绝缘；玻璃纤维、石棉、压层制品；聚脂薄膜玻璃漆布复合箔；聚脂无纺布-聚酯薄膜-聚脂无纺布复合箔(D、M、D)；环氧酚醛层压玻璃布板；热固性合成树脂胶；氨基醇酸绝缘漆；环氧树脂绝缘漆；油改性合成树脂漆F155QZY型漆包线绝缘；聚芳纤维纸薄膜复合箔；绝缘漆处理的玻璃纤维和石棉制品；云母制品和硅有机制品，耐热优良的醇酸、环氧、热固性聚脂树脂；有机硅绝缘胶；环氧树脂无溶剂漆H180无机物填料塑料；硅有机橡胶；聚芳纤维纸薄膜复合箔；有机硅环氧层压玻璃布板C>180QY型漆包线绝缘；聚酰亚胺薄膜；聚四氟乙烯薄膜；聚酰亚胺层压玻璃布板；云母、玻璃、石英、陶瓷；氟塑料安装线7.额定功率因数 8.失步转矩倍数 9.起动转矩倍数 10.动电流倍数11.绕组型式 单层交叉、Y接12.额定相电压： 13.额定相电流： 14.额定转速： 15.额定转矩：16.绝缘等级B级绝缘材料耐热等级见表313.2 电磁计算程序3.2.1 主要尺寸17.铁心材料 W600-5018.转子磁路结构形式 内置径向“W”型图31转子磁路结构1转轴 2永磁体槽 3永磁体 4转子导条19.气隙长度 20.定子外径 21.定子内径 22.转子外径 23.转子内径 24.定/转子铁心长度 25.电枢计算长度 当定/转子铁心长度相等时26.定/转子槽数 27.定子每极每相槽数 28.极距 29.硅钢片质量式中为冲剪余量；为和中较大者；为铁的密度；为铁心叠压系数，一般可在0.930.95范围内取，此处取0.933.2.2 永磁体计算30.永磁材料牌号 NTP288H31.计算剩磁密度 式中为20时的剩磁密度；为的可逆温度系数；为的不可逆损失率；为预计工作温度32.计算矫顽力33.相对回复磁导率 34.磁化方向长度 35.宽度 36.轴向长度 37.提供每极磁通的面积 38.永磁体总质量 3.2.3 定、转子冲片39.定子槽形 定子槽型如图32定子槽型及尺寸 图32 定子槽型 图33 转子槽型40.转子槽形 转子槽型如图33 转子槽尺寸3.2.4 主要尺寸41.定子齿距 42.定子斜槽距离43.定子齿宽 式中 定子齿宽取离齿最狭1/3处齿宽44.定子轭计算高度45.定子齿磁路计算长度 46.定子轭磁路计算长度47.定子齿体积 48.定子轭体积49.转子齿距 50.转子齿磁路计算长度 51.转子轭计算高度 对于转子铁心直接套在轴上的两极电动机，计算时以/3代替 52.转子轭磁路计算长度3.2.5 绕组计算53.每槽导体数 功电流式中取线负荷，定子电密，则每相串联导体数：取并联支路数，于是每槽导体数为： 取 54.并联支路数 55.并绕根数线径 56.每相绕组串联匝数 57.槽满率计算槽面积 式中h为槽楔厚度槽绝缘面积 式中为槽绝缘厚度槽有效面积 槽满率 58.节距y为19 210 111859.绕组短距因数 单层绕组，定子绕组连接图如图34 图34 定子绕组连接图60.绕组分布因数 式中为槽距角 61.斜槽因数 式中 62.绕组因数 63.线圈平均半匝长 如图35图35平均半匝长式中d为绕组直线部分伸出长，一般取单层线圈端部斜边长 式中为系数：单层线圈 2极取0.58；4、6极取0.6；8极取0.625