毕业论文设计异步起动永磁同步电动机的电磁设计.docx
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毕业论文设计异步起动永磁同步电动机的电磁设计
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，电磁设计，设计算法，异步起动
摘要：
I
1概述1
1.1永磁同步电动机的运彳亍原理与特点1
1.2永磁同步电动机分类1
1.3永磁同步电动躺构3
1.4异步起动永磁同步电机的设计特点3
2永磁同步电机电磁设计步骤4
2.1程序框图5
2.2额定数据和技术要求6
2.3主要尺寸8
2.4永磁体计算10
2.5定转子冲片11
2.6鯉计算13
2.7磁路计算15
2.8参数计算18
2.9交轴磁化曲线计算22
2.10工作特性计算23
2.11起动性能计算26
结论30
参考文献31
致谢32
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何达到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2—8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。
13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，也采用養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,也可以用養片叠压而成。
图1—1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i-i永醱同步电动机横截面示奩图（1—定子2—永磁体3—转轴4—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f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他性能。
此夕卜,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
算例
15kW
2.2额定数据和技术要求
名称公式
（1）额定功率巴
（2）相数
（3）额定线电压
380V
（4）额定频率
f
50Hz
（5）极对数
P
2
（6）额定效率
93.5
（7）额功率因数
COS（pN
0.95
（8）失步车铤倍数
T*
1poN
L8倍
（9）起动车铤倍数
T*
Un
2.0倍
（10）起动电流倍数
c
9.0倍
（11）绕理式
昶接
（12）额定相电压
291.39V
（13）额定相电流
1_匕诃
25.66A
"mU小nCOS0R
（14）额定转速
60/
nN-
P
1500r/min
（15）额定转矩
丁9.549P,vxlO3
Tn_
nN
N.m5.49
（16）绝缘等级
23主要尺寸
（17）铁心材料
DW315-50
（18）转子磁路结构形式
置径向W型
（19）气隙长度
8
0.065cm
（20）定子外径
2
26cm
（21）定子径
%
17cm
（22）转子外径
D、=D“—26
16.87cm
6cm
（23）转子径
（24）定/转子铁心长度
%19/19
（25）电枢计算长度
当定转子铁心长度相等时
S詁+25
19.13cm
当定转子铁心长度不等时
Lef=La+36当（厶—厶）/25Q8
G二爲+45当（厶一厶）/25"4
（26）定/转子槽数
%
36/32
（27）定子每极每相槽数
q=ft/（2mp）（60°相带）
3
q=g1/（mp）（120°相带）
（28）极距
"空
2P
13.352cm
（29）硅钢片质量
叫e=卩尸°-40+△）'X10~3
96.79kg
式中冲剪余量
0.5cm
LhT厶和▲中较大者
19cm
°斤_铁的密度
7.8g/cm3
g-铁心叠压系数，一般可在0.92—0.95的围取值0.93
2.4永磁体计算
（30）永M料牌号
（31）计算剩磁密度
NTP264H
1+（5）語
（32）计算矫顽力
B,.‘ot20。
C时的剩磁密度
%T氏的可逆温度系数
ILtQ.的不可逆损失率
—预计工作温度
Hr=
1+（—2。
）需
（33）相对回复磁导率
%
“=—
Ao^xlO3
“o=4^-xlO-7////n
（34）磁化方向长度hM
（35）宽度bM
（36）轴向长度Lm
（37）提供每极磁通的截面积径向4=bMLM
切向An=2如“
（38）永磁体总质量min=2pbMhMLMpmx10~3
Pm—永磁体密度
1.0741T
1.15T
-1.12W/C-1
0W
75C
817.25kA
875kA
1.
0.53cm
11cm
19cm
209cm2
3.28kg
7.4g/cw3
2.5定转子冲片
（39）定子槽行
定子槽尺寸
0.08cm
bg
0.38cm
0.77cm
斤
0.51cm
1.52cm
30（o）
（40）转子槽形
1
转子槽尺寸
力02
0.08cm
bg
0.2cm
办
0.64cm
br2
0.55cm
-
-
Kn
1.5cm
几3
-
hr
1.58cm
a2
30（。
）
（41）定子齿距
1-a
1.484cm
（42）定子斜槽距离
t_也
lsk八
ft+p
1.405cm
（43）定子齿宽虬=穴[4+2（/心+仏）]_2厶
2i
A_刃2+2（仏+仏）]A
如a7
b—h
贬=-Ly2Ltana,若<饥】
人人,^11-^12
b厂治+「—
（44）定子辄磁路计算高度如=写色-/?
oi+/?
12+話
（45）定子齿磁路计算长度饥=鴿+扌
（46）定子辄磁路计算长度-=-妇）
匕=Q厶K/肉
匕严必K』血-俎）
t=——-
:
a
（50）转子齿磁路计算长度hrl2=hrl2+乙/6（对圆底槽）
hJ2=hr2（对平底槽）
h=hr+hrl/6（对圆形槽）
（51）
3.325cm
转子辘计算高度平底槽/s二写蟲一心一加
圆底槽hj2=。
；久_人+警-勺”圆形槽你=写碁％+薯
（52）
3.662cm
转子辄磁路计算长度-严A（2+hj2）
1.59c存
（57）槽满率计算槽面积4=岂如九-牛
2（2丿
和Ht槽楔厚度
槽绝缘面积
飓绕组A=G（2见+眄+2人+
单层绕组&=G（2饥+眄）
槽有效面积Ae/二&_4槽满率s—（d“+“dJ+N/2（d】2+〃d2）]
e/
=兀（2+2/心+兀+/生+“）0。
'2p
4.221cm
（64）线圈端咅|5轴向投影长fd=L£sincr0
（65践圈端部平均长
LE=2（d+LE）
18.463cm
（66）定子导线质量斫g也S叫沁
8.9g/c/n3
2.7磁路计算
（67）极弧系数
@一1
2卩_&
0.875
（68）计算极弧系数
4
ar=an+
J卩S+_L_si-勺
0.891
（69）气隙磁密波形系数
8.a.7t
——Sill—^―n-a.2
1.255
（70）气隙磁通波形系数
4.a；7t—sm—7t2
0.897
H6m9・0
q/v\寸moo
268.0
9/zr-i
J（"L）
巅能a«^{（H（CL）
<8・mm
108m.I
<0.996
（卜卜）
0/Z
T0IX（Q》+④喲
ss
sir（9卜）
（81）转子齿磁密
1.338T
（82）转子齿磁位差
（83）转子辄磁密
陷=20九
B一鶴皿
722L,—
23.8A
1.237T
（84）转子辄磁位差
（85）每硼总磁位差
Fj2=2C2Hj2Lj2
C2t转子觇部校正系数。
14.6A
（87）主磁导
工尸=仔+巴+6+好2+©2计算X«“时f每对极总磁位差应为
（86）磁路齿饱和系数
050
1484.4A
1.068
9.81X10-6H
2AJ?
xlO2_Jni
5_“『“A
切向磁路结构
3.785
^_AAxio2
九“oA”
（89）夕卜磁路总磁导标么值
4.485
（90）漏磁导标么值
1.06
（91）永磁体空载工作点bni0=丄
2„+1
0.829
（92）气隙磁密基波幅值
@0X10"
3上”
0.802T
（93）空载反电动势
E。
=4.44/0A%。
®
215.8V
2.8参数计算
（95）转子折算电阻
（94）定子直流电阻
QT铜线电阻率
0.213Q
=Rr十Rr
0.096Q
导条电阻Rp=K/AQ/A
血
（95）转子折算电阻端环电阻Rr=k34
2吨鸟
式中心=1.04（对铸铝转子）
Kb=1（对铜条转子）
k一加（Na）
cQ.-
Lbt转子导条长度
打T导条截面积
Drt郦平均直径
九T端环截面积
PRT导条电阻率
PRT端环电阻率
（96）转子绕组质量铜条转子加如=8.9@血—+2A^JxlO-5
铸铝转子®广2.7@血—+2Ar^Dr）x10-51.89kg
、=亠才叫4触S（Kd“N），x10-2
（97）漏抗系数Cx=八；＞0.4192
（98）定子槽比漏磁导人严心如+K“血1.175
g.K“槽上下部节距漏抗系数1/1
对OV0V1/3
（99）定子槽漏抗
=30/4K“=（90+4）/16
对1/3V0V2/3
K"=（6/7-1）/4KLl=（180+1）/16
对2/3
K⑴=（30+1）/4K榔=（90+7）/16
0.407
0.768
0.179G
（100）定子谐波漏抗
J1
0.271Q
（101）定子端部漏抗
双层叠第且Xg严1・2（〃+°3九）J
Lef
——、亠（厶f-0.64丁「
单层同心式X栏=0.67————Cx
ILefKdP丿
单层交叉式，同心式（分组的）
（Le-0.64久）
X,.,=0.47一Cr0.115Q
IX丿
（l\
单层链式X绘=0.2——Cx
匕应丿
（102）定子斜槽漏抗
Xh=0・5（A]X触0.121Q
（104）转子槽比漏磁导
1.416Q
（105）转子槽漏抗
（106）转子谐波楼抗
（107）转子端部漏抗
（108）转子漏抗
式中的心=怛
・bg
2pmL“：
叫工R
E2
0.757
Lef
Lb_厶
1.13
El
0.2212Q
0.2488Q
0.0626Q
0.5326Q
（109）直轴电枢磁动势折算系数
1
~K~
f
0.768Q
（HO）交轴电枢磁动势折算系数
（111）直轴电枢反应电抗
4.123Q
式中Ed=4.44^^^
妇=［几-（1-也比］4丿严10円
bmN
&+1
对径向磁路结构f；=———
aQhMHcxlO
对切向磁路结构£=—
aohMHcxlO
K.NI.
岛=0.45加心亠丄
取5=22
4.809Q
（112）直轴同步电抗Xd=心+/
2.9交轴磁化曲线计算
（113）设定交轴磁通（t）aq
九可在0.35鶴到0.85如间取值
（114）交轴磁路总磁位差工7
（115）对应交轴电流
Q.9niKa（lKdpN
（116）交轴电动势E“q=如E。
050
（117）交轴电枢反应电抗
X=电aqJ
'q
2.10工作特性计算
（118）槻戒损耗
P用
160W
（119）设定转矩角
0
45.14
（120）假定交轴电流
1;
20.61A
（121）交轴电枢反应电抗
6.754Q
（123）输入功率
P=它「ax[E°5（XgSin&—&cos&）+&〃：
+0.5兀亿-Xjsin2&]
XjXq+K；
15971.3W
X（lUNsin0+Xq（Eo-UNcos8）
XjXq+R；
（125）交轴电流
XdUNsin&+&（Eo-UNcos&）
20.608A
（）功率应数
COS0
0.9794
式中
（p=0-（p
24.779A
392.3W
（127）定子电流
（128）定子电阻损耗
1.3521T
1.5751T
（131）负载定子齿磁密
（132）负载定子觇磁密
（134）杂散损耗
pijVPvX103
（）总损耗
5>=仏+"+卩川,+几
（136）输出功率
Ph_yp
（137）效率
77=—X100
（）工作特性
（）失步转矩倍数
P
D*max
-■P.V
最大输出功率
Pg
山。
）永磁体额定负载工作点"時
211.4W
211.0W
150002.3W
93.93W
85倍
27.686kW
0.746
（141）电负荷
0A5mK（ldK（lpNI（IN
式中“爲贏二;对径向结构
Q.9mKa（lK（lpNI（IN
小侖侍对切向结构
217.0A/cm
（142）电密
（143）热负荷
1
1
4.167
（144）永磁体最大去磁工作点
b=兄（1_f"dh）几”+1
式中f：
dh=血K；*N：
对径向结构
paeHchcxlO
.._0.9mK皿N£
adh_
对切向结构
e°x,++
2.11起动性能计算
（145）起动电流假定
（146）漏抗饱和系数
（147）齿顶漏磁饱和引起定子齿宽度的减少5=（人-几X1
（148）齿顶漏磁饱和引起转子齿宽度的减少0=亿-^O2X1-
（149）起动时定子槽比漏磁导人m（2t/1-△心J+K“
式中AAt/1
鶴+0.58仏（5]
%1。
+1.5纭丿
（150）起动时定子槽漏抗
（151）起动时定子谐波漏抗
（152）起动时定子斜槽漏抗
Xdlsl-K:
Xdl
904.2
0.288
0.6530
90.32A
222A
0.52
Kj0.5299cm
J0.6989cm
.10.9905
0.1845
0.1509Q
0.1409Q
Xg=K=X
0.1409Q
（153）起动时定子漏抗X®=+X加+X.+X妇
（154）考虑挤流效应转子导条相对高度
&f
妝pfixlO7
0.4697Q
1.012
（155得条电阻等效高度
hpR
必2w+sin2£、c/?
2w-cos2w丿
（156）槽漏抗等效高度
式中血）=
3（必2£+sin2g、Is\ch2w一cos2w）
（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
（160）起动时转子槽比漏磁导
（161）起动时转子槽漏抗
（162）起动时转子谐波漏抗
（）转子起动漏抗
（164）起动总漏抗
（1+认（）
1+a\2（p（£）-1]
K_（1+如（氓心
X抵（1+%『心
^L2sl=心血2
A/2H=^U2~^U2
X心严K：
X,
X2st=XsX+Xdg+XE2
X”=X®=x2sl
1.3765cm
1.0897
1.461cm
0.9744
1.
0.9744
0.99
1.
0.
0.311
0.1685Q
0.1294Q
0.3605Q
0.8302Q
（165）转子起动电阻
R*=
忑厶+--厶
Rr+Rr
0.318Q
_LbLb_
（166）起动时总电阻
Ry=
&+R*
0.513Q
（167）起动总阻抗
Z/
0.9855Q
（168）电流倍数
222.6A
"J
（169）起动电流倍数
i；=
如
8.67倍
（170）异步起动转矩7；_S曲线T<=—p一=
2吋+（Xw+C]Xa）
\s丿_
式中q=l+△虬
_2X几
讪-Xa（]+X"。
R2S,=（尺2.“-M+尺2Xg=（Xg-xM+x】对半闭口槽^=（^2.-^2^+^21
（171）永磁体发电制动转矩7；—S曲线乙严巧（1-俯+（17）产]
2才代+（17）吹朋订
（173）起动转矩倍数
2.89倍
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妆铁硼的重要来源。
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、j气车、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.：
中国电力出版年:
2007
[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计•：
机械:
DIE出版年：
1997
[3]宜标/王丽梅/郭庆鼎.现代永磁电动机交流伺服系统•：
中国电力出版年:
2006
[4]奏海鸿/卓然/朝会.混合励磁电机的结构及原理科学出版年:
2010
[5]邱国平.永磁直流电机实用设计及应用技术.：
机械工业出版年:
2009
[6]唐任远.稀土永磁电机.：
国防工业出版年:
2000
⑺唐任远•现代永磁电收论与设计[M].:
棚戒工业,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].第十届全国妆铁硼会
[10]琛.直流无刷电机原理及应用[M].:
机械工业，2001.
[11]华.基于TMS320C240芯片的永磁无刷直流电机控制器[J].中小型电机，
2000.
[12]ZHongLzRAHAmnMFzAnAlysi
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