永磁同步电动机的电磁设计与分析
摘 要
永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。
本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。 关键词 永磁同步电动机；电磁设计；性能分析
The design of Permanent-Magnet
Synchronous Motor
Abstract
PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss .
The
paper
mainly
introduces
the PMSM's
development background
and
foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density.
Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis
1 -
目 录
摘要…… .............................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................... II
第1章 绪论 ........................................................................................................ 4 1.1 课题背景 ................................................................................................... 4 1.2 永磁电机发展趋势 ................................................................................... 5 1.3 本文研究主要内容 ................................................................................... 6 第2章 永磁同步电动机的原理 ........................................................................ 7 2.1永磁材料 .................................................................................................... 7 2.1.1 永磁材料的概念和性能 .................................................................... 7 2.1.2 钕铁硼永磁材料 ................................................................................ 8 2.2永磁同步电动机的基本电磁关系 ............................................................ 9 2.2.1 转速和气隙磁场有关系数 ................................................................ 9 2.2.2 感应电动势和向量图 ...................................................................... 10 2.2.3 交直轴电抗及电磁转矩 .................................................................. 12 2.3 小结 ......................................................................................................... 13 第3章 永磁同步电动机的电磁设计 .............................................................. 14 3.1 永磁同步电机本体设计 ......................................................................... 14 3.1.1 永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 .............................. 14 3.1.2 定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 ...................... 15 3.1.3 转子铁心的设计 .............................................................................. 16 3.2永磁同步电动机本体设计示例 .............................................................. 18 3.2.1 额定数据及主要尺寸 ...................................................................... 18 3.2.2 永磁体及定转子冲片设计 .............................................................. 19 3.2.3 绕组计算 .......................................................................................... 23 3.2.4 磁路计算 .......................................................................................... 26 3.2.5 参数计算 .......................................................................................... 29 3.2.6 工作特性计算 .................................................................................. 33 3.2.7 起动特性计算 .................................................................................. 37 3.3 小结 ......................................................................................................... 41 第4章 永磁同步电动机的性能分析及磁场分析 .......................................... 42 4.1 永磁同步电动机的性能分析 ................................................................. 42 4.1.1 永磁同步电动机性能曲线 .............................................................. 42 4.1.2 重要参数的变化对性能的影响 ...................................................... 44 4.2 永磁同步电动机的磁路分析 ................................................................. 46
2 -
4.2.1 永磁同步电动机的模型 .................................................................. 46 4.2.2 在Ansoft Maxwell 2D 中运行后的结果图 ................................... 47 4.3 小结 ......................................................................................................... 52 结论 .................................................................................................................... 53 致谢 .................................................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................ 55 附录 A ............................................................................................................... 56
3 -
第1章 绪论
1.1 课题背景
永磁同步电动机（PMSM）具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发，有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展，某些永磁同步电机已形成系列化产品，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展[1]。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，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化，提高了可靠性，又节约用铜，省去了转子铜耗，提高了电机效率[2]。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[3]。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展，同时也解决了制约稀土永磁电机发展的共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20%，加工费降低50%[4]。日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会[5]
。从1996年，丰田汽车公司的电动机RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50kW，最高转速1300r/min到本田公2001年推出的燃料电池试验车FCX-V4的驱动电机最高功率为60kW，最大转矩为272N·m。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速为12,500r/min，最大输出功率32kW。美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。美国两个最高车速分别为72km/h和56km/h的短程混合电动公交车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机[6]。
4 -