1.2 永磁电机发展趋势
永磁电机向大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻发展。目前永磁同步电机广泛应用于电动汽车、有轨无轨机车、航空航天、电梯、家用电器、航海等领域，开发出高功率、高转速、高力矩、高效率、质轻的永磁同步电机，可见对节能环保、高效高质量服务等方面具有很大的推动作用，这也是永磁同步电机的发展趋势。高功率：德国西门子公司于1986年完成了1100kW，230r/ min机电一体化的交流永磁同步推进电机；另外1760kW永磁同步推进电机装于U-212潜艇试用，其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少很多。目前研制的永磁同步电动机最大功率为14MW，转速150r/min，用于Siemens公司和Schotel公司联合生产的SSP吊仓式电力推进系统[7]。高转速：超高速电机典型产品如美国通用电气公司早期研制的150kW，转速为23000r/min的航空用起动发电机和日本的1000kW，转速为15000r/min的钐钴永磁同步发电机。超高速电机在旋转时有很大的离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。高效率：永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15%~20%。美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21kg降低到4.2kg，体积减少了1/3，而且效率提高了45%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上[8]
；窦满锋等[9]提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电机的设计方法，研制的REPMSM比相应的异步电机效率提高6.5%，功率因数提高13%，起动转矩提高50%。在油田抽油机上使用节能效果明显等等。国外提高电动机效率的主要途径是：（1）通过对同步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；（2）采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗；（3）合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；（4）通过改进设计和工艺，降低杂散损耗。国外已开发出高效同步电机。美国提出将电动机推至极限，将生产超高效电动机。我国沈阳工业大学开发的超高效稀土永磁电机效率为94.7%[10]。
永磁电机的轻型化、微型化、高功能化、专业化、微型化。航空航天产品，电动车辆、数控机床，计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品、电梯等，都对电机提出体积小、重量轻，不同性能侧重点都提出了严格的要求；医疗微型机器、管道检修机器人等等都对微型化电机提出了挑战；宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。已开发的150W、转速3000 r/min，工作在200～300℃高温和
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133.3×10?6Pa真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径105 mm、长145 mm，采用高温特性好的Sm2Co17永磁体[8]。国外专用电机占有量达80%，通用电机占有量占20%，而我国正好相反。专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%，可见专业电机的节能潜力和高功能匹配性。动力传动一体化电机驱动系统对整个动力传动系统（电机、减速齿轮、传动轴）进行一体化建模和控制，构建高性能、高可靠性或高精度的一体化驱动系统。高性能、高档永磁同步电机伺服系统高性能、高档永磁同步电机伺服系统随着我国航空航天、汽车、船舶、电站设备和国防工业等制造业的高速发展，数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显。优化方面如G. H. Lee等[11]通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力矩波动最小的优化控制；WU Zhihong等[12]通过使用神经网络以速度和力矩作为输入，正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机控制永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷。高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、百格拉，美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司[13]。
1.3 本文研究主要内容
本文主要研究永磁同步电动机的本体设计，先掌握永磁同步电动机的原理，在此基础上对一台30kW容量的永磁同步电动机进行设计，并对其电机性能和磁场分布进行仿真分析，具体内容如下：
1）论述永磁同步电动机的原理，包括永磁材料的特点，永磁同步电动机的基本电磁关系。
2）说明永磁电动机的本体设计，并对一台30kW的永磁同步电动机进行设计，包括对永磁同步电动机的永磁体设计，定、转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算和起动性能计算，得出了永磁同步电动机的工作特性表和合成转矩表。
3）用Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机进行性能分析，得到了永磁同步电动机的功率因数、电流、效率、转矩的特性曲线，分别改变了永磁同步电动机的定子铁心长，每槽导体数和永磁体磁化方向长度，得出这些参数对永磁同步电动机性能的影响。用Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块进行磁场计算，得到永磁同步电动机的模型、剖分面、转矩曲线和电流曲线，不同时刻的磁力线分布图和磁通密度分布图。
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第2章 永磁同步电动机的原理
2.1永磁材料
2.1.1 永磁材料的概念和性能
永磁材料又称“硬磁材料”。永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁、矫顽力、内禀矫顽力、磁能积。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度、可工作温度、剩磁及内禀矫顽力的温度系数、回复导磁率、退磁曲线方形度、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。
在铁磁材料中，磁感应强度B与外加磁场强度H的函数关系式非常复杂，B的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞，用磁滞回线描述，如图2-1，磁滞回线宽的为永磁材料，磁滞回线窄的为软磁材料[14]。
图 2-1磁滞回线
对同一铁磁材料，以不同的磁场强度Hm分别进行反复多次反复磁化，可得到多个大小不等的磁滞回线，如下图2-2所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。
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图 2-2 基本磁化曲线
2.1.2 钕铁硼永磁材料
钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁 能积、高矫顽力、高机械强度等优点，但目前尚存在温度系数大和使用温 度低等缺点。
钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料[15]。钕铁硼永磁的主要成分是Nd2Fe14B，是目前磁性能最强的永磁材料。它的最大磁能积可达398kJ/m3，为铁氧体永磁材料的5~12倍、铝镍钴永磁材料的3~10
kJ/3m倍，理论值为527；剩磁可达1.47T，矫顽力最高可超过
1000kA/m，能吸起相当于自身重量640倍的重物。由于不含钴且钕在稀土中的含量远高于钐，钕铁硼的价格比稀土钴要低得多。
钕铁硼永磁的居里温度低，为310到410°C，温度稳定性较差，剩磁温度系数为（0.095~0.15）%/K，矫顽力温度系数为-（0.4~0.7）%/K，通常最高工作温度为150°C，目前已有商业化的耐200°C高温的钕铁硼永磁。常温下退磁曲线下部发生弯曲，若设计不当，易发生不可逆退磁。钕铁硼广泛应用在永磁电机中，稀土永磁材料产量的三分之一以上用来制造各种永磁电机，永磁电机的优点是省铜、省电、重量轻、体积小、比功率高。电动自行车电机、电脑驱动电机、车床等的行速与转速的测量电机、电梯的曳引机电机、麻将电机、冰箱空调电机、风力发动电机、汽车发动电机等等应用领域极其广泛。
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2.2永磁同步电动机的基本电磁关系
2.2.1 转速和气隙磁场有关系数
（1）转速
稳态运行是，永磁同步电动机的转速n与定子旋转磁场的转速相同，取决于电源频率f和电机极对数p，即
60f n? （2-1） p
（2）计算极弧系数
基波磁场是实现机电能量转换的基础。在永磁同步电动机中，可以认为空载气隙磁场是带有谐波的平顶波，计算极弧系数?i直接影响到基波幅值的大小。极弧系数为
?p?qm
Q2/2p（2-2）
式中：Q2为转子槽数。（3）空载气隙波形系数
在永磁同步电动机中，忽略齿槽影响，空载气隙磁密波形可以近似为矩形波，其幅值为
??4Bδ1?Bδsini （2-3）
?2气隙磁密波形系数定义为空载气隙磁场中基波磁密幅值与气隙磁密最大值的比值，即
Bδ14?i? K??sin （2-4） fBδ?2（4）电枢反应磁密波形系数
在直轴上施加直轴电枢反应基波磁动势Fad，产生的气隙磁密最大值和磁密基波幅值分别为Bad.和Bad1，直轴电枢反应磁密波形系数Kd定义为
Bad1 K? （2-5） dBad在较轴上施加交轴电枢反应基波磁动势Faq，所产生的气隙磁密基波幅值为Baq1。假设交轴位置与直轴位置的磁阻相同，Faq则产生一假象的气隙磁密正弦波，其幅值为Baq，交轴电枢反应磁密波形系数Kq为
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