永磁同步电机解读.ppt

第二章永磁电机w永磁电机的主要特点和应用w永磁直流电机w永磁同步电动机w永磁同步发电机永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构w永磁同步电动机的稳态性能w永磁同步电动机的磁路分析与计算w永磁同步电动机的参数计算和分析w异步起动永磁同步电动机的起动过程永磁同步电动机的转子磁路结构w表面式转子磁路结构w内置式转子磁路结构w爪极式转子磁路结构w隔磁措施永磁同步电动机的稳态性能w稳态运行和相量图w稳态运行性能分析计算w损耗分析计算稳态运行性能分析计算w电磁转矩和功角特性电动机的电磁转矩为式中第1项由永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转短，又称永磁转矩，第2项为由于电动机直、纵轴磁路不对称而产生的磁阻转矩永磁同步电动机的矩角特性永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构w永磁同步电动机的稳态性能w永磁同步电动机的磁路分析与计算w永磁同步电动机的参数计算和分析w异步起动永磁同步电动机的起动过程四、永磁同步电动机的磁路分析与计算w磁路计算特点Ø计算极弧系数Ø气隙磁场波形系数Ø磁位差计算w空载漏磁系数w永磁体工作点的计算Ø空载和负载工作点的计算特点Ø最大去磁时永磁体工作点的校核计算永磁同步电动机空载气隙磁密波形1—气隙磁密波形2—基波3—3次谐波4—5次谐波1.计算极弧系数电机转子磁路不同，其极弧系数αp和计算极弧系数αi的计算公式也不同。

对以上转子结构：永磁磁极直接面向空气隙的表面式磁路结构，其极弧系数αp为：计算极弧系数αi的计算可参照本章第二节P32磁极不带软铁铁靴的计算方法，查找图2-8或2-9的曲线bM为每极下永磁体所跨的弧长（cm）b为电机极靴弧长（cm）永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形2.气隙磁场波形系数如图所示，经傅里叶极数分解后，可得永磁同步电动机空载气隙磁密基波：空载气隙磁密波形系数：2.气隙磁场波形系数空载时永磁体提供的气隙总磁通：空载时永磁体提供的气隙基波磁通：永磁电动机气隙基波磁通Φ10与气隙总磁通Φδ0之比，即气隙磁通的波形系数为：由上式可以看出，αi的大小影响气隙基波磁通与气隙总磁通的比值，即影响永磁材料的利用率另外，αi的大小还影响气隙中谐波的大小设计中选定αi时应考虑永磁体的合理利用、谐波抑制和电动机性能的需要3.磁位差计算由于永磁同步电动机的极弧系数一般较大，计算气隙和齿部磁位差时应该用有效值Bδ而不是用基波值Bδ1；计算电动机轭部磁位差时也应该用轭部铁心的有效总磁通Φδ而不是用基波磁通Φ1w磁路计算特点Ø计算极弧系数Ø气隙磁场波形系数Ø磁位差计算w空载漏磁系数w永磁体工作点的计算Ø空载和负载工作点的计算特点Ø最大去磁时永磁体工作点的校核计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算（二）空载漏磁系数永磁同步电动机可采用与永磁直流电动机相似的方法，通过两次二维电磁场数值分析计算求取电动机的极间漏磁系数σ1和端部漏磁计算系数σ2，则电动机空载漏磁系数σ0为表面式永磁同步电动机极间漏磁系数曲线表而式永磁同步电动机端部漏磁计算系数曲线（二）空载漏磁系数内置式转子磁路结构永磁同步电动机的磁路结构虽然多种多样，但对电动机极间漏磁系数影响最大的是其采用的隔磁磁桥的尺寸和永磁体的尺寸。

为降低极间漏磁系数，在设计电动机时应在保证电动机制造工艺和冲模使用寿命的前提下，尽量限制隔磁磁桥的尺寸内置式永磁同步电动机极间漏磁系数—永磁体尺寸曲线(a)hM=0.2cm(b)hM=0.4cm(c)hM=0.8cm永磁体尺寸越大，气隙长度越小，电动机的极间漏磁系数也越小内置径向式永磁同步电动机端部漏磁计算系数曲线内置径向式永磁同步电动机端部漏磁系数除与气隙长度和永磁体磁化方向有关外，还与永磁体离转子表面的距离有较大关系，永磁体离转子表面越近，端部漏磁系数越小w磁路计算特点Ø计算极弧系数Ø气隙磁场波形系数Ø磁位差计算w空载漏磁系数w永磁体工作点的计算Ø空载和负载工作点的计算特点Ø最大去磁时永磁体工作点的校核计算四、永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁体工作点的计算1.空载和负载工作点的计算特点永磁同步电动机的转子磁路结构中既有径向式，又有切向式和混合式为避免混淆，统一以永磁同步电动机每对极磁路的磁动势和每极磁通作为计算量对径向式结构：对切向式结构：式中Br和Hc分别是在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力∑F为经磁路计算所得的电动机每对极磁路的总磁位差，其值为：式中Fδ、Ft1、Fj1、Ft2和Fj2分别为电动机每对极的气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等部位的磁位差。

如果电动机无转子齿（如表面式转子），则不含Ft2项永磁同步电动机直轴电枢磁动势Fad（A极）为：则其作用于永磁体的去（增）磁磁动势标么值为：式中Kad为电动机直轴电枢磁动势折算系数2.最大去磁时永磁体工作点的校核计算对调速永磁同步电动机来说，永磁体去磁最严重的情况是运行中的电机突然短路，短路电流产生直轴电枢磁动势对永磁体起去磁作用电动机短路时的去磁电流近似为：w短路时端电压U=0稳态短路的运行特点：2.最大去磁时永磁体工作点的校核计算异步起动永磁同步电机起动到转子转速接近同步转速，且电枢磁动势和转子磁场轴线处于重合而方向相反时，电枢磁动势对永磁体的去磁作用最严重，称这种运行状态为“反接状态”反接状态下，定子电流只有直轴分量，且定子电流Ih超前E090°电角度因为反接状态时电动机转速非常接近同步转速，故可近似地采用同步运行时的参数反接状态”时电动机相量图从图中可以求出不计定子绕组电阻时的最大去磁定子电流为：计及定子绕组电阻时，定子电流为：根据电动机的类型，求得永磁体负载工作点，即为永磁体的最大去磁工作点（bmh，hmh）实际设计永磁同步电动机时，应使永磁体的最大去磁工作点（bmh，hmh）高于所采用永磁材料在最高工作温度（铁氧体永磁为最低环境温度）下退磁曲线的拐点（bk，hk），并留有一定的裕度。

永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构w永磁同步电动机的稳态性能w永磁同步电动机的磁路分析与计算w永磁同步电动机的参数计算和分析w异步起动永磁同步电动机的起动过程五、永磁同步电动机的参数计算和分析（一）空载反电动势空载反电动势E0是永磁同步电动机一个非常重要的参数E0（V）由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，其值为：E0的大小不仅决定电动机运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动、稳态性能均有很大的影响曲线合理设计E0，可降低定子电流，提高电动机效率，降低电动机的温升设计实践表明，所有设计比较成功的电动机，其E0与额定电压的比值均在合理范围内但应注意，对不同用途的永磁电动机，E0的取值范围应有所不同二）直、交轴电枢反应电抗从电动机向量图出发，可得电动机直轴内电动势Ed为：式中，当电动机运行于去磁状态时取“－”号，当电动机运行于增磁状态时取“＋”号由此可得直轴电枢反应电抗（Ω）为：Φ1N为当直轴电枢电流等于Id时永磁体提供得气隙基波磁通（Wb），且式中bmN为直流电流等于Id时永磁体的负载工作点所以直轴电枢反应电抗（Ω）为：考虑交轴磁路饱和时Xaq需迭代求解。

相对来说，Xad对永磁同步电动机性能的影响比Xaq对电动机性能的影响更加敏感，增加永磁体的磁化方向长度以减少Xad，可明显提高电动机的过载能力，但对恒功率调速运行电动机的弱磁扩速能力不利为了得到较高的功率因数和空载反电动势E0，要增加电动机的绕组匝数和铁心长度，但这同时会导致Xad和Xaq的增大，使电动机过载能力变小、牵入同步能力变差所以实际设计中应综合考虑，使Xad与Xaq的设计值合适，并要注意两者的合理搭配永磁同步电动机w永磁同步电动机的总体结构w永磁同步电动机的转子磁路结构w永磁同步电动机的稳态性能w永磁同步电动机的磁路分析与计算w永磁同步电动机的参数计算和分析w异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机的起动过程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转速的改变而变化为便于分析，假设整个起动过程非常缓慢，电动机在不同异步转速下稳定运行从描述异步起动永磁同步电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发，可得到如下电磁转矩表达式：异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时永磁同步电动机转子：磁路不对称定子：对称电流产生旋转磁场，同步转速n1转差率s，n=(1-s)n1等效为转子磁路不对称的三相感应电动机转子电流所产生的磁场可分解为正、负两个旋转磁场。

相对于转子的转速分别为：sn1，-sn1相对于定子的转速分别为：n+sn1=n1，n-sn1=(1-2s)n1转子磁路不对称，Xd≠Xqn=(1-s)n1异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时永磁同步电动机转子磁场定子磁场n1正向旋转n1反向旋转=(1-2s)n1异步转矩Ta在定子绕组中感应出频率(1-2s)f的电流Ib，Ib所产生的定子旋转磁场转速也是(1-2s)n1磁阻负序分量转矩Tb磁阻负序分量转矩Tbn0.5，(1-2s)f0N=n12，即s=0.5，(1-2s)f=0Tb=0nn12，即s0Tb0异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩考虑永磁体时永磁同步电动机永磁体磁场以n＝(1-s)n1旋转在定子绕组中感应出频率为(1-s)f的电流Ig转速为n、定子绕组通过电网短路的同步发电机发电制动转矩Tg异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的平均转矩不考虑永磁体时永磁同步电动机转子磁场定子磁场n1正向旋转n1反向旋转(1-2s)n1异步转矩Ta磁阻负序分量转矩Tb定子磁场(1-2s)n1考虑永磁体时发电制动转矩Tg永磁体磁场(1-s)n1定子磁场(1-s)n1异步起动永磁同步电动机的起动过程1—曲线；2—曲线3—曲线；4—1、2、3的合成曲线起动过程中的平均转矩异步起动永磁同步电动机的起动过程由于永磁同步电动机的转子磁路不对称，和的准确计算非常复杂，工程常用近似的方法计算。

在不要求得出具体的转矩转速曲线时，可以将与合并计算()，且近似采用感应电动机的转矩公式计算，再根据经验加以修正，式中为采用感应电动机Г形近似等效电路而引入的修正系数异步起动永磁同步电动机的起动过程永磁同步电动机转子上永磁体槽的存在，其励磁电抗与感应电动机相比有较大的差别实验表明，同样结构尺寸、绕组和气隙的情况下，永磁同步电动机的比普通感应电动机的稍小，而则比小得多应以下式予以修正异步起动永磁同步电动机的起动过程经过复杂的推导，可得上式中第2个中括号内的因式是该式的主要项，表示永磁体磁链所产生的转矩；第1个中括号内的值代表电动机转子凸极效应所引起的凸极效应系数当Xd=Xq时，该值为1异步起动永磁同步电动机的起动过程一般来说，永磁发电制动转矩对小容量电动机的平均转矩影响较大，而对大容量电动机的影响则相对小些异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的脉动转矩定子电流转子磁场定子磁场n1正向旋转n1反向旋转(1-2s)n1定子磁场(1-2s)n1永磁体永磁体磁场(1-s)n1定子磁场(1-s)n1异步起动永磁同步电动机的起动过程w起动过程中的脉动转矩永磁同步电动机起动过程中气隙中存在三种不同转速旋转的磁场，其转速分别为，和而转速不同的定转子磁场间的相互作用则产生平均值为零的脉动转矩。

转速为的定(转)子磁场与转速为的转(定)子磁场相互作用产生脉动频率为的脉动转矩，这是由转子起动绕组的存在和转子磁路不对称而引起的磁阻脉动转矩，它与电动机中的永磁体无关异步起动永磁同步电动机的起动过程转速为的永磁磁场与转速为和的磁场相互作用产生脉动频率为的脉动转矩，其幅值与电动机的永磁体、定子绕组和转子磁路的不对称程度有关上述两个脉动转矩中，由永磁体磁场引起的脉动转矩幅值远大于由转子起动绕组和磁。