永磁电机的磁路分析与设计
新型永磁电机的设计、分析与应用研究
新型永磁电机的设计、分析与应用研究一、概述随着全球能源危机和环境保护压力的不断增大，高效、节能、环保的电机技术成为了当前研究的热点。
永磁电机作为一种新型的电机技术，具有高效率、高功率密度、低噪音、低维护等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、工业自动化等领域。
对新型永磁电机的研究具有重要意义。
新型永磁电机的研究涉及到电机设计、分析、优化以及应用等多个方面。
在电机设计方面，需要考虑电机的结构、绕组、永磁体等因素，以实现电机的最佳性能。
在电机分析方面，需要建立电机的数学模型，对电机的性能进行预测和评估。
在电机优化方面，需要采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行优化，以提高电机的效率和可靠性。
在应用方面，需要研究永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，以推动永磁电机的广泛应用。
本文旨在对新型永磁电机的设计、分析与应用进行深入的研究和探讨。
介绍了永磁电机的基本原理和分类，为后续研究打下基础。
详细阐述了永磁电机的设计方法，包括电机的结构设计、绕组设计、永磁体设计等。
建立了永磁电机的数学模型，对电机的性能进行了预测和评估。
接着，采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行了优化，以提高电机的效率和可靠性。
结合实际应用案例，分析了永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，为永磁电机的应用提供了有益的参考。
通过本文的研究，可以为新型永磁电机的设计、分析与应用提供理论支持和技术指导，推动永磁电机技术的进一步发展和应用。
1. 永磁电机的发展历程与现状永磁电机，作为一种重要的电机类型，其发展历程与现状反映了电机技术的持续进步与革新。
早在20世纪初，永磁电机就已经开始被研究和应用，但受限于当时永磁材料的性能，其应用范围和效率相对较低。
随着稀土永磁材料的出现和发展，尤其是钕铁硼等高性能永磁材料的出现，永磁电机的性能得到了显著提升，应用领域也大幅扩展。
近年来，随着全球对节能减排和环保要求的不断提高，永磁电机以其高效率、高功率密度、低维护成本等优点，在新能源汽车、风力发电、电动工具、家用电器等领域得到了广泛应用。
永磁同步电机设计流程
永磁同步电机设计流程永磁同步电机是一种应用广泛的电机类型，具有高效率、高功率因数和高控制精度等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
设计一台高性能的永磁同步电机需要经过一系列的流程，本文将详细介绍永磁同步电机的设计流程。
一、需求分析在设计永磁同步电机之前，首先需要明确电机的使用需求。
包括电机的功率需求、转速范围、工作环境条件等。
通过对需求的分析，可以为后续的设计提供指导。
二、磁路设计磁路设计是永磁同步电机设计的关键步骤之一。
磁路设计的目标是确定合适的磁路结构和尺寸，以实现预期的性能指标。
在磁路设计中，需要考虑永磁体的选用、磁路的饱和效应、磁路的损耗等因素。
三、电磁设计电磁设计是永磁同步电机设计的另一个重要步骤。
电磁设计的目标是确定合适的绕组结构和参数，以实现预期的性能指标。
在电磁设计中，需要考虑绕组的匝数、线径、绕组方式等因素，以及永磁体和绕组之间的磁场分布和相互作用。
四、机械设计机械设计是永磁同步电机设计的另一个关键步骤。
机械设计的目标是确定合适的机械结构和尺寸，以满足电机的运行要求。
在机械设计中，需要考虑电机的轴承结构、散热结构、防护结构等因素，以及电机的安装方式和连接方式。
五、控制系统设计控制系统设计是永磁同步电机设计的最后一步。
控制系统设计的目标是确定合适的控制策略和参数，以实现电机的稳定运行和精确控制。
在控制系统设计中，需要考虑电机的闭环控制方式、控制器的选择和参数调节等因素，以及电机与其他设备的通讯和配合。
六、样机制造与测试在完成永磁同步电机的设计之后，需要进行样机制造和测试。
样机制造的目标是按照设计要求制造出一台符合性能指标的永磁同步电机。
样机测试的目标是验证电机的性能和功能是否满足设计要求。
通过样机制造和测试，可以进一步改进和优化设计。
七、生产与应用在样机测试通过之后，可以进行电机的批量生产和应用。
在生产过程中，需要注意生产工艺和质量控制，以确保电机的一致性和可靠性。
在应用过程中，需要根据具体的使用场景和需求，对电机进行调试和优化，以实现最佳的性能和效果。
浅谈永磁电机的设计要点
浅谈永磁电机的设计要点永磁电机是一种利用永磁体产生恒定磁场的电机。
由于其结构简单、效率高、响应快等特点，近年来得到了广泛应用。
在永磁电机的设计中，应该要注意以下几个方面。
1. 永磁体的选择永磁电机的性能很大程度上取决于永磁体的质量。
常见的永磁体有NdFeB、SmCo等。
对于需要高功率密度和高磁能积的电机，通常选择NdFeB永磁体。
而对于高温环境下的应用，可以选择SmCo永磁体。
2. 磁路设计永磁电机的磁路设计是关键。
在设计中，要考虑磁路的磁导率、饱和磁场、磁路长度等因素。
磁路的选择对于电机的输出功率和效率都有很大的影响。
3. 绕组设计永磁电机的绕组设计是十分重要的。
绕组的设计直接关系到电机的输出功率、效率和自耦比等性能指标。
在绕组的设计中，应该注重电机工作时的冷却和散热，同时保证绕组的耐热性和耐久性。
4. 控制系统设计永磁电机的控制系统设计也是十分关键的。
在控制系统的设计中，应该考虑转速控制、电流控制等因素。
在电机运转过程中，还需要对电机的工作状态进行监测和保护，以保证电机的安全和稳定性。
5. 制造和组装永磁电机的制造和组装对于电机的品质和性能也有很大的影响。
在制造和组装过程中，应该注重每个零部件的精度和装配质量。
同时还需要进行严格的质量控制和检验，以保证电机的品质和性能。
综上所述，永磁电机的设计涉及到很多因素，包括永磁体的选择、磁路设计、绕组设计、控制系统设计、制造和组装等多个方面。
在设计中，应该注重细节和品质，以保证电机的高效、稳定和可靠性。
永磁同步电动机的分析与设计
永磁同步电动机的分析与设计永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种采用永磁材料作为励磁源的同步电机。
相较于传统的感应电机，永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高转矩密度和高速控制响应等特点，因此在许多应用领域中得到广泛应用。
本文将介绍永磁同步电机的分析与设计内容。
首先，分析永磁同步电机的基本原理。
永磁同步电机由永磁铁和电磁绕组组成。
当绕组通电后，产生的磁场与永磁铁的磁场相互作用，使电机转子产生旋转力矩。
通过分析电机的磁动特性和电动力学特性，可以得到电机的数学模型和控制方程，为电机设计和控制提供理论依据。
其次，设计永磁同步电机的结构参数。
永磁同步电机的结构参数包括定子绕组的匝数、线圈的截面积和磁链密度等。
这些参数的选择将直接影响电机的性能，如转矩、效率和功率因数等。
通过优化设计，可以使电机在给定的体积和功率范围内获得最佳性能。
然后，进行永磁同步电机的电磁设计。
电磁设计包括计算电机的电磁参数，如磁链、磁势和磁密等。
在设计过程中，需要考虑电机的工作条件和负载要求，选择合适的磁路结构和电磁铁材料，以提高电机的效率和转矩密度。
接下来，进行永磁同步电机的电气设计。
电气设计包括计算电机的电气参数，如电压、电流和功率等。
通过分析电机的电气性能，可以确定电机的绕组参数和功率电路的参数，以满足电机的输出要求和电力系统的特性。
最后，进行永磁同步电机的控制设计。
控制设计是永磁同步电机应用中至关重要的一环。
通过采用合适的控制策略和控制器，可以实现电机的速度、位置和转矩精确控制，提高电机的动态响应和工作效率。
总之，永磁同步电机的分析与设计是实现高效电机控制的关键步骤。
通过对电机的原理分析、结构参数设计、电磁设计、电气设计和控制设计等方面的研究，可以实现电机的优化设计和性能优化，推动永磁同步电机技术在各个领域的应用发展。
(完整)调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
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 ϕ、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：计算额定数据:(1) 额定相电压:N 220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 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:2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 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。
新型永磁电机转子磁路结构设计与分析
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。
浅谈永磁电机的设计要点
浅谈永磁电机的设计要点
永磁电机是一种利用永磁体产生的磁场来实现电能转换的电动机。
与传统的电机相比，永磁电机具有结构简单、效率高、动态响应快等优点。
在永磁电机的设计中，有几个要点
需要考虑。
永磁电机的磁路设计是关键。
磁路设计的好坏直接影响到电机的输出功率和效率。
在
进行磁路设计时，需要考虑使用何种材料作为永磁体，永磁体的磁性能如矫顽力和磁导率
等也需要进行相应的选择。
还需要确定磁路的磁链数，以及合适的槽数和绕组形式等。
永磁电机的电机参数的计算是关键。
电机参数的计算包括温度、电阻、感抗、电感等。
这些参数的计算需要对电机的磁路和绕组进行详细的分析和计算。
还需要根据电机的设计
要求确定电机的额定转矩和额定功率等。
永磁电机的控制器的设计也是重要的。
永磁电机的控制器可以通过调节供电电压和频
率来调节电机的速度和转矩。
控制器的设计需要考虑电机的控制精度和控制范围等。
还需
要根据电机的工作条件和负载情况来选择合适的控制方式和控制算法。
永磁电机的散热设计是不可忽视的。
永磁电机在工作过程中会产生一定的热量，如果
不能有效地散热，就会影响电机的性能和寿命。
在设计永磁电机时，需要充分考虑散热问题，确定合适的散热方式和散热结构，确保电机能够正常工作并且具有较长的寿命。
永磁电机的设计要点包括磁路设计、电机参数计算、控制器设计和散热设计等。
通过
合理的设计，可以提高永磁电机的性能和效率，使其在实际应用中发挥更大的作用。
永磁无刷直流电机的设计与电磁分析
本次演示采用有限元模拟和优化设计等方法对永磁无刷直流电机进行设计和 电磁分析。最后，对永磁无刷直流电机的电磁性能进行分析和讨论，包括磁场分 布、功率损耗、效率等，并指出了研究的不足和未来研究方向。
引言：
永磁无刷直流电机是一种具有高效率、低噪音、长寿命等优点的电机，在工 业自动化、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。随着技术的不断发展， 对永磁无刷直流电机的性能要求也不断提高。因此，本次演示旨在通过对永磁无 刷直流电机的设计与电磁分析，提高其性能指标，以满足不同领域的应用需求。
参考内容
基本内容
盘式永磁无刷直流电机是一种先进的电动设备，具有高效率、低噪音、长寿 命等优点。本次演示将详细介绍盘式永磁无刷直流电机的电磁设计过程，包括磁 场分布、线圈绕制、绝缘设计、冷却系统等，旨在为优化电机性能提供理论支持 和实践指导。
盘式永磁无刷直流电机是一种结合了永磁电机和无刷直流电机的优点的新型 电动设备。它采用永磁体作为磁源，可直接产生恒定的磁场，避免了传统有刷直 流电机需要定期更换电刷的缺点。盘式结构使得电机散热性能好、机械强度高， 能够在恶劣环境中稳定运行。
电磁设计是盘式永磁无刷直流电机设计的核心环节。磁场分布是电磁设计的 首要环节，合理的磁场分布可以提高电机性能、降低谐波损耗。线圈绕制方法对 电机的功率密度、电气性能和机械特性有着重要影响。在电磁设计中，需要综合 考虑线圈材料、线径、匝数等因素，以实现电机的高效运行。
绝缘设计对于盘式永磁无刷直流电机的可靠性至关重要。线圈绝缘材料的选 用和结构设计直接影响到电机的电气性能和机械特性。在电磁设计中，应充分考 虑绝缘材料的电气性能和机械性能，以满足电机在高温、高湿等恶劣环境下的正 常运行。
文献综述：
自20世纪50年代第一台永磁无刷直流电机问世以来，国内外学者对其进行了 广泛研究。研究内容主要包括电磁场分析、优化设计、控制策略、可靠性等方面。 在电磁场分析方面，有限元法等效磁路法、模拟仿真等方法被广泛应用。在优化 设计方面，主要从电机结构、材料、工艺等方面进行优化。
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径向式永磁转子结构
气隙磁密波形
湖北工业大学电气与电子工程学院
46
2021/2/18
径向式永磁转子结构
磁力线分布（集中绕组）
47
2021/2/18
磁场云图
湖北工业大学电气与电子工程学院
径向式永磁转子结构
气隙磁密波形
湖北工业大学电气与电子工程学院
48
2021/2/18
径向式永磁外转子结构
磁力线分布（分数槽绕组）
2021/2/18
湖北工业大学电气与电子工程学院
无隔磁气隙切向式永磁转子
一个极下的气隙磁密波形
55
2021/2/18
原磁桥处磁密波形
湖北工业大学电气与电子工程学院
磁路分析的图解法
磁钢
SN
隔磁气隙
S
N
N
S
转轴
NS
磁桥
带磁桥的切向式永磁转子
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56
2021/2/18
磁路分析的图解法
2021/2/18
湖北工业大学电气与电子工程学院
磁路分析的图解法
永磁 电机 磁路 迭代 框图
61
计算槽漏磁导GS
假设气隙磁通0
计算主磁路磁动势F12（五段法）
计算漏磁通s、fb
计算总磁通m
计算磁动势Fm
计算漏磁系数0
0是否在预定范围
N
设计结束
2021/2/18
Y
湖北工业大学电气与电子工程学院
湖北工业大学电气与电子工程学院
6
2021/2/18
稀土永磁电机的特点
结构简单、灵活，运行可靠 体积小、重量轻，功率密度高 损耗小、效率高，节能显著
湖北工业大学电气与电子工程学院
7
2021/2/18
永磁电机的磁路分析与设计
（一）稀土永磁材料的退磁曲线 （二）稀土永磁体的等效磁路 （三）永磁电机的等效磁路 （四）磁路分析的解析法 （五）磁路分析的图解法
12
2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
B' Br 0Mr B B Br 0rH
Br
B' B"
B" 0rH
-Hc
0H
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13
2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
BBr0rH
B
Br
H0,BBr 0Mr
B0,HHcMr /r
-Hc
0H
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II类：已知气隙磁通和气隙长度 ， 设计磁体。
两种方法：解析法，图解法
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2021/2/18
磁路分析的解析法
视 Fe 为常数，同时通过系数 ks 来
考虑铁心磁阻，即
G
0ilef 2k kS
（ks>1）
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2021/2/18
磁路分析的解析法
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2021/2/18
永磁电机负载等效磁路图
m
G0
G
F12
G
Fm
Fa
主磁路的等效主磁导：
G f(Fe)
变磁导
漏磁路的总漏磁导：
G Gi
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2021/2/18
永磁电机的等效磁路
m
G0 F12
G
G
Fm
Fa
m
G0 F12
G
G
Fm
Fa
电枢反应去磁
Fm
m G0
G 0 r B rA m 0 h M rA m p B 0rrh M p H c h M p F c F m
Fm
永磁体计算磁动势（虚拟磁动势）
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2021/2/18
稀土永磁体的等效磁路
戴维南等效磁路
hMp
S
N
m
G0
F12
Fm
稀土磁钢
F12
Fm
m G0
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2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
磁路计算中常将第II象限磁化曲线等效到 第I象限
第I 象限:
BBr0rH
第II象限:
BBr0rH
(即H 取绝对值)
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2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
B
Br
0r H
Br (1
0r H
Br
)
Br
(1
Br
H
/ 0r
G j1
+
_
G t1
G
G t2
δ
G j 2 G 0 m +FM _
σ
s1 s2
s3 fb
59
G fa
G s1 G s2 G s3
G fb
G t1
GS1 ~GS3 与漏磁通s1、 s2、 s3、相对应漏磁导
G Gfa，Gfb 与漏磁通fb相对应
磁桥处、转子轭部
G t2
的漏磁导
G j2
Gj1，Gj2 定、转子的轭部 磁导
Hh Mp H chMp
)
r
F
r (1 FC )
0
hMp
S N 稀土磁钢
Fc F
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2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
用标幺值进行磁路计算
磁通：
/b
磁动势： FF/Fb
磁导：
GG/Gb
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19
2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
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3
2021/2/18
稀土永磁材料的发展
磁能积（kJ/m3）
431
258 199
85
40 2.7 7.2
天碳钴 铝 铁 钐 钐 钕
然钢钢 镍 氧 钴 钴 铁
2 17 15
磁、 铁钨
钴体：： 硼
矿钢 石
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2021/2/18
稀土永磁材料的发展
Gt1，Gt2 定、转子齿部磁导
磁钢两侧附加气隙
磁导（包括磁体内
磁导）
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2021/2/18
磁路分析的图解法
G
'
δ m G 0
Fad
+_ + FM _
σ s
Gs
主磁路等效磁导：
G
1
2
1 2
2
2
Gj1 Gt1 G Gt2 Gj2
fb G fa
G fb
60
永磁电机的简化等值磁路图
带磁桥的切向式永磁转子
磁力线分布 52
磁场云图（磁桥宽9.8mm）
2021/2/18
湖北工业大学电气与电子工程学院
带磁桥的切向式永磁转子
一个极下的气隙磁密波形 磁桥磁密波形（磁桥宽9.8mm）
湖北工业大学电气与电子工程学院
53
2021/2/18
无隔磁气隙切向式永磁转子
磁力线分布 54
磁场云图（无隔磁气隙）
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磁路分析的解析法
永磁电机空载时的磁钢工作点
B 1
1
Bm0
M
m0
N
0
Hm0
1H
0
F m0 1 F
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2021/2/18
磁路分析的解析法
永磁电机空载时的磁路求解
总漏磁通标幺值：
0
F12G 0
G Gn 1
气隙磁通标幺值：
0
F12G 0
G Gn 1
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2021/2/18
永磁电机的磁路分析与设计
（一）稀土永磁材料 的退磁曲线
湖北工业大学电气与电子工程学院
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2021/2/18
稀土永磁材料的退磁曲线
B
l
Br
I
衔铁 Am
稀土永磁体的充磁
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-Hc
0H
退磁曲线
湖北工业大学电气与电子工程学院
稀土永磁材料的退磁曲线
永磁电机的等效磁路
m0
G0
F120
G
Fm
0
G ( Fa= 0 )
稀土永磁电机空载等效磁路图
湖北工业大学电气与电子工程学院
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2021/2/18
永磁电机的磁路分析与设计
（四）磁路分析的解析法
湖北工业大学电气与电子工程学院
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2021/2/18
永磁电机的磁路计算
两类问题：
I 类：已知磁体和磁路尺寸，求气隙 磁通 ；
m
漏磁系数
稀土电机的主、漏磁路
0
m0 0
空载漏磁系数
湖北工业大学电气与电子工程学院
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2021/2/18
永磁电机的等效磁路
永磁电机的空载漏磁系数
磁极结构
无极靴 瓦片形
圆筒形
弧形
端面式
漏磁系数 1.1~1.3 1.2~1.4 1.3~1.4 1.5~1.6
0 m 0 0 1 0 1 G G 0
用标幺值进行磁路计算
m0
0
G0
F120
G
G
1
m0
G0
F120
Gn
1
GnG G
湖北工业大学电气与电子工程学院