电动机的完整磁路
电动机的完整磁路
整个铁心被同定在铸铁机座内。定子绕组组成电动机的电路部分。它是由若干线
圈组成的二相绕组，在定于圆周上均匀分布，按一定的空间角度崩放在定于铁心槽内，每相绕组有个引出线端，一个叫首端，一个叫尾端。三相绕组共有个引出端，其中个
首端分别用病示，个尾端分别用表示。机座主要用于容纳定子铁心和绕组，并固定端盖。中小型电动机的机座由铸铁制成，其亡铸有加强散热功能的散热片。转子转子的
作用是在定子旋转磁场感应下产生电舷转矩，沿着旋转磁场方向转动，并输出动力带
动生产机械运转。
转子内转子铁心转了绕组笼型绕组和转钠三部分组成。—，转子铁心巾外圆冲有
均匀槽互相绝缘的硅钢片叠压而成，铁心格内铸有锻压或铜质的鼠定形转广绕织，两
端铸有地环整个转子套人转轴形成紧密配合被支承在端盖中央的轴承中?这样由走子铁心转广铁心和两者之间的丰气间隙构成了电动机的完整磁路。转砍钢鼠笼形链绕组铸
转于—鼠笼形转子其他附件除定子转子个主要部分外，动机还钉端羔承轴承内盖风叶
和拉线盒等附件三相鼠笼式异步电动机的铭牌任何新小厂的电动机，机座上都装有块
铝顶或铜质的标牌，叫铭牌，它扼要地标明了该电动机的类型丰共性能技术指标和使
朋条件。为州户使们和维修这台屯动机提供重要依据。下面列举铭牌计厂以解释额定
功率电动机技铭牌所给条艾博希电子件运行时轴端所能输出的机械功率，单位为千瓦。额定电压电动机在额走运行状态下加在定子绕组的线电压单位为伏。
额定电流电动机在额定电压和额定功率下远行输出功率达额定值时电网注入定子
绕组的线电流单位为安。额定额牛指电动机所用电源的频率铭牌注明该电动机只能在
电源他用。额定转速指电动机转子输出额定功率时每分钟的转数。常额定转速比同步
转速旋转磁场转速低％—％。其巾向步转速电源频率和电动机磁极对数的关系是定额
电动机定额分连续历时和断续种连续是指电动机能够不断地输出额定功率温升不超过
铭牌允许值。短时表示电动机不能连续使用，只能在规定的铰短时间内输出额定功中。断续表示电动机只能短时输出额定功率但可多次断续重复启动和运行温刀电动机运行
中部分电能转换成热能，使电动机温度升高，经过一定时间，电能转换的热能与机身
散发的热能平衡，机身温度达到稳定。在稳定状态下电动机温度与环境温度之差，叫
电动机温升。环境温度规定为，如果温升为，表明电动机温度不能超过。
绝缘等级指电动机绕组所用绝缘材料按它的允许耐热程度规定的等级这些级别级
胆它级。功率因数指电动机从电网所吸收的有功功率与视在功率的比值。视在功率一
定时，功率阅数越高，有功功率越大，电动机对电能的利用率也越南。电器元件及导
线的选用电器元件的选用根据所需极数额定电流和IC现货商额定电瓜进行选择电动机的控制电源开关膨保证额定电流大十或等于电动机额定电流的—倍额定电压大干或等
于电动机额定电压，极数为极的转换开头，常用的钉系列熔断器熔体的选用熔断器的
选用。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流，其额定电压应大于或等于线路额定电压。熔体额定电流的确定。
对单台电动机，其熔体的额定电流应等于电动机额定电流的倍左右。对多台电动机线路的总熔体额定电流应等于该线路上功率最大的一台电动机额定电流的—倍与其余ABC电子电动机额定电流之和。熔断器类型的选用对于容量较小的电动机和照明线路的简易保护，可选用系列熔断器机床控制线路小及有振动的场所，常选用系列螺旋熔断器还可根据使用环境和负载性质的不同，选择适当类型的熔断器。接触器的选用接触器类型的选择。根据接触器所控制的负载电流类型选择相应的接触器，即交流负载选用交流接触器，直流负载选用废流接触器。cjmc%ddz
永磁同步电机基础知识
（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山电压方程、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： （1）电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示： 叫=RJd + Ld - — 3趴 at 此 dt 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；为电角速度；巾d、Wq 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。 / X cos 8 一sin。 （22 、 2 / \ = cos（。一—-sm(8— 3 3 宀 2 2 cos(& + -?r) 一sin(8 + - I 3 3丿 （2）d/q轴磁链方程： 其中，Wf为永磁体产生的磁链，为常数，,而◎=% 是机械角速度，P为同步电机的 极对数，3c为电角速度，eO为空载反电动势，其值为
电机设计计算常用公式
电机设计计算常用公式 1．输出功率2P 2P 2．外施相电压1U 1U 3．功电流KW I 1 13 210U m P I KW ??= 4．效率η' η' 5．功率因数?'cos ?'cos 6．极数p p 7．定子槽数1Q 1Q 转子槽数2Q 2Q 8．定子每极槽数 p Q Q P 1 1= 转子每极槽数 p Q Q P 2 2= 9．定转子冲片尺寸见图 10．极距P τ p D i P 1 ?= πτ 11．定子齿距1t 1 1 1Q D t i ?= π 12．转子齿距2t 2 2 2Q D t ?= π 13．节距y y 14．转子斜槽宽SK B SK B 15．每槽导体数1Z 1Z 16．每相串联导体数1φZ 1 11 11a m Z Q Z ??= φ 式中： 1a =
17．绕组线规（估算） ?η' ?'= ' ' ??'= ' ?'cos 11 11 11KW I I a I S N 式中：导线并绕根数·截面积 '?'11S N 查表 取' ?'11S N 定子电流初步估算值 ?η' ?'= 'cos I I KW 1 定子电流密度' ?1 '?1 18．槽满率 （1）槽面积 2 2221R h h b R S S S S π+ ??? ??-'+= （2）槽绝缘占面积 ?? ? ??+++' =122S S i i b R R h C S π （3）槽有效面积 i S e S S S -= （4）槽满率 e f S d Z N S 2 11??= 绝缘厚度i C i C 导体绝缘后外径d d 槽契厚度h h 19．铁心长l 铁心有效长 无径向通风道 g l l eff 2+= 净铁心长 无径向通风道 l K l Fe Fe ?= 铁心压装系数Fe K Fe K 20．绕组系数 111p d dp K K K ?= （1）分布系数 2sin 2sin 111 αα???? ???= q q K d 式中： p m Q q ?= 11 1
同步电机电磁部分计算
半匝长度292
磁路计算 采用Ansoft自带的磁路计算模块，RMxprt进行初期的电机电磁计算。 RMxprt计算结果如下： ADJUSTABLE-SPEED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DESIGN GENERAL DATA Rated Output Power (kW): 11.7 Rated Voltage (V): 333 Number of Poles: 10 Frequency (Hz): 60 Frictional Loss (W): 175.5 Windage Loss (W): 40 Rotor Position: Inner Type of Circuit: Y3 Type of Source: Sine Domain: T ime Operating Temperature (C): 75 STATOR DATA Number of Stator Slots: 24 Outer Diameter of Stator (mm): 210 Inner Diameter of Stator (mm): 136 Type of Stator Slot: 3 Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 1.5 hs1 (mm): 1.352 hs2 (mm): 21.65 bs0 (mm): 3.5 bs1 (mm): 9.3 bs2 (mm): 14.9 rs (mm): 1 Top Tooth Width (mm): 9.26977 Bottom Tooth Width (mm): 9.35135 Skew Width (Number of Slots): 0.393 Length of Stator Core (mm): 218 Stacking Factor of Stator Core: 0.95 Type of Steel: 50W470 Slot Insulation Thickness (mm): 0 Layer Insulation Thickness (mm): 0 End Length Adjustment (mm): 0 Number of Parallel Branches: 2 Number of Conductors per Slot: 58 Type of Coils: 21 Average Coil Pitch: 2 Number of Wires per Conductor: 4 Wire Diameter (mm): 0.85 Wire Wrap Thickness (mm): 0.06 Net Slot Area (mm^2): 278.32 Limited Slot Fill Factor (%): 75 Stator Slot Fill Factor (%): 69.0282 Coil Half-Turn Length (mm): 291.698 ROTOR DATA Minimum Air Gap (mm): 1 Inner Diameter (mm): 80 Length of Rotor (mm): 218 Stacking Factor of Iron Core: 1 Type of Steel: iron Polar Arc Radius (mm): 63.5 Mechanical Pole Embrace: 0.8543 Electrical Pole Embrace: 0.838481 Max. Thickness of Magnet (mm): 3.5 Width of Magnet (mm): 35.0244 Type of Magnet: N42SH60 Type of Rotor: 1 Magnetic Shaft: Yes PERMANENT MAGNET DATA Residual Flux Density (Tesla): 1.248 Coercive Force (kA/m): 952 Maximum Energy Density (kJ/m^3): 297.024 Relative Recoil Permeability: 1.04323 Demagnetized Flux Density (Tesla): 0 Recoil Residual Flux Density (Tesla): 1.248 Recoil Coercive Force (kA/m): 952 MATERIAL CONSUMPTION Armature Wire Density (kg/m^3): 8900 Permanent Magnet Density (kg/m^3): 7500 Armature Core Steel Density (kg/m^3): 7750
永磁电机由磁路计算到瞬态场的仿真步骤
ANSOFT RMxprt自动创建PM BLDC电机Maxwell2D的仿真步骤一、通过RM创建模型，打开模型图界面，在界面上点击右键--------选定Assign Excitation-------选定Set Core Loss... 二、在Set Core Loss点击左键进入以下界面 在Stator和Rotor后面的Core Loss Setting栏复选框点击出现如上图所示√，注意如果是系统定义的软磁材料后面的Defined in Material栏下的小方框里会出现√这表示在定义材料特性时，已经将铁耗计算相关的系数已经定义，可以用于铁耗计算。 三、添加一个求解设置 点击选中项目结构树种中的Analysis下的Setup1，点击右键弹出如左图对话框，点击Properties弹出右图求解器对话框
在对话框General选项下设置求解器的停止时间Stop time通常为电机转过720o电角度（2个电角度周期）所需的时间，如果后处理电流或者转矩的瞬态波形还处于收敛状态，说明需要增加求解时间，可以设置为2.5个电角度周期。瞬态场计算时间步长Time step一般而言越小越好，但过小会延长求解器计算时间，通常按设定的速度转动1o所需要的时间来设置。 接下来设置下图来保存系统需要保存的从开始到停止的中间计算时刻点的模型 在这里，默认的设置为保存三个点的求解模型和相应的计算结果数据，可以修改起点Start、停止点Stop和时间步长Step数据获得更多的时刻点数据，然后点击Add to list增加到计算时刻点列表里，如下图所示 上图设定时间步长为0.001，也就是保存包括0时刻的11个时刻点的数据，这样我们能在在后面观察到0时刻的位置，观察磁钢轴线（D轴）和电机A相轴线的位置关系（在《ANSOFT仿真中的初始位置和编码器零点分析》中会详细讨论。
永磁同步电机基础的知识
(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 22 cos()sin() 33 22 cos()sin() 33 a d b q c u u u u u θθ θπθπ θπθπ ?? ? - ??? ?? ?? =--- ? ?? ?? ?? ?? ? +-+ ?? (2)d/q轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψ ψ =+ ?? ? = ?? 其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，0 f r e ω ψ=，而c r p ω ω=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。 (3)转矩方程： 3 2 e d q q d T p i i ψψ ?? =- ?? 把它带入上式可得: 3 () 2 33 () 22 e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψ ψ ?? =+- ?? =+- 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 3 2 e f q t q T p i k i ψ == 这里， t k为转矩常数， 3 2 t f k pψ =。
电机电磁计算说明
鼠笼型转子三相异步电动机电磁计算说明 一、 主要性能数据 1. 电动机五个重要的性能指标 效率[η]、功率因数[?cos ]、最大转矩倍数[st T ]、堵转转矩倍数[st T ]、堵转电流倍数[st I ]。 2. 电动机的额定值 额定功率：电动机在额定情况运行下，由轴端输出的机械功率，单位kW 。 额定电压：电动机额定运行时外加于定子绕组上的线电压，单位V 。 额定频率：电动机额定运行时电网频率，单位Hz 。 额定电流：电动机在额定电压、额定频率下、轴端有额定功率输出时，通过定子绕组的 线电流单位A 。 额定转速：电动机在额定电压、额定频率下、轴端有额定功率输出时，转子的转速，单 位min /r 。 3. 在电磁计算中什么是标幺值？怎么表示？ 标幺值是一种比值，它表示的是实际值与基值的比例关系。一般按下面的方法表示。如 定子相电流1I 的表么值用' 1i 表示，KW I I i 1' 1= 。 4. 为什么在电磁计算中要使用标幺值？ 在电磁计算中采用标幺值不但可以方便计算，又可清楚的反映各参数之间的关系。 5. 电磁计算中基值有那些。 功率基值：额定输出功率2P ，单位kW 电压基值：额定相电压1U ，单位V 电流基值：功电流KW I ，单位A 阻抗基值： KW I U 1 ，单位Ω 6. 输出功率的计算过程 ηφ????=112cos 3U I P (相电压每相电流、11U I )
因为，Y 接时13U U N ?=，△接时13I I N ?=(用相量计算可证明) 故：ηφ????=cos 32N N I U P 7. 功电流的计算 功电流：1 3 2310U P I KW ??= ，单位A 。 二、 三相交流绕组 1. 对三相交流绕组的要求 a. 在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。 b. 三相电势和磁势必须对称，即三相大小相等相位互差?120。 c. 电势和磁势波形尽可能接近正弦波，谐波分量要小。 d. 用铜量少，绝缘性能和机械性能可靠。 2. 三相绕组的分类 a. 按槽内层数分类，可分为双层绕组和单层绕组。 b. 按每极每相槽数分类，可分为整数槽绕组和分数槽绕组。 c. 按排列方式可分为，双层绕组可分为迭绕组、波绕组；单层绕组可分为等元件 绕组、单层交叉绕组和单层同心绕组。 3. 每极每相槽数q 为了使三相电势相等，每相在每极下应占有相等的槽数，该槽数成为每极每相槽数。一般用q 表示，p m Z q ?= （Z 为槽数，p 为极数）。q 可以是整数，也可以是分数。q 为分数时c b a q =中c 不能是3或3的倍数。 4. 最大并联支路数a 对于整数槽p a =max ，对于分数槽c b a q =，c p a =max 。 5. 极距τ和节距y 极距p Z = τ（槽），当线圈的节距τ=y 时成为等距绕组，当τ 磁路计算小结 一磁路计算常用物理量 磁密的单位Gs：1T = 104 Gs ；1Gs = 10-4 T； 磁化强度M的单位Gs： 磁矩μ的单位是emu，1 emu = 10-3 A m2 磁化强度M的单位是emu/cm3，1 emu/cm3 =1Gs 1 A/m = 10-3 emu/cm3 1Gs = 1emu/cm3 = 10-3 A m2/cm3 = 103 A/m 1Gs = 103 A/m 二磁路基本定律 1．安培环路定律 H恰好等由麦克斯韦方程可知，沿着任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分值??L dl 于该闭合回路所包围的总电流值∑i（代数和），即 ∑ ?= H ?i dl L 式中，若电流的正方向与闭合回线的环行方向符合右手螺旋关系，i取正号，否则i取负号。若沿着回线L，磁场强度H的方向总是切线方向、大小处处相等，且闭合回线所包围的总电流是由通有电流i的N匝线圈提供，则上式将简化为 HL= Ni （1）安培定则 也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。 通电直导线中的安培定则（安培定则一） 用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向； 通电螺线管中的安培定则（安培定则二） 用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。 2．磁路的欧姆定律 设环形螺线管铁心的截面积为A，磁通量密度为B，总磁通量为Φ，则有 = Φ（） BAμ HA = 设线圈匝数为N ，螺线管平均长度为l ，给线圈通电流I ，根据安培环路定律，则有 HL NI = 所以 l NI H /= 代入式（），则有 l NIA /μ=Φ 整理得 A l NI ?= Φμ1 或 R NI = Φ （） 式中 A l R ?= μ （） 在电路中，设电动势（电压）为E ，电阻为R ，电流为I ，则有电路的欧姆定律 R E I = 设导体电阻率为σ，长度为l ，截面积为S ，则回路的电阻为 S l R ?= σ 由于式与电路中的欧姆定律非常相似，所以称之为磁路的欧姆定律。 如上图，两个欧姆定律的相似点有 （1） 电动势E → 磁动势NI （2）电流I → 磁通量Φ （3） 电阻R → 磁阻R （4）电导率σ → 磁导率μ 新型永磁电机转子磁路结构设计与分析 方案计算中采用了二维平面电磁场时步有限元结合场路耦合的方法，采用该计算方法的优点是能够考虑机械运动、导体区域感应涡流产生的集肤效应以及绕组邻近效应的影响，通过合理的简化模型，可以获得较高的计算精度和合理的计算时间[7]。 永磁同步电机电磁场时变问题中的Maxwell方程组表达式为： （2） 当考虑到电机铁芯的饱和因素，则非线性时变运动电磁场问题的偏微分方程表达式[8]为：（3） 式中：A—矢量磁位；Js—外部强加的源电流密度；v—媒质的磁阻率；V—媒质相对坐标系的运动速度；—媒质的电导率。 3 电磁场仿真计算与分析 根据上述分析，针对以上转子磁路结构类型，本文建立了3种磁路结构的模型，分别是表贴式、内置式和本文提出的新磁路结构。 该永磁同步电动机的定子槽数（36槽）及结构尺寸相同。转子采用不同的磁路结构，即表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构和本文提出的新型磁路结构。转子极数为8极。图3、图4和图5分别为表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构（转子磁路為一字型结构）、以及本文提出的新型转子磁路结构。 建立有限元仿真模型后，将分别计算3种磁路结构的空载反电动势波形，电机运行转速为1 000rpm，磁钢温度20℃。图6、图7和图8分别是表贴式转子磁路结构的空载反电动势波形、内置式转子磁路结构的空载反电动势波形和本文提出的新型转子结构的空载反电动势 波形。 通过对比图6、图7和图8的有限元仿真计算结果可知，当采用本文提出的新型转子磁路结构时，电机空载反电动势波形具有更高的正弦度，谐波含量最低，其谐波畸变率约为0.3%，远小于表贴式结构的2.6%和内置式转子结构的1.1%。 在空载工况下，对3种磁路结构电机的交直轴电感进行有限元仿真分析，得到电机交、直軸电感随时间的变化波形。计算结果如图9、图10、图11所示。 图9为表贴式转子结构的交直轴电感仿真结果。由于表贴式电机的交直轴磁导近似相等，因此仿真曲线中交直轴电感相近，即电机的凸极率近似为1。由图10可知，内置式电机的交直轴电感相差较大，其凸极率约等于1.5。图11为本文提出的新型转子磁路结构的电感仿真曲线，该结构的凸极率约为1.06，十分接近表贴式转子结构的凸极率，所以该磁路结构的控制方式与表贴式电机基本一致，使电机的控制方式更加简单。 4 试验验证 本文对新型转子磁路结构电机进行设计分析，根据设计参数制作了样机，并对样机的空载反电动势波形以及电机线电感进行试验测试。图12为新型转子结构样机空载反电动势波形。实测反电动势有效值与仿真计算值误差2.6%，满足工程设计要求。 本文通过对新型转子结构样机电感测试，得到样机线电感最大值约为105μH，线电感最小值约为90μH，因此其凸极率约为1.16，远低于内置式电机的凸极率，与表贴式电机的凸极率接近。 5 结论 本文提出了一种新型永磁同步电机转子磁路结构，通过分析得出以下结论。1）本文提出的新型永磁同步电机转子磁路结构，能够实现电机的高速运行，提高了磁钢在高速运行和冲击 1.1 磁路结构和设计计算 永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。 1.2 控制问题 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。 1.3 不可逆退磁问题 如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）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，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适合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形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。 1.4成本问题 由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。 1.5永磁转子特点： 结构1： 并联磁场结构；转采用采用铸造压制而成，里面嵌放永磁体，能量大、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号；ZL96 2 47776.1 结构2： 串联磁场式结构；转子采用钢结构，表面按顺序嵌放永磁铁，转子表面磁通强、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号：ZL98 2 33864.3 整机稳压系统特点： 采用可控硅和二极管组成半控桥式整流电路。稳压系统是一种斩波调制型稳压装置，其稳压精度为正负0.1v，故该发电机具有能瞬间承受较大电流、运行可靠和耐用等特点，又因可直接利用发电机发出的交流电的反向电压使可控硅自行关断，故无需加关断电路，使电路结构简单、可靠。 2、永磁发电机的优点 磁路及电感计算 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 第三章 磁路和电感计算 不管是一个空心螺管线圈，还是带气隙的磁芯线圈，通电流后磁力线分布在它周围的整个空间。对于静止或低频电磁场问题，可以根据电磁理论应用有限元分析软件进行求解，获得精确的结果，但是不能提供简单的、指导性的和直观的物理概念。在开关电源中，为了用较小的磁化电流产生足够大的磁通(或磁通密度)，或在较小的体积中存储较多的能量，经常采用一定形状规格的软磁材料磁芯作为磁通的通路。因磁芯的磁导率比周围空气或其他非磁性物质磁导率大得多，把磁场限制在结构磁系统之内，即磁结构内磁场很强，外面很弱，磁通的绝大部分经过磁芯而形成一个固定的通路。在这种情况下，工程上常常忽略次要因素，只考虑导磁体内磁场或同时考虑较强的外部磁场，使得分析计算简化。通常引入磁路的概念，就可以将复杂的场的分析简化为我们熟知的路的计算。 3.1 磁路的概念 从磁场基本原理知道，磁力线或磁通总是闭合的。磁通和电路中电流一样，总是在低磁阻的通路流通，高磁阻通路磁通较少。 所谓磁路指凡是磁通(或磁力线)经过的闭合路径称为磁路。 3.2 磁路的欧姆定律 以图3.1(a)为例，在一环形磁芯磁导率为μ的磁芯上，环的截面积A ，平均磁路长度为l ，绕有N 匝线圈。在线圈中通入电流I ，在磁芯建立磁通，同时假定环的内径与外径相差很小，环的截面上磁通是均匀的。根据式(1.7)，考虑到式(1.1)和(1.3)有 F NI Hl Bl A l R m =====μφμφ (3.1) 或 φ=F /R m (3.2) 式中F =NI 是磁动势；而 R m =l A μ (3.3) R m —称为磁路的磁阻，与电阻的表达式相似，正比于路 的长度l ，反比于截面积A 和材料的磁导率μ；其倒数称为磁导 G m m R A l == 1 μ (3.3a) 式(3.1)即为磁路的欧姆定律。在形式上与电路欧姆定律相似，两者对应关系如表3.1所示。 磁阻的单位在SI 制中为安/韦，或1/亨；在CGS 制中为安/麦。磁导的单位是磁阻单位的倒数。同理，在磁阻两端的磁位差称为磁压降U m ，即 U m =φR m =BA ×l S μ=Hl (安匝) (3.4) 引入磁路以后，磁路的计算服从于电路的克希荷夫两个基本定律。根据磁路克希菏夫 表3.1 磁电模拟对应关系 磁 路 电 路 磁动势F 电动势 E 磁通φ 电流I 磁通密度B 电流密度J 磁阻R m =l /μA 电阻R =l/γA 磁导G m =μA/l 电导G =γA/l 磁压降U m =Hl 电压U=IR 1、课程设计的目的与作用 1.1、设计目的 1、学习电机的工作原理及电机设计的相关方法，利用电机设计仿真软件Ansoft RMxprt 2、参数设计法和利用MATLAB软件编程的传统设计方法完成典型电机产品设计； 3、完成电机主要尺寸的选择和确定、基本性能设计、磁路计算、参数设计、起动 计算等； 4、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 5、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 6、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 7、提高学生课程设计报告撰写水平。 1.2、设计作用 课程设计是培养和锻炼在校学生综合应用所学理论知识解决实际问题能力、进行工程实训的重要教学环节，它具有动手、动脑，理论联系实际的特点，是培养在校工科大学生理论联系实际、敢于动手、善于动手和独立自主解决设计实践中遇到的各种问题能力的一种较好方法。《电机学》是电气工程及自动化专业的一门专业基础课，具有应用性、实践性较强的特点，忽视了实践环节，学生不能很好的理解所学内容。通过设计，使学生系统、深入了解各种电机的工作原理和抽象出来的数学模型，对这门课程的认识和理解提高到一个新的水平。通过设计实践，培养学生查阅专业资料、工具书或参考书，掌握现代设计手段和软件工具，并能以仿真程序及仿真结果表达其设计思想的能力。通过设计，不但要培养和提高学生学习和应用专业知识的能力，而且要在实践过程中锻炼培养正确的设计思想，培养良好的设计习惯，牢固树立事实求是和严肃认真的科学工作态度。电机学课程设计是电机学课程学习的最后一个环节，通过设计不仅可以使学生更牢固的掌握所学知识，同时也可以为后续课程的学习打下扎实的理论基础。 磁路与电感计算 一个空心螺管线圈，或是带气隙的磁芯线圈，通电流后磁力线分布在它周围的整个空间。对于静止或低频电磁场问题，可以根据电磁理论应用有限元分析软件进行求解，获得精确的结果，但是不能提供简单的、指导性的和直观的物理概念。在开关电源中，为了用较小的磁化电流产生足够大的磁通(或磁通密度)，或在较小的体积中存储较多的能量，经常采用一定形状规格的软磁材料磁芯作为磁通的通路。因磁芯的磁导率比周围空气或其他非磁性物质磁导率大得多，把磁场限制在结构磁系统之内，即磁结构内磁场很强，外面很弱，磁通的绝大部分经过磁芯而形成一个固定的通路。在这种情况下，工程上常常忽略次要因素，只考虑导磁体内磁场或同时考虑较强的外部磁场，使得分析计算简化。通常引入磁路的概念，就可以将复杂的场的分析简化为我们熟知的路的计算。 3.1 磁路的概念 从磁场基本原理知道，磁力线或磁通总是闭合的。磁通和电路中电流一样，总是在低磁阻的通路流通，高磁阻通路磁通较少。 所谓磁路指凡是磁通(或磁力线)经过的闭合路径称为磁路。 3.2 磁路的欧姆定律 以图3.1(a)为例，在一环形磁芯磁导率为μ的磁芯上，环的截面积A ，平均磁路长度为l ，绕有N 匝线圈。在线圈中通入电流I ，在磁芯建立磁通，同时假定环的内径与外径相差很小，环的截面上磁通是均匀的。根据式(1.7)，考虑到式(1.1)和(1.3)有 F NI Hl Bl A l R m === ==μφμφ (3.1) 或 φ=F /R m (3.2) 式中F =NI 是磁动势；而 R m =l A μ (3.3) R m —称为磁路的磁阻，与电阻的表达式相似，正比于路的长度l ， 反比于截面积A 和材料的磁导率μ；其倒数称为磁导 G m m R A l == 1 μ (3.3a) 式(3.1)即为磁路的欧姆定律。在形式上与电路欧姆定律相似， 两者对应关系如表3.1所示。 磁阻的单位在SI 制中为安/韦，或1/亨；在CGS 制中为安/麦。 磁导的单位是磁阻单位的倒数。同理，在磁阻两端的磁位差称为磁压降U m ，即 U m =φR m =BA ×l S μ=Hl (安匝) (3.4) 引入磁路以后，磁路的计算服从于电路的克希荷夫两个基本定律。根据磁路克希菏夫第一定律，磁路中任意节点的磁通之和等于零，即 φ=∑0 (3.5) 根据安培环路定律得到磁路克希菏夫第二定律，沿某一方向的任意闭合回路的磁势的代数和等于磁压降的 代数和 IN R ∑∑=φ (3.6) 或 IN Hl ∑∑= (3.6a) 表3.1 磁电模拟对应关系 第一章磁路 一、填空： 1.磁通恒定的磁路称为，磁通随时间变化的磁路称为。 答：直流磁路，交流磁路。 2.电机和变压器常用的铁心材料为。 答：软磁材料。 3.铁磁材料的磁导率非铁磁材料的磁导率。 答：远大于。 4.在磁路中与电路中的电势源作用相同的物理量是。 答：磁动势。 5.★★当外加电压大小不变而铁心磁路中的气隙增大时，对直流磁路，则磁通，电 感，电流；对交流磁路，则磁通，电感，电流。 答：减小，减小，不变；不变，减小，增大。 二、选择填空 1.★★恒压直流铁心磁路中，如果增大空气气隙。则磁通；电感；电流；如 果是恒压交流铁心磁路，则空气气隙增大时，磁通；电感；电流。 A：增加 B：减小 C：基本不变 答：B，B，C，C，B，A 2.★若硅钢片的叠片接缝增大，则其磁阻。 A：增加 B：减小 C：基本不变 答：A 3.★在电机和变压器铁心材料周围的气隙中磁场。 A：存在 B：不存在 C：不好确定 答：A 4.磁路计算时如果存在多个磁动势，则对磁路可应用叠加原理。 A：线形 B：非线性 C：所有的 答：A 5.★铁心叠片越厚，其损耗。 A：越大 B：越小 C：不变 答：A 三、判断 1.电机和变压器常用的铁心材料为软磁材料。（）答：对。 2.铁磁材料的磁导率小于非铁磁材料的磁导率。（）答：错。 3.在磁路中与电路中的电流作用相同的物理量是磁通密度。（）答：对。 4. ★若硅钢片的接缝增大，则其磁阻增加。 （ ） 答：对。 5. 在电机和变压器铁心材料周围的气隙中存在少量磁场。 （ ） 答：对。 6. ★恒压交流铁心磁路，则空气气隙增大时磁通不变。 （ ） 答：对。 7. 磁通磁路计算时如果存在多个磁动势，可应用叠加原理。 （ ） 答：错。 8. ★铁心叠片越厚，其损耗越大。 （ ） 答：对。 四、简答 1. 电机和变压器的磁路常采用什么材料制成，这种材料有那些主要特性？ 答：电机和变压器的磁路常采用硅钢片制成，它的导磁率高，损耗小，有饱和现象存在。 2. ★磁滞损耗和涡流损耗是什幺原因引起的？它们的大小与那些因素有关？ 答：磁滞损耗由于B 交变时铁磁物质磁化不可逆，磁畴之间反复摩擦，消耗能量而产生的。它与交变频率f 成正比，与磁密幅值 B m 的α次方成正比。V fB C p n m h h = 涡流损耗是由于通过铁心的磁通ф发生变化时，在铁心中产生感应电势，再由于这个感应电势引起电流（涡流）而产生的电损耗。它与交变频率f 的平方和 B m 的平方成正比。 V B f C p m e e 2 22?= 3. 什么是软磁材料？什么是硬磁材料？ 答：铁磁材料按其磁滞回线的宽窄可分为两大类:软磁材料和硬磁材料。磁滞回线较宽，即矫顽力大、剩磁也大的铁磁材料称为硬磁材料，也称为永磁材料。这类材料一经磁化就很难退磁，能长期保持磁性。常用的硬磁材料有铁氧体、钕铁硼等，这些材料可用来制造永磁电机。磁滞回线较窄，即矫顽力小、剩磁也小的铁磁材料称为软磁材料。电机铁心常用的硅钢片、铸钢、铸铁等都是软磁材料。 4. 磁路的磁阻如何计算？磁阻的单位是什么？ 答：m R A μ= l ，其中：μ为材料的磁导率；l 为材料的导磁长度；A 为材料的导磁面积。磁阻的单位为A/Wb 。 5. ★说明磁路和电路的不同点。 答：1）电流通过电阻时有功率损耗，磁通通过磁阻时无功率损耗； 2）自然界中无对磁通绝缘的材料； 3）空气也是导磁的，磁路中存在漏磁现象； 4）含有铁磁材料的磁路几乎都是非线性的。 6．★说明直流磁路和交流磁路的不同点。 答：1）直流磁路中磁通恒定，而交流磁路中磁通随时间交变进而会在激磁线圈内产生感应电动势； 2）直流磁路中无铁心损耗，而交流磁路中有铁心损耗； 永磁同步电机磁路计算基础 永磁同步电机磁路分析可以参考电路分析的方法。 磁路和电路对比： 永磁体的退磁曲线可以对比电源不忽略内阻的电路中端电压和电流的曲线。 退磁曲线和不忽略电源内阻的电路中电压和电流关系曲线几乎一致，只是相当于在U-I 特性的基础上旋转了90度，U-I特性曲线的斜率等于电源的内阻对给定的电源来说是一个定值，退磁曲线的斜率等于永磁体内部的磁导，对给定的永磁体内部磁导是个定值。 在电机运行过程中，永磁体向外磁路提供的磁动势和磁通都是变化的，可以将永磁体等效成为一个恒磁通源和一个恒定的磁导相并联，或者一个恒磁势源和一个恒磁导串联，分析方法依然和电路中的等效电路一致。 和电路分析中有一点的不同，电路中一般认为没有漏电流的存在，而在磁路中总是有漏磁通的存在，当负载运行时主磁通中加入了电枢反应磁动势，可以对负载时的磁路运用戴维南定律进行等效，求出外磁路等效的磁导和等效的磁势。 等效磁路解析法可以采用标幺值来简化计算，通过解析法可以计算出永磁体的工作点以及每极气隙磁通，然后用通常的磁路计算方法，根据外磁路的尺寸和材料的磁化特性，求出磁路各部分的磁密和磁位差，并用检查永磁体的电机设计的合理性和调整磁路设计。 永磁材料的磁性能对温度的敏感性很大，因此不能直接引用材料生产厂提供的数值，而要根据实测的退磁曲线换算到工作温度时的计算剩磁密度和计算矫顽力。 除了解析法之外还可以采用图解法直观的理解永磁体的工作点。 空载时等效磁路的图解法负载时的等效磁路图解法电阻的U-I曲线和端电压的U-I曲线的交点为此时电路对应的电压和电流的值。 磁导的磁势和磁通的曲线和退磁曲线的交点为此时永磁体的工作点。 对于电机负载之后的磁导对应的磁势和磁通的曲线将往左（去磁）或者向右（增磁）电势反应磁势。 永磁体的最大磁能积工作点以及最大有效磁能永磁体有工作点，因为永磁电机中存在有漏磁通，实际的机电能量转换的是气隙磁场中的有效磁能，并不是永磁体的总磁能。 在永磁体电机设计应该先考虑最佳的设计然后再考虑永磁的最大利用率。 基于等效磁路法的轴向永磁电机效率优化设计 发表时间：2018-08-21T13:59:36.733Z 来源：《电力设备》2018年第15期作者：吴伟 [导读] 摘要：近年来，永磁电机因其结构简单、运行可靠、效率高等优点发展迅速，在许多领域得到了广泛研究和应用。 (深圳市科力尔电机有限公司广东深圳 518000) 摘要：近年来，永磁电机因其结构简单、运行可靠、效率高等优点发展迅速，在许多领域得到了广泛研究和应用。本文介绍了等效磁路模型用于磁场和性能计算，论述了电机参数对损耗和效率的影响，并探讨了优化设计一台30kW定子模块化轴向永磁电机，所得计算结果将通过三维有限元进行验证。 关键词：轴向永磁电机；等效磁路；损耗；效率优化 永磁电机无需无功励磁电流，降低了转子损耗，使电机在较宽负载范围内保持较高的效率和功率因数。此外，永磁电机具有结构简单、运行可靠等优点，极大地提高了永磁电机的性能，使其在工农业生产、家用电器、医疗设备、航空航天等各个领域均显示出强大的生命力，具有广阔的应用前景。 一、轴向永磁电机概述 轴向永磁电机(axial flux permanent magnet machine，AFPMM)也称盘式永磁电机，因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注。AFPMM尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统、飞轮储能系统和工业设备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。轴向永磁电机气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布。法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向电机，受材料和工艺水平的限制，轴向永磁电机在此后一段时间未能得到进一步的发展。随着科学技术的进步，新型材料的涌现和工艺水平的改善，为了克服传统圆柱式电机存在的铁心利用率低和冷却困难等问题，轴向永磁电机重新获得重视。目前，轴向永磁电机凭借其在功率密度和效率等方面的优势，已成为电机领域的研究热点。 二、等效磁路模型 等效磁路法适合应用于不同类型的电机电磁设计，本文中由于电机结构的对称性，利用周期性边界条件可研究单元电机模型。等效磁路包含转子铁心、永磁体、气隙及定子铁心四部分。对轴向永磁电机，盘式结构使磁通密度沿径向均匀分布，电机静态特性可简化在平均半径处计算。 图1为一个单独定子铁心模块的等效磁路模型，铁磁材料利用图中黑色标注的非线性磁阻Rt和Rsh以考虑磁路饱和的影响，并通过磁动势源模拟电枢反应，齿槽间漏磁通由磁阻Rs和Rss体现。 图1单个定子铁心模块等效磁路模型 定子铁心相对磁导率随磁通密度而变化，可依据软磁复合材料的磁化曲线进行迭代而考虑磁路饱和现象。 永磁体等效磁路建模过程通过漏磁阻Rmm和Rmg体现相邻永磁体及永磁体和气隙之间漏磁现象。此外，还包括永磁体等效磁动势源Fm 和永磁体磁阻Rm，如图2所示。同定子铁心建模类似，转子铁心磁路饱和现象也通过非线性磁阻Rr的迭代过程加以考虑。 图2永磁体和转子铁心等效磁路模型 气隙等效磁路模型依据永磁体和定子齿槽间的相对位置分割为若干独立部分，在满足一定计算精度的情况下，假定气隙磁通仅沿着轴向分布而垂直进入定子铁心端面。因此，将各个不同部分的等效磁路结合在一起得到该电机一对磁极下完整的等效磁路模型。 三、损耗分析 效率是电机的一个重要性能指标，取决于运行时电机中所产生的损耗，损耗包括定子和转子铁心中的基本铁耗、绕组铜耗、机械损耗和附加损耗。同时，损耗分析是准确预估电机效率的前提条件，研究电机参数对损耗和效率的影响，对电机优化设计具有指导意义。轴向永磁电机中，绕组铜耗占据电机损耗的较大成分，而其主要产生于绕组端部。因此，分数槽集中绕组因绕组端部短而有助于电机效率的提高，而定转子铁心损耗主要是由永磁体产生类似梯形波磁通密度所造成。另外，分数槽集中绕组磁动势谐波分量较大，永磁体涡流损耗和转子铁心损耗相对比较严重，这部分损耗可结合等效磁路模型所得磁场分布进行计算。 为准确预估电机效率，机械损耗和附加损耗也需要加以考虑，其中，机械损耗包括轴承摩擦损耗和风阻损耗。本文采用等效磁路法分析电机结构参数对效率和损耗的影响，为定子模块化轴向永磁电机效率优化设计奠定基础。对轴向永磁电机，定子外直径D0和内外径比值通常被认为是两个最重要的设计参数，此外，永磁体轴向长度hm和气隙长度g对电机性能的影响也十分显著。因此，本文着重分析了这四个参数在一定范围内变动对损耗和效率的影响。 由额定转矩和转速下等效磁路法计算定子外直径变化对损耗和效率的影响可知，定子外直径减小势必造成定子电流的增加，铜耗增大，而定子外直径增大又因铁心材料使用量增多而造成铁耗的增加，综合考虑，定子外直径适合在158～165mm间取值，以实现效率优化。 内外径比值对轴向永磁电机设计至关重要，相关人员总结出轴向永磁电机内外径比值取值在O.65～0.75之间时，可以获得最优转矩密度。然而，针对不同的电机类型和应用范围，其取值变化差异一般较大。由等效磁路法计算内外径比值对损耗和效率的影响可知，在满足机械强度等条件下， =0.68时可以使电机效率最大。 永磁体的轴向长度直接决定了气隙磁通密度，在一定程度上影响电机损耗和效率。由等效磁路法计算永磁体轴向长度对损耗和效率的影响可知，增加永磁体的轴向长度可以降低铜耗，但定子和转子铁心损耗相对增大，总损耗呈上升趋势，效率反而有所降低。当永磁体轴向长度约为3mm时，电机效率最大，但考虑到永磁体的退磁危险及制造工艺的限制，永磁体轴向长度不宜过小。因此，在牺牲一定效率的情况下，永磁体轴向长度取值为3.5mm或4mm。 此外，由等效磁路法计算气隙长度变化对损耗和效率的影响可知，随着气隙长度的增大，尤其当气隙长度在3mm以下取值时，电机总损耗呈现下降的趋势，电机效率得到有效提升。然而气隙长度超过3mm时，对电机效率没有明显的改善作用，另一方面，气隙长度的增大意味着磁通密度的减小，在一定程度上影响电机的性能。综合考虑，气隙程度适合取值为2.5mm。 四、优化设计 在上述内容利用等效磁路模型探讨电机参数对损耗和效率影响的基础上，对本文某型号定子模块化轴向永磁电机进行效率优化设计，优化过程中保持输出功率恒定，保证电流密度和机械强度在安全运行限度内。输出功率为30kW，允许的最大电流密度不超过8A/mm2，选取定子外直径D0，内外径比值，永磁体轴向长度hm和气隙长度g作为优化设计变量，其余参数与初始方案相同，以实现效率优化设计目永磁体密封磁路计算小结
新型永磁电机转子磁路结构设计与分析
永磁电机磁路结构和设计计算
磁路及电感计算
变压器铁芯磁路的计算
磁路计算
电机学复习题及答案
电机磁路计分析
基于等效磁路法的轴向永磁电机效率优化设计