永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究
第34卷第2期2004年3月
东南大学学报(
自然科学版)
JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition)
Vol 134No 12
Mar.2004
永磁同步电动机电磁场计算中定转子
空间相对位置确定的研究
刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1
(1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044)
摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置.
关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置
中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022*******
Investigation in determining the relative position between stator
and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation
Liu Ruifang
1,3
Yan D engjun 2 Hu Minqiang
1
(1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na)
Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222.
作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博
士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.360docs.net/doc/0c7494639.html,.
在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号
分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化.
1 定转子空间相对位置的确定问题
根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为
55x M 5A 5x +55y M 5A
5y =-J (8)A =0 (S 1)M 1
5A 5n =M 25A
5n
-J m (L)
(1)
式中,A 为矢量磁位;8为求解区域;S 1为定子铁心外圆和转子铁心内圆边界;L 为永磁体和其他媒质的交界;J 为定子绕组电流密度;J m 为永磁边界等效面电流密度.
定子三相电流表达式为
i a =I m cos (X t +U 0)i b =I m cos X t +U 0-23P
i c =I m cos X t +U 0-43P
(2)
式中,U 0为定子电流初相位角,由电动机的负载和定转子初始相对位置确定;I m 为电流幅值;X 为角频率.
永磁同步电动机负载运行状况可用励磁电势E #
0和电流I #
的夹角即内功率因数角W 表示.定转子相对位置可用定转子轴线夹角A
表示.
图1中A 相绕组轴线超前转子交轴A 电角度.由电动机学理论可知,在任意W 下,U 0和A 之间的关系为
U 0=W -A
(3)
由式(3)可见,确定A 角是计算电动机在任意负载
下磁场分布的前提条件.
图1 定转子相对位置示意图
如果针对某一台电动机进行具体分析,A 角可根据具体情况进行事先判断.但是对于通用永磁同步电动机计算程序,要求能够分析任意极对数的电动机,定子绕组由程序实现自动槽号分配,所以A 角是一个不确定的参数.对一个封装的程序,需要
软件系统具有自动判断定转子初始相对位置的功
能,以减少用户对程序的干预,实现程序的自动化和通用化.
这一问题可以采用相当于逆问题分析的方法进行处理.先确定特定内功率因数角时永磁同步电动机电磁量的特征,然后在不同定子电流初相位下进行搜索计算,寻找特定内功率因数角下的磁场分布,从而确定电动机定转子轴线的初始相对位置.
2 各电磁量之间的内在关系
图2为永磁同步电动机相量图.图中E #
D 为气隙合成电势;D i 为
E #
D 和
E #
0的夹角,即内功率角,设E #
D 超前
E #
0时D i 为正;X ad ,X aq 分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗.根据相量图E D 和D i 与W 有如下的关系[4]:
E D =
(E 0-I sin W X ad )2
+(I cos W X aq )2
(4)D i =tan
-1
I cos W X a q
E 0-I sin W X ad
(5)
令电流幅值为常数,改变W 的大小,可以得到E D 和D i 随W
变化的规律,如图3所示.图中E D 用标么值表示,W 和D i 单位均为电角度.从图中可以看出,当W =90b 时,电流只有直轴去磁分量,电枢反应为纯直轴去磁电枢反应,气隙合成电势为最小值,E #
D 和
E #
0同相位,D i 为0b ;当W =-90b 时,电流只有直轴助磁分量,电枢反应为纯直轴助磁电枢反应,气隙合成电势最大,E #
D 和
E #
0同相位,D i 为0b .
图2
永磁同步电动机相量图
由以上分析可知,内功率因数角为以上2个特定角度时,气隙合成电势和内功率角有上述特征.反之,当电磁量表现为上述特征时,就可以判断内功率因数角为特定角.根据此时的电流相位U 0和内功率
199
第2期刘瑞芳,等:永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究
因数角W ,就可以推导出定转子轴线的夹角A
.图3 E D ,D i 与W 的关系
3 气隙合成电势和内功率角计算方法
气隙合成电势和内功率角可以通过对电磁场计算得到的定子内圆气隙节点磁位作傅立叶分解求出[5].为提高气隙合成电势和内功率角的计算精度应对气隙区域的网格剖分进行加密处理.
对定子铁心内圆节点的矢量磁位A 的分布进行傅立叶分解,忽略高次谐波分量,其基波分量为
A =a 1cos H +b 1sin H
(6)
式中,a 1和b 1为傅立叶级数的系数,a 1为电动机单位长度每极q 轴基波磁通的1/2,b 1为电动机单位长度每极d 轴基波磁通的1/2.
每极基波磁通51为
51=2L ef
a 21+
b 21
(7)
式中,L ef 为电动机轴向有效长度.
每相气隙合成电势E D 为
E D =
2P fNK w 51
(8)
式中,f 为电源频率;N 为电枢每相串联匝数;K w
为基波绕组系数.
内功率角D i 为
D i =tan -1
b 1
a 1
(9)
4 搜索算法
设定电流初始相位,给定步长,在不同相位下进行磁场计算,可以用W =90b 为目标值进行搜索.为了尽快地搜索到目标,要根据气隙合成电势和内功率角的变化特点建立搜索判据.
从图3可以看出,在W =90b 的两侧,气隙合成
电势单调变化,而内功率角不是单调变化,所以在开始搜索时不宜选用内功率角作为搜索判据,应该采用气隙合成电势为搜索判据,寻找气隙合成电势的最小值.W <90b 时,气隙合成电势单调递减;W >90b 时,单调递增;在W =90b 时,达到最小值.随着电流相位的变化,在相邻的3个时间相位t-$t,t,t +$t 下,所对应的气隙合成电势E t -$t ,
E t ,
E t+$t 三者之间的关系为以下4种情况之一:1
E t-$t
>E t >E t+$t ,处于目标值的左侧,应令电流
相量沿反时针方向旋转,t =t 0+$t;oE t-$t
针方向旋转,t =t 0-$t;?E t 和E t < E t+$t ,处于目标值附近,减小搜索步长进行细搜 索,$t =$t/2;?E t >E t-$t 和E t >E t+$t ,处于W =270b 附近,令电枢电流相位角跳跃180b ,t =t 0+$t($t =0101s ),再进行搜索. 当非常接近搜索目标时,$t 很小,此时E t-$t , E t ,E t +$t ,三者之间的差值已很小,甚至可能被计算误差所淹没.但是D i 为单调递减变化,且变化非常剧烈,故此时改以D i =0为判据进行慢搜索: 当D i t-$t >D i t >D i t+$t 时,处于目标值的右侧,应令电流相量沿顺时针方向旋转,t =t 0+$t; 当D i t-$t 应令电流相量沿反时针方向旋转,t =t 0+$t. 在程序计算出的内功率角绝对值小于给定的误差限时,计算完成.设计算结果为当A 相电流初相角为U 0时内功率因数角为W =90b ,由式(3)得A =U 0-90b .则任意W 下的A 相电流初相位可以求得,从而可以计算任意负载下的磁场.搜索流程如图4所示. 5 算例分析 采用本文提出的算法对一台六极切向内置式永磁同步电动机进行分析.定子绕组为双层叠绕组,60b 相带,绕组为短距,节距y =5S /6,样机结构和绕组槽号分配如图5所示,有限元剖分网格如图6所示.图7为空载磁场分布,图8为直轴去磁电枢反应即W =90b 时的磁场分布.经过10次磁场计算,得到了最终结果.计算出当A 相电流的初相位为75b 时,满足W =90b ,则定转子初始相对位置为A 相绕组轴线滞后q 轴15b . 200东南大学学报(自然科学版) 第34卷 图4 解电磁场逆问题确定定、 转子相对位置的流程图 图5 永磁同步电动机的绕组槽号 分配 图6 电动机的有限元剖分图 6 结 语 本文对永磁同步电动机通用有限元软件设计 图7 空载磁场分布图 图8 W =90b 时的磁场分布图 中存在的定、转子空间初始相对位置未知的问题提 出了解决方法.通过分析永磁同步电动机的电磁量的内部关系,找到对应于特定内功率因数角时气隙 201 第2期刘瑞芳,等:永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究 合成电势和内功率角的特征.在不同初始电流相位角下进行磁场计算,经过迭代搜寻,找到特定内功率因数角下的磁场分布,从而判断出电动机定转子的相对位置.本文提出的算法实现了程序自动判断定转子初始相对位置的功能,不需要用户干预. 参考文献(References) [1]Stumberger B,Hribernik B.Calculation of two2axis parameters o f synchro nous mo to r with permanent mag nets using finite elements[A].In:Electric Machines and D rives, I n ternational Con f erence IEMD.99[C].Seattle,U SA, 1999.98-100. 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IEEE Transactio ns on Magnetics,1991,27(5):3947 3950. 202东南大学学报(自然科学版)第34卷 一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850 高压永磁同步电动机应用与研究 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 永磁同步电动机 这些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。 永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子.如下示意图1。 图1定子铁芯与绕组 如下图2是电机机座与定子。 图2机座与定子 永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，图3左就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向图3右，这是一个4极转子。 图3凸装式永磁转子 根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。 图4左是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图右，这也是一个4极转子。 图4嵌入式永磁转子铁芯1 图5右是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。 图5嵌入式永磁转子铁芯2 下图6为装上转轴的嵌入式永磁转子 图6嵌入式永磁转 转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图7。 图7永磁同步电动机剖面图 这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。 通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。如下图8为永磁转子铁芯 图8笼型绕组永磁转子铁芯 笼型转子有焊接式与铸铝式：在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子；与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法，下图9是一个铸铝式笼型转子。 调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据： 说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。 摘要附图 1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。 2019年第1期 第54 ( 206期）（EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE) 高速永磁电机转子结构与强度分析 王雨 (中国石油吉林石化分公司乙烯厂，吉林吉林132000) 摘要分析了高速永磁电机的转子结构、材 性能 关系，并转子的强度计算进行 详细介绍，并 了高速永磁电机转子支撑、转结构、表 转 度以及内置式转子强度 的分析方法。 关键词咼速永磁电机;转子支撑技术;转子结构;转子强度分析 DOI $ 10.3969/J. ISSN. 1008-7281.2019.01.09 中图分类号:T M351 文献标识码:A文章编号：1008-7281 (2019)01 -0030-003 Structure and Strength Analy s es of High-S peed Permanent-Magnet Motor Rotor Wang Yu (Ethylene Plant，Jilin Petrochemical Branch of CNPC，Jilin 132000,China) A bstra c t This paper analyzes the relationship am ong structure，m aterial and perform ance of high-speed perm anent-m agnet m otor rotor，introduces the strengtli calculation of rotor in tail，and puts forw ard the analysis m etliods of rotor supporting technology，rotor structure，sur- face-m ounted rotor strengtli and built-in rotor strengtli of h igh-sjD eed perm anent-m agnet m otor. K e y w ords H igh-sjD eed perm anent-m agnet m otor；rotor supporting technology；rotor struc- ture；rotor stren g th i analysis 0引言 高速永磁电机具有功率密度高、可靠、运行成 本低等优点，在石化工领域应用 ，然而由 于电机转 承受很大的离 较大 ， 因此转子的设 关键。本文 此情况 了转子离、电机散热面积、功 度大所带来的 的分析与计算，这对转子结构与强度非。 1转子支撑技术 转子支撑技术关键是轴承技术的研究，只有 到长期稳定运行，才能够在高速永磁电机 ：行 用，目前主要有两大类，第一类是高速滚 珠轴承，第二类是磁 空气轴承。 图1为速轴承，成低、，技术成熟，这是应用最为 的轴承，其速运行的主性能指标B V值，由轴承内径B(mm)与转速 @( r/min)的乘积表示，普通值在50 以下，速值在100 以⑴。 30 图1滚珠轴承 图2为空气轴承，利用的是轴承与轴 的 支撑转子，分为动 两种，优点是 用磁场即可。这样在电磁环境求高的 ，空气轴承显示出很大优，是空气轴承间隙小，精度要求尚。图3为磁 轴承，分为主动和被动两种磁 轴承，主动磁 轴承优点无 滑油，能够实现无接，而 成本低，是刚度较低，技术尚未成熟，应用 受到局限制。 图2 空气轴承 调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据： (1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。 高压永磁同步电动机应用与研究 摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点 高强度永磁同步电机 本实用新型涉及一种高强度永磁同步电机的转子结构，它由中心轴，铁芯和附着在其外圆表面上的至少1对圆弧面形的磁钢构成圆辊状结构，各相邻两磁钢侧面之间留有气隙，各磁钢通过相应的锁紧件与铁芯构成锁紧联结结构，它解决了现有技术强度差、磁钢易被甩出，易出现事故的问题，用于制作各型永磁同步电机。 交流永磁同步调速电梯电机之特性 石正铎路子明 我国电梯性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有很大的提高，但是异步变频电动机存在低频低压低速时的转矩不够平稳进而影响低速段运行不理想的缺点。用永磁同步调速电机替代交流异步电机，用同步变频替代异步变频可以解决低速段的缺点和启动及运行中的抖动问题，使电梯运行更平稳、更舒适，同时减小电机的体积，降低噪音。采用有齿轮电梯曳引机，当电梯制动器失灵、轿厢产生自由落体时，可利用永磁同步电机的电流制动功能保证轿厢低速溜车，为电梯安全增加了一道安全屏障。 一、永磁同步电机与异步电机的主要区别及特点 由于异步电机是靠电机定子电流为电机转子励磁的，而永磁电机转子是用永磁体直接产生磁场不需要电励磁。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、形状和尺寸灵活多样等特点。 二、交流永磁同步调速电梯电机的主要优点 1、结构简单运行可靠，由于永磁电机转子不需要励磁，省去了线圈或鼠笼，简化了结构，实现了无刷，减少了故障，维修方便简单，维修复杂系数大大降低。 2、低温升、小体积永磁同步电机与感应电机相比，因为不需要无功励磁电流，而具备： (1)、功率因数高近于1。 (2)、反电势正弦波降低了高次谐波的幅值，有效的解决了对电源的干扰。 (3)、减小了电机的铜损和铁损。 同步电机温升小（约38K），电机外形小，体积与异步电机相比，降低一至两个机座号。 3、高效率超节能，因为功率因数高（可近似为1），又省去电励磁，减少了定子电流和定子转子电阻的损耗，效率高（94~96%），满载起动电流比异步减少一半，所以节能效果明显，用于电梯时，同步电机可节能40%以上（用户实际使用后测试结果），轻载电流小，只相当于异步电机的10%，如11KW异步电机轻载时异步电机电流10A，而同步电机轻载电流只有0.7A。 4、调速范围宽，可达1：1000甚至于更高（异步电机只有1：100），调速精度极高，可大大提高电梯的品质。 5、永磁同步电梯电机在额定转速内保持恒转矩，对于提高电梯的运行稳定性至关重要。可以做到给定曲线与运行曲线重合，特别是电动机在低频、低压、低速时可提供足够的转矩，避免电梯在启动缓速过程抖动，改善电梯启制动过程的舒 一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法 1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估 计的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时， 收敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ 进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。 一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改 工学硕士学位论文 永磁同步电机转子初始位置估计 INITIAL ROTOR POSITION ESTIMATION FOR PMSM 胡任之 哈尔滨工业大学 2008年7月 国内图书分类号：TM351 国际图书分类号：470.40 工学硕士学位论文 永磁同步电机转子初始位置估计 硕士研究生：胡任之 导师：邹继斌 教授 申请学位：工学硕士 学科、专业：电机与电器 所在单位：电气工程系 答辩日期：2008年7月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index：TM351 U.D.C.: 470.40 Dissertation for the Master Degree in Engineering INITIAL ROTOR POSITION ESTIMATION FOR PMSM Candidate：Hu Renzhi Supervisor：Prof. Zou Jibin Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Electrical Machine and Apparatus Affiliation：Dept. of Electrical Engineering Date of Defence：July, 2008 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 永磁同步电机(PMSM)具有高效率、高功率密度、控制性能好、启动特性好等优点。然而转子初始位置的准确检测是PMSM可靠启动的必要保证。转子初始位置偏差将引起电机启动电流过大，甚至会造成电机过流或发生反转，负载较大时情况更加严重。本文针对PMSM的转子初始位置估计的问题进行了深入的研究。 基于转子预定位的PMSM初始位置估计是一种常用的方法。本文分析了转子预定位法的原理和初始位置估计精度的影响因素，采用了电流闭环的转子预定位方法，并提出平均值法来克服摩擦力引起的初始位置估计误差。该方法可以准确的估计空载条件下的转子初始位置。 针对负载对转子初始位置估计的影响，在分析转子初始位置偏差与电流矢量、电磁转矩关系的基础上，提出了基于电流矢量控制的PMSM转子初始位置估计方法。将该方法与转子预定位法相结合，可以克服极限位置下无法进行初始位置估计的问题。所提出的方法实现了较大负载条件下的初始位置估计。 针对在转子静止条件下进行初始位置估计的问题，在PMSM饱和凸极效应分析的基础上，对基于饱和凸极效应的转子初始位置估计的原理进行分析，研究了具体的实现方法。通过采用电压矢量优化和对电流矢量进行后处理的方法来提高初始位置估计的精度，实现了负载条件下的转子初始位置估计。 最后，对基于高频信号注入的PMSM转子初始位置估计方法进行了研究，分析了旋转高频电压注入法的原理，并进行了仿真验证。该方法可以在负载条件下准确地估计内嵌式永磁同步电机的转子初始位置。 关键词永磁同步电机；转子初始位置；估计；凸极效应 - I - 高效永磁同步电动机设计技术研究 目录 1、基本情况及背景介绍 (2) 2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 (3) 2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 (3) 2.2永磁电机防退磁技术研究 (5) 2.3漏磁系数准确计算的研究 (7) 2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 (10) 2.5稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 (14) 2.6电机的起动性能 (16) 2.7失步转矩倍数 (17) 2.8其它性能指标 (18) 1、基本情况及背景介绍 稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机。用它制成的永磁同步电机，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗。在稳定运行时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。与普通的电励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提高。因此，国内外都投入大量人力物力从事高效钕铁硼永磁电机的研制开发。 相对于异步电机，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高等优点，效率比同规格的感应异步电机高2~8%。我国稀土永磁资源储量占世界储量的80％，发展永磁电机具有得天独厚的优势。 早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的研制开发，先后研制开发出多种类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性能价格比不够理想，价格偏高。 为了充分发挥钕铁硼永磁材料的优异磁性能，针对钕铁硼永磁电动机在磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、钕铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优势转化为经济优势作贡献。 永磁同步电动机的应用前景 上海交通大学电力学院金如麟谭茀娃 一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁同步电动机的应用前景.txt再过几十年，我们来相会，送到火葬场，全部烧成灰，你一堆，我一堆，谁也不认识谁，全部送到农村做化肥。一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使 (一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。(整理)永磁同步电动机的应用.
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