电动车辆用永磁同步电机设计

电动车辆用永磁同步电机电动车辆用永磁同步电机设计电动车辆用永磁同步电机设计第1章引言汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严峻威逼，再综合能源问的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓舞政策。典型的例子如美国，1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了进展电动汽车的长远规划[1]，调动社会上各种力气参与电动汽车的研制。电动汽车经受了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探究阶段，现在已接近商业化生产。电动汽车是以电为动力的汽车，电动机是其主要动力来源。目前的电动汽车分类主要有以下两种：1）燃料电池电动汽车初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不便利、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想进展电动汽车必需在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年月，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的0．16kW/kg，提高到2000年的0．47kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车进展的期望[2]。燃料电池汽车(FuelCell—PoweredE1ectricVehicles)实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的进展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在争辩攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的革命。1996年，北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上，参展的电动汽车有福特的Ranger电动轻卡车，通用的EV1型车，丰田的RAV4L型车，PSA集团的SAXO型车，菲亚特的ZIC等车型，充分呈现了电动汽车的进展水平。此外，还有很多混合动力汽车展出。1999年，在日本东京国际车展上，展出的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW的燃料电池汽车；奔驰公司A级燃料电池汽车，车内空间与内燃机车型相同。功率为50kW，最高速度为150km/h；三菱公司功率为40kW的燃料电池汽车；福特、本田等公司也都呈现了自己公司燃料电池汽车的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了号称“氢动一号”的燃料电池汽车，应用液态氢驱动燃料电池组，总体积与一台一般汽油机相当，功率为80—120kW，整车质量为1575kg，0—100km/h加速时间仅为12秒，这些指标与相应的汽油机汽车基本相当。丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV—4，输出功率为90kW，最高时速150km，续驶里程250km。现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩自然 气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇和乙醇等等，这些代用燃料汽车都已投入实际使用，尤其是压缩自然 气和液化石油气汽车使用得更广泛一些。另外，还有正在争辩阶段的太阳能汽车，以及在设想中的核能汽车等新能源汽车。但是从资源的角度和现在进展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的进展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会渐渐解决。各大公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线。据说，戴姆勒—克莱斯勒、通用、福持、丰田、本田的电动车路试工作已结束，2002年将投入商业化生产。估量到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1％左右。图1-1氢燃料电池车基本工作原理2）混合动力汽车混合动力汽车也称为复合动力汽车(HybridVehicle)。混合动力汽车是兼顾降低燃油消耗和削减排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。也就是说，可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多(见表3)，虽然比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要简洁实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式——并联和混联(串联与并联混合)。在并联形式中，电动机与蓄电池都把握在最小范围内，有利于把握成本和质量；而混联的形式。比较接近电动车，所以燃油经济性较好。日产公司的Dino混合动力车装备4缸发动机，无级变速电动机和理离子蓄电池，接受并联方式联接。三菱公司的SUWAdvence混合动力车装备77kW直喷汽油机，与12kW电动机组合一起，并配以锂离子蓄电池。图1-2混合动力汽车工作原理图1．3常见电机简介通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为旋转电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机[3]。电动机能供应的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和把握格外便利，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等力量，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。图1-3感应电动机磁感线分布示意图图1-4感应电动机绕组模型各种电动机中应用最广的是沟通异步电动机（又称感应电动机）。它使用便利、运行牢靠、价格低廉、结构坚固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只打算于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机[4]。但它有换向器，结构简单，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年月以后，随着电力电子技术的进展，沟通电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开头得到应用。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能担当而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需留意铭牌上的规定。电动机运行时需留意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避开消灭飞车或停转。电动机的调速很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：①保持输入功率不变。通过转变调速装置的能量消耗，调整输出功率以调整电动机的转速。②把握电动机输入功率以调整电动机的转速。图1-5电动机转速把握原理框图图1-5燃料电池工作原理示意图电动车不在发动机内燃烧汽油。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。正如远距离把握的模拟电动汽车一样，电动车配有用来旋转车轮的电发动机以及使发动机运转的电池。电动汽车主电动机的特征是：机壳由机座内衬和机座外套组成，新型体积小、重量轻，对电机的冷却准时牢靠。电动汽车主电动机，包括端盖、定子铁心、转子、定子绕组，其特征在于：机壳由机座内衬和机座外套组成，机座内衬的内侧固定定子铁心。铁心的冷却方式接受水冷或者风冷，本设计接受风冷方式，由固定在转子轴上的风扇实现，所实现的冷却较为牢靠。第2章永磁同步电动机概述永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体供应的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电机结构较为简洁，降低了加工和装配费用，且无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来争辩比较多并在各个领域中得到原来越广泛应用的一种电机。2．1永磁同步电机分类永磁同步电机分类方法主要有：按工作主磁场方向分为：径向磁场式、轴向磁场式；按电枢绕组位置可分为：内转子式（常规式）、外转子式；按转子上有无启动绕组可分为：无起动绕组电动机（用于变频器供电场合，利用频率的逐步上升启动，并随频率的转变而调整转速，常称为调速永磁同步电动机）、有起动绕组电动机（既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机）；按供电电流可分为：矩形波永磁同步电动机、正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机）。本课题所涉及电动机为径向磁场、内转子式的异步起动永磁同步电动机，接受正弦波供电电流。2．2永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与一般感应电动机基本相同，接受叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可做成实心或叠片叠压而成。电枢绕组既有接受集中整距绕组的，也有接受分布短距绕组和格外规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常接受整距绕组，正弦波永磁同步电动机通常接受分布短距绕组。2．3永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。永磁同步电机的定子为三相对称绕组，与三相异步电动机结构相同。转子上粘有钕铁硼（NdFeB）磁钢[5]。驱动器为交-直-交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（SPWM）输出频率、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度,其中为电动机对数。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个θ功率角，负载愈大，θ也愈大，直到一个极限角度θm，电动机失步为止。由此可见：同步电动机在运行中，要么转速与频率严格成比例旋转，否则就失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步。它的静态误差为零；在负载扰动下，只是功率角θ变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。这是其它调速系统做不到的。但是，由于它存在失步问题，所以它不适合用于重载下运行。又由于它只能在频率渐升状况下才能启动，所以也不适于快速启动。2．4永磁同步电动机的特点永磁同步电动机应用广泛，具有以下特点：(1)更高的综合节能效果　　永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数（可达1甚至容性）；定子电流小，定子铜耗显著减小；转子无铜耗（三相异步电动机转子绕组损耗约占总损耗的20～30％），因而发热低，可以取消风扇或减小风扇，从而无风摩耗或削减风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高2～8％，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行季节能效果更显著。(2)可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求　　常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步起动力量的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94％，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果[6]。(3)能满足低速直接驱动的需求　　为了提高把握精度、减小振动噪声、杜绝油雾带来的担忧全，也为了大转矩驱动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引机，转矩提高了十几倍，取消了浩大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推动器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和把握。这是船舶驱动技术的又一进展，国外自上世纪九十年月已成功用于豪华邮轮、专用油轮等[7]。　　(4)能满足多极高功率因数的需求　　近年来，永磁同步电动机朝着多极化进展，多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减小电机体积、削减铁心用量。多极电机还显著减小了定子端部长度，减小定子铜耗、从而削减发热、提高了效率。如某安装于轿厢和井壁间隙的永磁同步电动机，转子接受60极结构，显著缩短了定子线圈端部长度，实现无机房电梯。若仍用异步电动机驱动，随着极数增加，其功率因数明显降低，在轻载和空载时，功率因数将更低，因此在Y型系列电机中，10极电机已不多见。而该60极永磁同步电动机功率因数高达0.98，空载、轻载时甚至可达1，节能效果明显。　　(5)高功率密度的需求　　舰船、车辆受体积所限，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。永磁同步电动机由于无需激磁绕组，空间结构小，高性能的钕铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力，从而可供应很高的磁负荷，使电机尺寸缩小。有些并联供磁的电机，磁负荷甚至可高达1特斯拉以上。传统电机的齿槽结构，约束着磁负荷和电负荷的关系，过高的磁负荷将减小放置绕组的空间，成为实现高功率密度的瓶颈。1986年德国H.Weh教授首先提出横向磁场永磁电机（TransverseFluxPMMachine－TFM）的设想，该设想一反传统结构，使电机的磁负荷和电负荷不再相互制约，特殊适合高功率密度、大转矩、低速和直接驱动的场合。横向永磁电机我国目前还处于试验争辩阶段。英国研制的用于舰艇的横向磁场电机，功率达10MW，转速为180r/min。此外横向磁场电机在风力发电和海洋潮汐发电中也有应用。　　(6)能够满足运动把握系统的需求　　目前电气传动技术已从简洁的速度把握进展到运动轨迹把握。由于永磁同步电动机比异步电动机更易于实现磁场定向矢量变换把握，因此近年来永磁同步伺服电动机系统成了高精度数控机床、机器人等高科技设备的主流。在某些场合，甚至实现了100000∶1的调速范围和小于1～2％的低速转矩波动。外国产品几乎占据了国内全部市场，功率一般为20W～15KW。我国沟通伺服电动机和驱动器，尚处在进展初期。　　此外机械加工设备的更新，需要各种永磁同步电动机。第3章车用永磁同步电机设计过程3．1电机基本设计参数本电动机是为满足一般小型乘用车的使用而设计的，完成一般客运的功率供应功能，其基本设计参数如下：额定功率：；额定转速：；额定线电压：380V；额定效率：；绝缘等级：F；起动转矩倍数：；定子外径：；定子内径：；气隙长度：；转子内径：；铁心长度：；定转子槽数：36/32；铁心材料：DW315-50；转子结构型式内置径向Ｗ型。3．2电机结构本电机适用于1.5吨以下车辆，接受径向磁场、绕组内置、W型转子导条结构，其大致尺寸如下图：图3-1本电机设计尺寸3．3永磁同步电动机的稳态性能分析3．3．1稳态运行和相量图正弦波永磁同步电动机（以下简称永磁同步电动机）与电励磁凸极同步电动机有着相像的内部电磁关系，故可接受双反应理论来争辩。需要指出的是，由于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感，这一点异于电励磁凸极同步电动机。电动机稳定运行于同步转速时，依据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压方程[8]：（3-1）式中—永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值（V）；—外施相电压有效值（V）；—定子相电流有效值（A）；—定子绕组相电阻（）；、—直、交轴电枢反应电抗（）；—定子漏抗（）；—直轴同步电抗，（3-2）—交轴同步电抗，（3-3）、—直、交轴电枢电流（A）（3-4）—与的夹角（），称为内功率因数角，超前时为正。由电压方程可以画出永磁同步电动机不同状况下稳定运行时的典型相量图，如下图所示。图3-2永磁电机的几种典型向量图其中为气隙和成基波磁场所产生的电动势；为气隙和成基波磁场直轴重量所产生的电动势，称为直轴内电动势；为超前的角度，即功率角，也成为转矩角，这一角度与输入功率、输出功率亲密相关；为电压超前定子相电流的角度，即功率因数角[9]。图d中所示是直轴增，去磁临界状态（即与相同）下的相量图，由此可列出如下电压方程：（3-5）从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势（3-6）上式通常用来推断所设计的电动机是运行于增磁状态还是运行于去磁状态。实际值由永磁体所产生的空载气隙磁通算出比较与，若前者大于后者，则电动机运行于去磁工作状态，反之将运行于增磁工作状态。且由上图可知，要使电动机运行于单位功率因数（图3-2b）或容性功率因数状态(图3-2a)，只有设计在去磁状态时才能达到[10]。3．3．2稳态运行性能分析计算永磁同步电动机的稳态运行性能包括：效率、功率因数、输入功率、电枢电流与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数等。3．3．2．1电磁转矩和矩角特性从图3-2中可得到以下关系：（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）从式（3-9）（3-10）中整理得定子电流的直、交轴重量：（3-11）（3-12）定子相电流（3-13）而电动机的输入功率（W）可表示为（3-14）忽视定子电阻，由式（3-14）可得电动机的电磁功率（W）(3-15)除以电动机的机械角速度，即可得电动机的电磁转矩（N·m）（3-16）式中—电动机的电角速度；—电动机的极对数。（a）（b）图3-3是永磁同步电动机的矩角特性曲线。图3-3（a）为计算所得的“（电磁转矩/额定转矩）—转矩角”曲线，图中曲线1为式（16）第一项，即永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，又称永磁转矩；曲线2为式（16）中其次项，既由于电动机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩；曲线3为曲线1与曲线2的合成。由于永磁同步电动机直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大之所对应的转矩角大于，这是永磁同步电动机一个值得留意的特点。图（b）为本同步电动机的“（输出转矩/额定转矩）-转矩角曲线”[11]。矩角特性上的转矩最大值被称为永磁同步电动机的失步转矩，假如负载转矩超过此值则电动机将不再能保持同步转速。最大转矩与电动机额定转矩的比值称为永磁同步电动机的失步转矩倍数[12]。3．3．2．2工作特性曲线计算出电动机的、、和等参数后，给定一系列不同的转矩角，便可求出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机此时的损耗，便可得到电动机的输出功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线。图3-4本设计中平底槽电机的工作特性曲线（每槽导体数=5）由图3-4可见，输出功率的不断增大，要求有更大的输入功率，即要求有更高的定子相电流供应更强的磁场。同时也可看到，在低功率运行时电动机的效率和功率因数是很低的。电动机的工作曲线图是电动机的工作性能重要体现。3．3．3损耗分析计算永磁同步电动机稳态运行时的损耗包括下列四项3．3．3．1定子绕组电阻损耗常规计算：（3-17）3．3．3．2铁心损耗永磁同步电动机的铁耗不仅与电动机所接受的硅钢片材料有关，而且随电动机的工作温度、负载大小的转变而变化。这是由于电动机温度和负载的变化导致电动机中永磁体体工作点转变，定子齿、轭部磁密也随之变化，从而影响到电动机的铁耗。工作温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，电动机的铁耗就越小[14]。永磁同步电动机铁耗的精确     计算格外困难。这是由于永磁同步电动机定子齿、轭磁密饱和严峻，且磁通谐波含量格外丰富的原因。工程上常接受与感应电动机铁耗计算类似的公式，然后依据试验值进行修正。永磁同步电动机在某负载下运行时，从相量图中可求出其气隙基波合成电动势（V）（3-18）气隙合成磁通（Wb）（3-19）其中—电源频率（Hz）；—绕组因数；N—定子绕组每相串联匝数；—气隙磁场的波形系数。由不难求出定子齿、轭部磁密，进而求出电动机的铁耗。3．3．3．3机械损耗永磁体同步电动机的机械损耗与其它电机一样，可依据实测值或参考其它电机机械损耗的计算方法。3．3．3．4杂散损耗永磁同步电动机杂散损耗目前没有还没有一个精确     有用的计算公式，一般取依据具体状况和阅历取定。随着负载的增加，电动机电流随之增大，杂散损耗近似随电流的平方关系增大。当定子相电流为时电动机的杂散损耗（W）可用下式近似计算：其中—电动机额定相电流（A）；—电动机输出额定功率时的杂散损耗（W）。3．4磁路分析与计算3．4．1磁路计算特点进行永磁同步电动机磁路计算时，一般接受通常的电机磁路的磁位差计算方法。永磁同步电动机的空载气隙磁密波形如图3-4所示。图3-5永磁同步电动机空载气隙磁密波形1-气隙磁密2-基波3-三次谐波4-五次谐波图3-4为永磁同步电动机实测气隙磁密波形（不涉及定子槽开口时）。图中永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一平顶波，与感应电动机的气隙磁密波形相差较大，而与直流电机的空载气隙磁密波形相像。磁路计算时，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形可近似简化为图3-5所示的矩形波[15]。图3-6永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形图3-7内置混合式转子磁路结构3．4．1．1计算极弧系数永磁同步电动机转子磁路结构形式不同，其极弧系数和计算极弧系数的计算公式也不同。对接受图3-6转子磁路结构的永磁同步电动机，经电磁场计算个气隙磁密波形分析，存在如下关系：（3-20）（3-21）式中—永磁同步电动机的转子槽数；—电动机定子极距（cm）；—气隙长度（cm）。3．4．1．2气隙磁场波形系数如图3-5所示，经傅立叶级数分解后，可得到永磁同步电动机空载气隙磁密基波幅值（T）（3-22）因此，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形系数（3-23）永磁同步电动机空载时永磁体供应的气隙磁通（Wb）（3-24）式中—永磁体供应每级磁通的面积（）；空载时永磁体供应的气隙基波磁通（Wb）（3-25）式中—电枢计算长度（cm）。因此，电机基波磁通与气隙总磁通之比，即永磁同步电动机气隙磁通的波形系数（3-26）由式（3-26）可知，的大小影响气隙基波磁通与气隙总磁通的比值，即影响永磁材料的利用率。3．4．2永磁体工作点的计算3．4．2．1空载和负载工作点的计算特点永磁同步电动机的转子磁路结构包括：径向式、切向式和混合式。本设计实行径向式结构。永磁体磁动势源的计算磁动势（3-27）永磁体虚拟内禀磁通（3-28）式中，—在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力。为经磁路计算所得的电动机每对极主磁路的总磁位差（A），其值为（3-29）式中、、、、—分别为电动机每对极的气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等部位的磁位差（A）。永磁同步电动机直轴电枢磁动势（A/极）（3-30）则其作用于永磁体的去磁磁动势标么值（3-31）式中—电机直轴电枢磁动势折算系数。将上述式（3-27）至式（3-31）进行迭代计算（在迭代计算中具体论述）即得到永磁体工作点。3．5永磁同步电动机参数计算和分析3．5．1空载反电动势空载反电动势时永磁同步电动机一个格外重要的参数。（V）由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，其值为（3-32）的大小不仅打算了电动机是运行于去磁状态还是增磁状态，而且对电动机的动、稳态性能有很大的影响。合理设计可降低定子电流，提高电动机效率，降低电动机的温升。3．5．2交、直轴电枢反应电抗对于一台内置式永磁同步电动机的电磁场进行数值计算不难发觉：当电动机直轴电流增大到时，其直轴电枢反应电抗增大到时，交轴电枢反应电抗。可见，在计算永磁同步电动机的交、直轴电抗时，可不考虑的非线性，但必需考虑交轴磁路的饱和对的影响。考虑交轴磁路饱和时需迭代求解，其步骤在迭代计算部分中具体阐述。3．5．3交、直轴电枢磁动势折算系数交、直轴电枢磁动势折算系数和反映了电动机磁路结构对电动机电枢反应电抗和的影响。转子磁路结构不同，电动机的交、直轴电枢磁动势折算系数也各有差别。由定义有：，。可由式（3-23）得到，、为电动机交、直轴电枢反应磁密的波形系数。对本设计，可取==1，因而其直、交轴电枢磁动势折算系数为（3-33）或者由阅历给出。本设计中取=1，=0.36。3.6异步起动永磁同步电动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主要是效率高、功率因数高、起动品质因数（）高和单位功率的永磁体用量省等。3．6．1主要尺寸和气隙长度的选择异步起动永磁同步电动机的主要尺寸与一般电动机的主要尺寸一样，包括定子冲片内径和电枢计算长度。一般来说，异步起动永磁同步电动机的设计可能有以下三种状况：1）替代原来的感应电动机或原有性能较差的永磁同步电动机。在这种状况下，待设计的永磁同步电动机一般要求与原来电动机同中心高，顾客在原来电动机主要尺寸的基础上进行初步的估算，然后再调整设计，直至电动机设计成功。2）要求待设计的永磁同步电动机直接利用某特定的定子冲片，以提高电动机定子冲片的通用性和缩短电动机的研制周期。在这种状况下，由给定的定子冲片既可知道定子冲片内径，再由电动机的功率和电机常数选择电枢计算长度。3）仅给定电动机的性能指标，而无其它限制。此时选择电动机主要尺寸的自由度要比前两种状况大得多。依据预估的电磁负荷，由电动机的功率和转速可选定电动机的，然后凭阅历选取肯定的主要尺寸比，得出电动机的主要尺寸。一般来说，如无其它限制，电动机的主要尺寸比应选小一点，以便于在转子内部放置更多的永磁材料。永磁同步电动机为减小过大的杂散损耗，降低电动机的震惊与噪声和便于电动机的装配，其气隙长度一般要比同规格感应电动机的气隙大。且电动机中心高度越大，永磁同步电动机的气隙长度比感应电动机的气隙大得也越多。3．6．2永磁体设计永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度、磁化方向长度和宽度。永磁体的轴向长度一般取得与电动机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度，因此实际上只有两个永磁体尺寸（即和）需设计。设计时，应考虑下列因素：1）的确定应是电动机的直轴电抗。由于是打算的一个重要因素，而又影响电动机的很多性能。2）不能过薄。这主要是从两方面考虑：一是将导致永磁体生产的废品率上升，永磁体成本提高，且使用磁体不易运输和装配；二是永磁体太薄将使其易于退磁。3）设计应使永磁体工作与最佳工作点。由于电动机中永磁体的工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度。4）为调整电动机的性能，经常要调整，由于直接打算了永磁体能够供应磁通的面积。当要求电动机磁负荷较高时，应选择能安装更多永磁体，也就是能安装更大的转子磁路结构。永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外，还影响着电动机中永磁体的空载漏磁系数，从而也打算了永磁体的利用率。计算结果表明，永磁体尺寸越大，越小。经过一些列推导，可得内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为（3-34）式中—电动机的饱和系数，其值可取1.05-1.3；—与转子结构有关的系数，其取值范围为0.7-1.2。3．6．3电枢绕组设计异步起动永磁同步电动机的绕组可接受与一般沟通电动机一样的三相绕组。由于永磁同步电动机由永磁体励磁，气隙磁场谐波较多，使电动式中的谐波也较多。因此，为设计高性能的电动机，必需在绕组设计上实行肯定的措施。异步起动永磁同步电动机通常接受Y接的双层短距绕组以避开电动机绕组中产生环流，并减弱电动式谐波。永磁同步电动机的绕组匝数和线规可依据电动机的电磁负荷、定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定。3．7异步启动同步电动机设计中的迭代计算3．7．1迭代计算一般方法迭代法也称辗转法，是一种不断用变量的旧值递推新值的过程,跟迭代法相对应的是直接法（或者称为一次解法），即一次性解决问题。迭代法又分为精确迭代和近似迭代。“二分法”和“牛顿迭代法”属于近似迭代法。迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或肯定步骤）进行重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值。利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作：1）确定迭代变量。在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量。2）建立迭代关系式。所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式（或关系）。迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成。3）对迭代过程进行把握。在什么时候结束迭代过程？这是编写迭代程序必需考虑的问题。不能让迭代过程无休止地重复执行下去。迭代过程的把握通常可分为两种状况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来；另一种是所需的迭代次数无法确定。对于前一种状况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的把握；对于后一种状况，需要进一步分析出用来结束迭代过程的条件。下面我们使用上述方法对有关电动机设计的三个重要问题进行迭代计算。3．7．2异步起动永磁同步电机设计中的涉及的三个迭代过程3．7．2．1空载永磁体工作点的确定永磁体空载工作点的标么值为，在设计电动机过程中占有重要地位，影响着电机的多种性能。在标么值表示状况下，退磁曲线可用解析式表达。图3-8退磁曲线及永磁体工作点示意图电机空载时，电枢磁动势的标么值=0，有（3-35）式中—空载时用瓷体向外磁路供应的总磁通的标么值；—空载时永磁体向外磁路供应的磁动势的标么值。外磁路的有关各参数可表示为（3-36）式中—主磁导标么值；—漏磁导标么值；—合成磁导标么值；—空载漏磁系数。解得（3-37）从而得出空载永磁体工作点（，）。以上是线性等效磁路下的工作点计算，但通常状况下永磁电机的磁路是饱和的，不是常数。尤其是磁路饱和程度比较高时，空载、额定工况和最大去磁时的随饱和程度不同而变化较大，而且与相互制约，此时就需要运用迭代方法求解。图3-9计算框图图3-8以框图的形式给出了的迭代计算过程，具体的计算过程如下：1）假设2）计算此时空载主磁通（3-38）3）气隙磁密（3-39）4）气隙磁位差直轴磁路（3-40）交轴磁路（3-41）式中—永磁体延磁化方向与永磁体槽间的间隙。5）每对极总磁位差（3-42）其中各项计算见计算书。6）主磁导（3-43）7）主磁导标么值（3-44）8）外磁路总磁导标么值（3-45）式中—空载漏磁系数。9）漏磁导标么值（3-46）10）永磁体工作点（3-47）11）比较并确定误差，当计算值与假设值之间误差超过1%，则应回到步骤1）重新设定，重复上述计算步骤。本设计中的计算由计算机程序完成，其中运用的C语言语句如下：printf("请输入bm0的估量值(\"0.1~10\")");/*输入工作点估量值*/scanf("%f",&b_m0);/*赋值给变量‘b_m0’*/while(true){……/*计算*/if(bm0>=b_m0)Mi_b_m=bm0-b_m0;/*比较二者误差*/elseMi_b_m=b_m0-bm0;b_m0_=b_m0/100;if(Mi_b_m>b_m0_)/*当误差大于1%时*/{b_m0=bm0;/*将求得bm0回代到计算过程*/continue;}else{printf("经迭代,bm0=%f\n",bm0);fprintf(fp,"经迭代,bm0=%f\n",bm0);gotoc;}}其中“……”部分表示上述步骤2）到步骤10）的计算过程。3．7．2．2交轴电枢反应电抗的计算对的计算，同的计算相像，由于在交轴磁路饱和时的是非线性的，而由式（3-12）及式（3-48）可知与使相互制约的，从而得到如下迭代计算方法：1）给定某一转矩角；2）假设交轴电流重量，则交轴电枢磁动势（3-49）式中—交轴电枢磁动势折算系数。3）由求交轴气隙基波磁通依据由预先算得的交轴-曲线查取相应的；4）由求出交轴电枢反应电动势（3-50）5）计算（3-51）式中—定子漏抗。6）代入（3-12）求出交轴电流重量；7）比较和，重复进行步骤2）到步骤6）。本设计中所得-曲线如图图3-10-曲线图在程序中所用到的语句如下：printf("请输入交轴电流预估值I_q:(\"如20.00\")");scanf("%f",&I_q);/*输入的预估值*/for(i=0;i<10;i++){while(false){if(I_q>Iq[i]){if(I_q0.01){I_q=Iq_[i];continue;/*比较二者，假如误差超过1%，将计算值回代重新计算*/}elsebreak;/*假如误差在允许范围内，停止迭代*/}3．7．2．3起动电流的求解起动电流的求解与很多因素相制约，其中比较重要的是启动总阻抗。由于其过程比较简单且与前述两个迭代过程在原理上比较相像，在论文正文中不再赘述，具体计算和迭代过程可见计算书。3．8起动电流过大的缘由分析通过对起动电流的计算我们发觉，在启动过程中，最初的电流通常会超过额定电流很多，所得起动电流倍数为。图3-11某电动机相电流随时间变化曲线在感应电动机起动的瞬间，转子处于静止状态，与变压器二次侧短路的状况相像，定子与转子之间无电的联系，只有磁的联系。在电动机接通的一瞬间，转子因惯性还未转起来，而旋转磁场则以最大的切割速度切割转子绕组，使转子绕组感应出很高的电势，因而在转子导体中流过很大的电流。这一电流产生抵消定子磁场的磁通，就像变压器二次磁通要抵消一次磁通的作用一样。而定子为了维持与当时电源电压相适应的原有磁通，就自动增加电流，因此转子与定子的电流都大大增加，甚至高达额定电流的7倍以上，这就是感应电动机起动电流大的缘由。起动后，随着电动机转速的增大，定子磁场切割转子导体的速度减小，因此转子导体中的感应电热和电流都减小，同时定子电流中用来抵消转子电流所产生的磁通影响的那一部分电流也相应减小。所以，随着电动机转速的增大，定子中的电流就从起动电流逐步恢复到正常负荷电流。第4章不同设计方法的比较本设计接受了平底槽和梨形槽两种转子槽形，下面就接受两种不同方法的设计就功率因数和效率两个工作性能参数进行争辩。转子槽形选择异步起动永磁同步电动机可接受与一般感应电动机相像的转子槽形,下图列出了本设计中接受的两种转子槽形：（a）平底槽（b）梨形槽图4-1两种转子槽形设计理论上异步起动永磁同步电动机可接受任意一种感应电动机的转子槽形，但当选用内置径向式转子磁路结构且转子槽形尺寸较小时，通常接受平底槽，以保证合适的隔磁磁桥，以避开过大的漏磁系数。但转子槽形尺寸足够大时，也可接受圆底槽。不同转子槽形下工作特性的比较接受不同转子槽形的两种电机设计，在其他设计参数相同时，二者的工作特性有很多不同，下图为两不同定子槽形下的“功率因数—输出功率”比较图：图4-2两种槽形的功率因数曲线由图4-2可以看到两条功率因数曲线几乎是重合的。所以我们可以推想，在本设计中，接受的槽形对相同功率输出的条件下的功率因数影响不大。但细致观看会发觉，在额定功率输出范围内（P2/PN=0.84~1.26）接受平底槽电动机的功率因数更大，而在大功率输出状况下（）接受平底槽的电动机的功率因数也更高。下图是两种槽形电动机的效率对比，可以看出接受两种不同槽形对电动机工作效率的影响并不大。图4-3两种槽形的工作效率对比综上可以得出：在本设计中，接受任意一种转子槽形对电机性能影响不大，但考虑到接受平底槽所得到的性能更好。的比较每槽导体数是电机设计的一个重要参数，它直接与每相绕组串联匝数、槽满率、电机工作特性以及起动特性相关。本设计中，分别取值=4、5、6、7加以比较。每槽导体数对工作特性的影响一方面，争辩与功率因数的关系。图4-4不同下的“输出功率-功率因数”图从图中可以看到，较少的每槽导体数可以使功率因数在不同工况下更加稳定，保证电动机的损耗在整个输出功率范围内把握在一个比较小的范围内，从而提高电动机的性能、延长电动机的寿命。另一方面，争辩不同的对效率的影响，如下图：图4-5不同每槽导体数下的电机工作效率从图中我们不难看出：随着的增大，电机更快地进入效率较高的工作状态，而且四条曲线的最高效率没有本质上的差别。但通过对图4-6地观看，可以看到，越大，电机的最大输出功率在不断降低。图4-6输出功率与的关系图我们可以认为，随着每槽导体数的削减，电机的性能越来越好，但需要留意的是，随着的减小，电动机的起动电流也在不断增大，起动电流可以用起动电流倍数：（4-1）表示。如图4-7所示：图4-7起动电流与的关系图产生这种现象的缘由在于：结合章节3.8所述，随着每槽导体数削减，转子导体内产生的感应电动势急剧增大，从而产生更大的电流。这一电流产生抵消定子磁场的磁通，定子为了维持与当时电源电压相适应的原有磁通，就自动增加电流，导致起动电流过大。所以，每槽导体数并非越小越好。综上，每槽导体数制约着电动机特性，对电动机性能的影响很大。一味的提高或降低每槽导体数并不能提高电动机的工作特性，应当综合考虑。本设计中选用=5的设计方案。第5章电动机设计流程的程序化现代的通用程序设计中，一方面由于处理器速度和存储器容量得到极大的提高，另一方面由于软件越来越简单，因此，程序设计追求的首要目标是清楚度、可读性和可理解性。C语言具有简洁、紧凑，使用便利、机敏的特点。我的工作主要是依据电动机设计计算流程编译了操作的电动机设计程序，并依据输出的计算结果对设计进行优化。对程序进行优化，通常是指优化程序代码或程序执行速度。优化代码和优化速度实际上是一个冲突的统一，一般是优化了代码的大小，就会带来执行时间的增加，假如优化了程序的执行速度，通常会带来代码增加的副作用，很难鱼与熊掌兼得，只能在设计时把握一个平衡点。这里主要争辩C程序的优化。C程序优化的一些要点为：假如是嵌套循环，则应将最忙的循环放在最里层；假如有条件推断，则尽可能将循环嵌入条件中，而不是将条件嵌在循环之中；把执行速度最快，或者规律最可能为真的推断放在最前面执行。设计过程中的三个迭代过程这部分内容在中已有述及，这里需要说明的是，在进入迭代过程前的各量取值可能会使迭代过程所要实现的收敛曲线变得不收敛。其中较典型的例子是，当每槽导体数过多（如>12）或过少（如<3）时，对的计算会变得不收敛，工作特性的输出值溢出。编程中的查表问题和差值问题本设计中的查表问题较多，所谓表格其实是对某条曲线的量化表示。在查表中的自变量对应曲线上横轴的某一点。由于并没有给出曲线事实上的外形，所以需要认为曲线上的每一小段都为线性曲线，并使用差值法找到实际自变量对应的因变量值。以查转子铁心的磁化曲线为例，在编程中的实现方法如下：func7(floatB)子函数定义{floatHt1[150]={1.37,1.38,1.40,1.42,1.44,1.46,1.48,1.50,1.52,1.54,1.56,1.58,1.60,1.62,1.64,1.66,1.68,1.70,1.72,1.75,1.77,1.79,1.81,1.84,1.87,1.89,1.92,1.94,1.97,2.00,2.03,2.06,2.09,2.12,2.16,2.20,2.23,2.27,2.31,2.35,2.39,2.43,2.48,2.52,2.57,2.62,2.67,2.73,2.79,2.85,2.91,2.97,3.03,3.10,3.17,3.24,3.31,3.39,3.47,3.55,3.63,3.71,3.79,3.88,3.97,4.06,4.16,4.26,4.37,4.48,4.60,4.72,4.86,5.00,5.14,5.29,5.44,5.60,5.76,5.92,6.10,6.28,6.46,6.65,6.85,7.05,7.25,7.46,7.68,7.90,8.14,8.40,8.68,8.96,9.26,9.58,9.86,10.2,10.6,11.0,11.4,11.8,12.3,12.8,13.3,13.8,14.4,15.0,15.7,16.4,17.2,18.0,18.9,19.9,20.9,22.1,23.5,25.0,26.8,28.6,30.7,33.0,35.6,38.2,41.1,44.0,47.0,50.0,52.2,57.5,61.5,66.0,70.5,75.0,79.7,84.5,89.5,94.7,100,105,110,116,122,128,134,141,148,155,162,170},x,y,a,fun,m;/*以一维数组形式给出磁化曲线*/inti,j;a=B*100-40;/*将输入的自变量值转化为数组下标*/i=(int)a;m=i;j=i+1;/*找到实际值左右两边的点*/x=0.4+m/100;y=x+0.01;return(Ht1[i]+(Ht1[j]-Ht1[i])*(B-x)/(y-x));/*返回差值计算后的值*/}main(){……Bt1=Bdelt*t1*Lef/bt1/KFe/L1;/*自变量实际值的计算*/Ht1=func7(Bt1);/*将自变量实际值代入子函数进行查表和迭代计算*/……}第6章总结经过一学期的努力，最终完成了本课题的内容。在这段时间里，我巩固和加深了对所学的C语言、机械设计等方面学问的理解，还学习到了电机原理、电机设计等新的学问，开阔了学问面，扩大了视野，为下一步的工作和学习打好了比较坚实的基础。总的来说，本课题比较抱负的达到了预期的目的，但也有很多不足之处，比如C语句中存在缺陷，对新学习的内容生疏还比较肤浅，只到达了应用的层次，还没上升到争辩的层次等。这些都要求我在今后还要连续虚心、努力的学习和钻研。致谢一学期的艰苦设计中，我得到了指导老师和同学们的大力挂念，深表感谢。首先，我要在此感谢指导老师郭伟，他为我供应了无私的关怀和挂念，在百忙之中抽出时间对我的课题设计进行了细致的指导，对我的疑问进行了急躁的解答，使我能够顺当地完成整个设计。他严谨的学风和敬业精神也给我留下了深刻的印象，将激励我在将来的学习生活中不畏困难、勇于进取。其次，在毕业设计过程中我也得到了在一起并肩战斗的同学们的无私挂念，在此表示感谢。参考文献[J].防爆电机，2005，40（2）：1-2.[2]杨克信.永磁材料在永磁电机中的应用争辩[J].上海大中型电机，2004，（4）：2-4.[3]李琛.无刷直流电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1996:122.[4]中国物理学会，永磁材料[A].见：中国电子学会应用磁学分会，第九届全国磁学材料论文集[C].河南洛阳，1996：215.[5]毛伟华、杨金波、杨国忠、杨应昌.一种新的永磁材料[A].见：第一届全国金属功能材料学术争辩会[C]，1997：4-5.[6]叶红春、魏建华、方芳、乔鸣忠.电枢反应对多相永磁电机永磁体工作点影响的争辩[J]，船电技术，2003,(4)：2-3.[7]Pawlowskib.Multi-polemagnetizationofNdFeBmagnetsformagneticmicroactuatorsanditscharacterizationwithamagneticfieldmappingdevice[J].ElectricMachineandPowerSystem,2004,[4]:2-3.[8]黄苏融，马睿，张琪，谢国栋.现代车用无刷永磁电机设计争辩[J].微特电机，2006，（2）：2-3.[9]黄苏融，张琪，谢国栋等.燃料电池轿车用高密度无刷永磁牵引电动机［J］.机械工程学报，2005，（5）：4-6.[10]PillayP,KrishnanR.Modeling,simulation,andanalysisofpermanentmagnetmotordrives(1):Thepermanent-magnetsynchronousmotordrives[J].IEEETransactiononIndustryApplications,1989,25(2):265一273.[11]D.Patterson,“DesignanddevelopmentofanaxialfluxpermanentmagnetbrushlessDCmotorforwheeldriveinasolarpoweredvehicle,”IEEETransactiononIndustryApplications,vol.31,pp.1054–1061,Sept./Oct.1995.[12]潘飞.低压异步电动机群可编程序把握器再起动装置.电世界，1993：15-16.[13]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997：169-210.[14]赵锐.电磁学之进展与世界之电化[EB/OL].：中国论文网,2007-4-8.[15]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社，2000.[16]杨彬，江建中.永磁无刷直流电机调速系统仿真[J].上海高校学报，2001，7(6):520-52.[17]黄刚.世界永磁的经济分析[A].见：第八届全国铷铁硼会议，2001，10。上海：74-78.[18]游晶隆，黄苏融，张琪等.基于饱和电感参数模型的高密度IPM牵引电机最大电动运行力量评估［J］.微特电机，2005，33（3）：10-12.[19]王秀和.永磁电机漏磁系数的确定[J].微电机，1999（4）：30-33.