毕业论文异步起动永磁同步电动机的电磁设计要点.docx

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1、2008级机电一体化技术专业毕业论文论文题目：异步起动永磁同步电动机的电磁设计摘 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机比较， 有效率高、功率因数接近1、 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。 因此本文选取了 异步起动永磁同步电机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求、主要尺寸、 永磁体 计算、定转子冲片、绕组计算磁路计算、参数计算、工作特性计算、起动性能计算等， 还列举了相应的算例。关键词：永磁同步，电磁设

2、计，设计算法，异步起动I刘晓超：异步起动永磁同步电机的电磁设计摘要：I1 概述1.1.1 永磁同步电动机的运行原理与特点 1.1.2 永磁同步电动机分类1.1.3 永磁同步电动机结构2.1.4 异步起动永磁同步电机的设计特点 2.2 永磁同步电机电磁设计步骤3.2.1 程序框图3.2.2 额定数据和技术要求4.2.3 主要尺寸5.2.4 永磁体计算6.2.5 定转子冲片7.2.6 绕组计算9.2.7 磁路计算.1.12.8 参数计算.132.9 交轴磁化曲线计算 1.72.10 工作特性计算 1.72.11 起动性能计算20结论23参考文献24.致谢25.#2008级机电一体化技术专业毕业论文

3、1概述1.1 永磁同步电动机的运行原理与特点永磁同步电动机与传统的电励磁电机相比， 永磁电机特别是稀土永磁电机具有结构 简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样 等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生 活的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，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。永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同， 但

4、它以永磁体提供的磁通替 代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励 磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中 得到越来越广泛应用的一种电动机。1.2 永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多： 按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和 轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机和有起动绕组的电动机；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机。异步起动永

5、磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼绕组的调速永磁同步电动机。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展， 新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电动机理论分 析、设计和运行控制中不断出现了许多有待进一步深入研究的新课题。1.3 永磁同步电动机结构永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部 件构成。定子与普通感应电动机基本相同，也采 用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁 心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。图 11为一台永磁同步电动机的横截面示意图。 电 枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布 短距绕组和非常规绕组

6、的。一般来说，矩形波永 磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波 永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些 正弦波电流控制 如图1-1永磁同步电动机 横截面示意图（1 一定子 2 永磁体3转轴 4 一转子铁心）永磁同步电动机中，为了 减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能， 采用 了 一些非常规绕组，可大大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键 的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其

7、他性能。此外，气隙长度的大 小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。1.4 异步起动永磁同步电机的设计特点异步起动永磁同步电动机一般应用于要求高效的场合，因而对电动机的要求是效率 高，功率因数高，起动品质因数高 永磁体用量省等.电磁设计的主要任务是确定电机主 要尺寸，选择永磁材料和转子磁路结构，估计永磁体的尺寸，设计定子转子的冲片和选择 绕组数据，然后利用有关公式对初设计方案进行性能校核调整电动机的某些设计参数 直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。2 永磁同步电机电磁设计步骤2.1程序框图2.2额定数据和技术要求名称公式算例(1)额定功率Pn15kW(2)相数m3(3

8、)额定线电压U Ni380V(4)额定枷率f50Hz(5)极对数p2(6)额定效率N93.5(7)额功率因数cos n0.95(8)失步转矩倍数TpoN1.8倍(9)起动转矩倍数TstN2.0倍(10)起动电流倍数IstN9.0倍(11)绕组型式星型接(12)额定相电压UN=U Ni / 3291.39V(13)额定相电流15Pn *10525.66AI N -mU n nCOS n(14)额定转速n_ 60 fN 一P1500 r/min(15)额定转矩丁9.549Pn 103N m 5.49T N -nN(16)绝缘等级B级2.3主要尺寸(17)铁心材料DW315-50(18)转子磁路结构

9、形式内置径向W型(19)气隙长度60.065cm(20)定子外径D126cm(21)定子内径Dm17cm(22)转子外径D2 = Di1 - 216.87cm(23)转子内径Di26cm(24)定/转子铁心长度L1L19/19(25)电枢计算长度当定转子铁心长度相等时Lef=La 2、19.13cm当定转子铁心长度不等时Lef =La+36 当(L1-L2)/ 26 球 8Lef =La+46 当(L1 L2)/ 26 -14(26)定/转子槽数Q1Q36/32(27)定子每极每相槽数q=Q1 /(2mp)( 60 二相带)3第27页共26页q=Q/(mp)( 120-相带)(28)极距.1

10、二013.352cm2p(29)硅钢片质量mFe = DFeLbKFE(D1 . )2 10”96.79 kg式中 At冲剪余量0.5cmLb t Li和L2中较大者19 cmPFeT铁的密度7.8 g/cm3KFeT铁心叠压系数，一般可在0.92-0.95 的范围内取值0.932.4永磁体计算(30)永磁材料牌号NTP264H(31)计算剩磁密度Br = 1 (t-20)需 1-_100 J Br201.0741T100Br 20 T 20二C时的剩磁密度1.15T：Br Br的可逆温度系数-1.12WKIL Br的/、可逆损失率0WtT预计工作温度75 C(32)计算矫顽力Hr = 1 (

11、t-20)偿 1_100 .- H 100lr20817.25 kAH c20875 kA(33)相对回复磁导率.1 .Br201.046%Hc20 103o 二4二 10H/m(34)磁化方向长度hM0.53cm(35)宽度bM11cm(36)轴向长度Lm19cm(37)提供每极磁通的截面积径向Am = bM Lm209cm2(38)永磁体总质量2.5定转子冲片(39)定子槽行定子槽尺寸切向 Am =2BmLm3mm =2ptMhMLM ： m 103.28 kgPm t永磁体密度7.4g/cm3hoi0.08cm(40)转子槽形转子槽尺寸boibirih12：1h0210.080.38 c

12、m0.77 cm0.51 cm1.52 cm30 ()cmb02br1br2br3br4hr120.2 cm0.64 cm cm-1.5 cmhr31.58cm30 ()(41)定子齿距(42)定子斜槽距离(43)定子齿宽bti2hsibti(44)定子腕磁路计算高度(45)定子齿磁路计算长度(46)定子腕磁路计算长度(47)定子齿体积(48)定子腕体积(49)转子齿距(50)转子齿磁路计算长度ti二 DiiQitiQisk Qipi.484i.405btii J* 小加匚口 0.743Qi,-Dii 2h0i hsi -bi0.747Q=bi b0i tan% 若 口侵 d12n=32ma7

13、8h11.592 cm和Ht槽楔厚度 槽绝缘面积双层绕组 A =(2%2 +孙+2r +bj单层绕组a =g(2%2十町)槽有效面积 Acf = As - AiNs Ntddn +儿1 f + Nt2(d12 +hd2 尸78.21-92-1011-18(59)绕组短距因数Kp1 = sinJI(60)绕组分布因数Kd1I Isin q i I 2 J0.9598(61)斜槽因数(62)绕组因数(63)线圈平均半匝长(64)线圈端部轴向投影长(65)线圈端部平均长(66)定子导线质量：cu.巴？ qsin I2 JKsk12sin 二2:sKdp = Kd1KpRk1Lav = L 2 dle

14、Le = k% (单层)LE = %2cos%)(双层)cos-o1 -sinsin” b 211b12r 2bti1二Di12%1hs1 . h、r2pfd = Le sin： Le - 2 d Le= 1.05 二：cuQNsLavNt1d12Nt2d1220.99540.9554-037.4634.22118.46310*8.9g/cmcmcm3 cm2.7磁路计算(67)极弧系数bp-1Q2112PQ20.8752p0.891(68)计算极弧系数(69)气隙磁密波形系数(70)气隙磁通波形系数(71)气隙系数(72)空载漏磁系数=sinsinsin1.2551.280.8971.276

15、73)永磁体空载工作点假定值bm00.892(74)空载主磁通.4bmBrAm 100.01454 Wb(75)气隙磁密0104B =30.639 T(76)气隙磁位差直触磁路F、q =等(2 K、)10”966.0AJ 0定子齿磁密定子齿磁位差定子腕部磁密定子腕磁位差转子齿磁密转子齿磁位差转子钝磁密转子钝磁位差每对极总磁位差磁路齿饱和系数交轴磁路2B./F、q= iK、：100843.0AB 二 BJLf1.380Tt1 -bt1KFeL1Ft1 = 2H t1ht133.8AB001041.607TB j1 - j 2L1KFehj1Fj1 =2CH 上山1414ABj2Lef1.338

16、TBt2 一bt2KFeL2Ft2 = 2H t2ht223.8AB二。1041.237TB j2 一j2LzKFehj2Fj2 = 2c2 H j2 Lj214.6AC2 T转子腕部校正系数。% F = F、.FtiFji Ft2 Fj2 1484.4 A计算Xaq时，每对极总磁位差应为 F = F、q Fti Fji Ft2Fj2FqFtiFt2Kst =- 1.068F、q(77)(78)(79)(80)(81)(82)(83)(84)(85)(86)(87)主磁导9.81 10-6(88)主磁导标么值径向磁路结构3.79522上 hm 10r0Am切向磁路结构2_-hm 10L0Am3

17、785(89)外磁路总磁导标么值4.485(90)漏磁导标么值1.06(91)永磁体空载工作点bm00.829(92)气隙磁密基波幅值B、1 =Kf、。104：i 1Lef0.802 T(93)空载反电动势E =4.44f5 K215.82.8参数计算(94)定子直流电阻2LmvN(95)转子折算电阻3 Nt1Nt20.213Pt铜线电阻率Rr = RbRr0.096导条电阻RB =K B kc B LB(95)转子折算电阻端环电阻Rr = kcQ2 2RDR 2 : p ArKb =1.04 (对铸铝转子)Kb =1 (对铜条转子)kc4m(NKdp 2Q2LbT转子导条长度Ab t导条截

18、面积D r t端环平均直径Ar T端环截面积Pb t导条电阻率PrT端环电阻率(96)转子绕组质量铸铝”专子mAl(97)漏抗系数(98)定子槽比漏磁导铜条转子 m,2 =8.9QzAbLbLb 2Ar二Dr10= 2.7QzAbLbLb 2Ar 二 Dr10,1.89kgCx4f 0Lef KdpN 2 10，0.41921.175Kui.Kli槽上下部节距漏抗系数1/1对 0 _ - _1/3KU1 3/4KL1 =9 4 /16对1/3-2/3Kui = 6-1 /4 Kli = 1811 /16对 2/3 1Kui = 3：1 /4 Kli二9一： 7/16b01bc1b10.407L

19、10.768(99)定子槽漏抗(100)定子谐波漏抗(101)定子端部漏抗XsiXd12pmL1 七Lef KdpQ1CX0.17922二 K、,KdpKs1Cx0.271双层登绕组X E11.2 d 0.5fd CxLef单层同心式Xe1 =0.67Le -0.64 y CLefK2 dp单层交叉式，同心式(分组的)Xe1 =0.47Le -0.64 yLefK2P0.115d1单层链式X曰二0.2Cx)Cx(102)定子斜槽漏抗(103)定子漏抗(104)转子槽比漏磁导Xsk =0.5-.2tsk !xt1 )0.121Xi =Xsi Xd1 Xei Xsk0.6861.416式中的U2h

20、02(105)转子槽漏抗XS22 pmL22 s2LefQ2Cx0.2212(106)转子谐波楼抗Xd2m.jJIK、Kst0.24882pfin20 (126)功率应数cos0.9794式中平=Q 中=arctan Iq(127)定子电流 =. d2I224.779(131)负载定子齿磁密Bj1d =Bd t1Lef1.3521 T, bt1KFeL1104(132)负载定子腕磁密Bj1d =1.5751 T2hj1KFe L1铁耗PFe =卜 Pt1dVt1k2 Pj1dVj1205.7W杂散损耗I1 2D 小ps -psNPN10In211.4W总损耗 P = PCuPFe Pfw Ps

21、211.0W(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)(140)(141)(142)输出功率P2=p1_v P150002.3W效率二 P2P110093.93W工作特性失步转矩倍数*Ppv =Pmax1.85倍Pn最大输出功率P max27.686kW永磁体额止负我工作点bmN_ ， 1 - faN0.746,n - 1 ,0.45mKad KdpNI dN式中fad =ad dp dN对径向结构PAH6 100.9mKad KdpNIdN二ad dp dN对切向结构P-0HchM 101 dN电负荷At /mNIN217.0A/cm”1电密4.167(143)热

22、负荷A1J1904.2(144)永磁体最大去磁工作点bmk = 1 一 fadh ,n - 10.2880.45mKad K dD NI dNh式中fadhad dp吧对径向结构 0.6530adhp 二 cHchc 10fadh0.9mKadKdpNIdNhp对切向结构p 二 cHh 10I adh222222E0 Xt Eq X d - RiX d Eo -UnR12X290.32 A2.11起动性能计算(145)起动电流假定I222(146)漏抗饱和系数Kt0.52(147)齿顶漏磁饱和引起定子齿宽度的减少Cs1= t1 - b01 1 - Ks 0.5299 cm(148)齿顶漏磁饱和

23、引起转子齿宽度的减少 Cs2 = t2 - b02 1 - Ks 0.6989 cm(149)起动时定子槽比漏磁导 引4=Ku1 U1 - u1 Kl1 1 L1 0.9905中由 A -h01 + 0.58hs1Cs1n d o/ic式中九u1 = 0.1845b010 +也 J(150)起动时定子槽漏抗Xs1st = s1st Xs10.150911s1(151)起动时定子谐波漏抗X d1st - K zX d10.140911(152)起动时定子斜槽漏抗X skst = K zX d 0.1409 j(153)起动时定子漏抗X1st =Xs1st Xd1st - Xt1 Xskst 0.

24、469711(154)考虑挤流效应转子导条相对高度；二2二hBbBf, bs ：b 1071.012(155)导条电阻等效高度h=&_Ka1.3765cm式中 巴色)=注劲在二迫竺：1.0897Ch2名一cos2名)(156)槽漏抗等效高度hpx 二hB： ；Ka1.461cm式中 ；=0.97443 sh2w + sin 2zI2z ch2s cos2s )(157)起动转子电阻增大系数(158)起动转子漏抗减小系数(159)起动转子槽下部漏磁导1：2 ； b2K；17277bpx 1： 0 Kr11.0830.97440.99(160)起动时转子槽比漏磁导12st = 2 -U21.097

25、0.089h02，U2 =；b02Cs2b02 1c0.311(161)起动时转子槽漏抗(162)起动时转子谐波漏抗(163)转子起动漏抗(164)起动总漏抗X s2st, s2stXs20.1685Xd 2st =KzXd20.1294X2st =Xs2st Xd2st Xe2 0.3605X st = X1st = X2st0.8302(165)转子起动电阻(166)起动时总电阻(167)起动总阻抗R2st =,Kr卜+与皂 K+Rr 0.318 cJ LB LB 1Zst = R；Xst0.9855Rst = RR2st0.51311(168)电流倍数(169)起动电流倍数1stUnZs

26、t222.6A8.67(170)stIst异步起动转矩二-s曲线式中 g=1 也Xadp2XadXaqadpXad XaqR2 st = R2st- R1sR2X；st = Xist - Xi s Xi对半闭口槽X2st = X2st - X2 s X21(171)永磁体发电制动转矩Tg - s曲线Tav_ mpE12R1 1 - s Rj 1 - s2X2 12nf R2 +(1 -sf XdXq 2(172)合成起动转矩Tav - s曲线Tav =TcTg(173)起动转矩倍数t， Tav sTTst 二一2.89Tn随着永磁材料工艺的发展，和电子电力水平的提高，永磁同步电机成本高、磁路计

27、 算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功率因数高、节能、 结构简单、质量轻等的优点。在当今提倡节省能源、节省材料的时代趋势下，永磁同步 电机成为了电机行业的新趋势。然而尽管我国是稀土资源大国，稀土资源占全球的 75%,而稀土资源是制造永磁电 机所使用的被铁硼的重要来源。长期以来，我国由于技术不足，将大量稀土低价出售给 日本等发达国家，所以发展永磁同步电机对我国对外贸易有重要意义。另外， 我国现在 永磁电机所占电机市场份额的不到 20%,而发达国家已经达到 60%以上。所以，永磁 同步电机在我国还有很大的发展空间。同时，我国在“十一五”规划中提出要求能耗降低 20%,温家宝

28、总理在2009政府 工作报告中也提到要“继续推进十大重点节能工程建设，落实电机、锅炉、汽车、空 调、照明等方面的节能措施”。所以，永磁同步电机是我国电机发展的必然趋势。参考文献1唐任远.永磁电机.出版社：中国电力出版社出版年：20072唐任远.现代永磁电机理论与设计.出版社：机械工业出版社出版年：19973孙宜标/王丽梅/郭庆鼎.现代永磁电动机交流伺服系统.出版社：中国电 力出版社出版年：20064秦海鸿/张卓然/赵朝会.混合励磁电机的结构及原理.出版社：科学出版社 出版年：20105邱国平.永磁直流电机实用设计及应用技术.出版社：机械工业出版社出版年： 20096唐任远.稀土永磁电机.出版社

29、国防工业出版社出版年：20007唐任远.现代永磁电机理论与设计M .北京：机械工业出版社，1997.8吴数.高效稀土永磁电机的开发与应用J .节能与环保，2002.9罗阳.21世纪中国磁体产业展望C.第十届全国铉铁硼会10张琛.直流无刷电机原理及应用M .北京：机械工业出版社，2001.11张华.基于TMS320C240E片的永磁无刷直流电机控制器 J.中小型电 机，2000.12 ZHong L,RAHAmn M F, AnAlysis of Direct Torque Control in PermAnent MAgnet SyncHronous Motor DriVes J,IEEE TrAns On PE, 1997.12致谢毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的导师张老师, 他在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。三年大学生活即将结束，回顾几年的历程，老师们给了我们很多指导和帮助。他们 严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所 有的物理与电子信息系的老师表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利！