（電機(jī)與電器專業(yè)論文）高速高效防爆稀土永磁同步電機(jī)研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e v e l o p sp a r t i a lc o n t e n t so fp r o j e c t ”t h e h i g hs p e e dh i g h l y e f f e c t i v ee x p l o s i o n p r o o fr a r ee a r t hp e r m e n e tm a g n e tm a c h i n er e s e a r c h ”，w h i c h i so n eo f t h en a t i o n a l8 6 3p l a n s r e v o l v e dt i g h t l yt h eh i g hs p e e dh i 曲l ye f f e c t i v ei n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r l h p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r sd e s i g n ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h o r o u g h l yi n t h et w o p o l er o t o rs t r u c t u r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ek e ye x p l o s i o n - p r o o f p a r a m e t e rt i m eke t c ，a l s oc o m p l e t e st h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c et e s t e x p e r i m e n t s o fat w o - p o l e i n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sm o t o r t h i sa r t i c l em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： i b a s e do nt h o r o u g h l yd i s c u s s i n go nt h er o t o rs t r u c t u r eo fr a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r an o v e lt w o - p o l er o t o rs t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e da n d s i m u l a t e d 2 b yd e t a i l e d l ya n a l y s e dt h ec a k i n gs t r u c t u r es t r e s so ft i l es h a p er a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e to fr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i cd i r e c tc u r r e n tm o t o r , ah i g h r e l i a b i l i t y , g o o da n t i i m p a c tp e r f o r m a n c ec e m e n t a t i o ns t r u c t u r ei sp r o p o s e d 3 t h ep a p e rt a k e st h es k i ne f f e c ta n dr a d i a t i o nf a c t o r si n t oa c c o u n ta n db r i n g s f o r w a r das e to fr o t o rt i m et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h e np r o p o s e se f f e c t i v e a c t i o n sf o rb e i n ga d v a n t a g e o u si nl e n g t h e n i n gt h et i m e f fa n dd e c r e a s i n gt h er o t o r t e m p e r a t u r ef r o mt h ed e s i g na s p e c t 4 ah i 曲s p e e dh i g h l ye f f e c t i v ei n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sm o t o ri sd e s i g n e d ，a n dt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c ei s s i m u l a t e da n d a n a l y s e d f i n a l l y , t h em o t o rt e s th a sb e e nd o n e k e yw o r d ：r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r , i n c r e a s e d s a f e t y m o t o r , t w o - p o l em o t o r , t h et i m e ，e ，r o t o rt e m p e r a t u r er i s e l l 玨北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 ；目t a 自# 薯i t _ _ j # t ；自；j ；自_ j ； ；= = t ；目目_ _ _ i ；j = = ；j j = ；自；q _ _ _ _ e _ # s 目_ 第一章緒論 1 1 論文研究背景、來源及意義 1 1 1 研究背景 在爆炸性危險(xiǎn)場所中能夠做到嚴(yán)禁使用明火，但卻無法限制使用各種電氣 設(shè)備( 如電動(dòng)機(jī)、電器、各種燈具、儀表等) ，而普通電氣設(shè)備在正常或故障狀 態(tài)下都難免出現(xiàn)電孤、火花或高溫，這些因素在爆炸性危險(xiǎn)場所則可能成為爆 炸性混合物的引燃源。因此，在這些場所中使用的電氣設(shè)餐都必須具備嚴(yán)格的 防爆措施。防爆電機(jī)就是一種使用面廣、使用頻率高的防爆型電氣產(chǎn)品。該類 電機(jī)具有安全防爆措施，能夠在具有可燃性氣體或腐蝕性氣體與空氣形成的爆 炸性氣體混合物等危險(xiǎn)性場所安全運(yùn)行，從而廣泛使用于石油、化工、煤炭及 冶金等行業(yè)。 防爆電機(jī)按防爆原理不同，可分為隔爆型、增安型、正壓型、無火花型電 機(jī)和粉塵防爆電機(jī)等，其中隔爆型電機(jī)和增安型電機(jī)是石油、化工等系統(tǒng)中應(yīng)用 最為廣泛的兩類防爆電機(jī)。隔爆型電機(jī)是把電機(jī)中可能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物 的部件全部封閉在外殼內(nèi)，其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲 透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會(huì)引起外部由一種、 多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃。增安型電機(jī)則是通過對(duì)難常運(yùn)行條 件下不會(huì)產(chǎn)生電弧、火花的電機(jī)組件采取一些附加措施，以提高安全程度，防 止內(nèi)部和外部部件可能出現(xiàn)危險(xiǎn)溫度、電弧和火花的可能性的一類防爆電機(jī)。 隔爆型電機(jī)由于自身檢修頻繁，維修費(fèi)用高，而且在一些特殊場合不適用( 若 使用環(huán)境中的氣體顆粒小于隔爆外殼的最小間隙，則不能可靠防爆) ，使得此類 防爆電機(jī)的應(yīng)用日益減少。相比較而言，增安型電機(jī)具有的無需經(jīng)常維修、安 全性能更高以及能夠長期可靠安全運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用場合越來越廣泛。 從目前的文獻(xiàn)資料知，國內(nèi)外防爆電機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的防爆型電機(jī)多為異 1 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 步電機(jī)，無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)等，并沒有將稀土永磁同步電機(jī)納入防爆電機(jī)領(lǐng) 域。而隨著永磁材料的高速發(fā)展，稀士永磁同步電動(dòng)機(jī)具有其他類型電機(jī)無法 比擬的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 明顯的高效率和節(jié)電效果 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)用永磁體取代電勵(lì)磁，且無勵(lì)磁損耗；同步運(yùn)行時(shí)， 轉(zhuǎn)子繞組中無感應(yīng)電流，就沒有銅耗，由于定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心中也沒有 鐵耗，因此效率較電勵(lì)磁同步電機(jī)和異步電機(jī)高，而且不需要從電網(wǎng)吸取滯后 的勵(lì)磁電漉，從而大大節(jié)約了無功，極大地提高了電機(jī)的功率因數(shù)。 ( 2 ) 高效率、高密度電機(jī) 高性能的稀土永磁材料釹鐵硼永磁體具有很高的磁能積，它的剩余磁 感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力都較大，用較少的釹鐵硼永磁體就能產(chǎn)生足夠的電機(jī)磁能積， 因此電機(jī)體積、尺寸可以大為減小，成為高效率、高密度電機(jī)。 ( 3 ) 運(yùn)行穩(wěn)定 由于轉(zhuǎn)子上不需要電勵(lì)磁裝置，因此大大簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)運(yùn) 行的穩(wěn)定性。有數(shù)據(jù)表明，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)提高 3 一1 2 ；并且在體積和最高工作轉(zhuǎn)速與異步電動(dòng)機(jī)相同的情況下，輸出功率也 高出1 0 一3 0 ”1 。 本課題主要是探索研究兩極增安型稀土永磁同步電機(jī)，該型電機(jī)是專門為 各防爆行業(yè)中的節(jié)能應(yīng)用而設(shè)計(jì)開發(fā)的，工頻啟動(dòng)，無需使用變頻器，可直接 代替普通異步電動(dòng)機(jī)，大大減少了能耗，降低運(yùn)行成本和維修費(fèi)用，適用于長 期運(yùn)行的無須調(diào)速驅(qū)動(dòng)場合。 1 1 2 課題來源及其研究意義 本課題來源于國家“8 6 3 ”計(jì)劃( 項(xiàng)目編號(hào)2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 2 5 高速高效 防爆稀土永磁電機(jī)研究。 由于增安型防爆電機(jī)的高安全性、低維修成本和廣泛的應(yīng)用場合等優(yōu)點(diǎn)， 使得國內(nèi)各行業(yè)對(duì)增安型防爆電機(jī)的需求量很大，因此加快對(duì)增安型防爆電機(jī) 2 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 的研究是非常必要的。目前國內(nèi)外增安型電機(jī)大多為異步電機(jī)、無刷勵(lì)磁同步 電機(jī)等，稀土永磁電機(jī)應(yīng)用較少，至今國際上對(duì)于增安型稀土永磁同步電機(jī)還 沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 與異步電機(jī)、無刷勵(lì)磁同步電機(jī)等相比，稀土永磁同步電機(jī)不需外部電源 勵(lì)磁，效率高，是節(jié)能電機(jī)的發(fā)展方向。因此，對(duì)于防爆電機(jī)應(yīng)用量大、運(yùn)行 時(shí)間長的石油、化工、冶金以及煤炭等行業(yè)而言，若以增安型稀土永磁同步電 機(jī)替代防爆異步電機(jī)，將會(huì)在增強(qiáng)生產(chǎn)安全性和降低維修費(fèi)用的同時(shí)，節(jié)約能 源，有效緩解國內(nèi)的能源緊缺現(xiàn)狀。此外，稀土永磁同步電機(jī)最適合傳統(tǒng)異步 電機(jī)改造。利用異步電機(jī)原來的機(jī)座、定子，只需對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行永磁同步化改造 即可。異步電機(jī)同步化是最實(shí)惠的方式，既不報(bào)廢原來的電機(jī)，又降低了改造 成本，是一舉兩得的方案，從而可達(dá)到節(jié)能、降耗的目的。 鑒于石油、化工、紡織和煤炭等行業(yè)中風(fēng)機(jī)、泵類多在工頻電源( 3 相3 8 0 v 、 5 0 h z ) 下運(yùn)行，且對(duì)配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求較高，而兩極稀土永磁同步電動(dòng) 機(jī)在工頻下轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘3 0 0 0 轉(zhuǎn)，用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類可直接起動(dòng)、運(yùn)行， 高效且無需變頻驅(qū)動(dòng)，使用方便。因此，研發(fā)成功兩極增安型稀土永磁同步電 動(dòng)機(jī)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有節(jié)能降耗、安全可靠的重大意義。 1 2 防爆電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國內(nèi)防爆電機(jī)行業(yè)發(fā)展概況 目前，我國防爆電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極為不合理增安型和無火花型產(chǎn)品所占比 例與用戶部門實(shí)際情況相差甚大。因?yàn)樵诟鞣N爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中( 主要是石油、石 化和化工等工廠環(huán)境) 危險(xiǎn)性較大的0 區(qū)和1 區(qū)場所一般占2 0 左右的比例，而 8 0 左右的場所都是危險(xiǎn)性相對(duì)較小的2 區(qū)場所。根據(jù)防爆電機(jī)的選型規(guī)范要求， 2 區(qū)場所適合選用增安型或無火花型電機(jī)。而我國防爆電機(jī)行業(yè)生產(chǎn)的防爆電機(jī) 占總產(chǎn)量( k w ) 9 5 以上的是隔爆型電機(jī)，增安型電機(jī)產(chǎn)量不足5 ，正壓型、無火 花型和粉塵防爆電機(jī)產(chǎn)量極微。國外產(chǎn)品比例分配與國內(nèi)恰恰相反，增安型和 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 ；_ - 1 1 1 , 1 , i , , i 目_ 一 無火花型電機(jī)占防爆電機(jī)的8 0 以上，隔爆型電機(jī)所占比例小于2 0 。在2 區(qū)場 所選用隔爆型電機(jī)，無論從經(jīng)濟(jì)性，還是使用維護(hù)的便利性上權(quán)衡都不如增安 型或無火花型電機(jī)。究其原因，我國增安型電機(jī)發(fā)展歷史短，研究水平低。 現(xiàn)階段我國防爆電機(jī)主導(dǎo)產(chǎn)品仍是相當(dāng)于國外8 0 年代中期水平的y b 系列隔 爆型電動(dòng)機(jī)和y a 系列增安型電動(dòng)機(jī)，但目前防爆電機(jī)產(chǎn)品存在著通用基本系列 防爆電機(jī)多、專用特殊型電機(jī)少、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化水平低、產(chǎn)品可靠性較差等問題。 根據(jù)目前國內(nèi)的需求，防爆電機(jī)行業(yè)具有以下發(fā)展趨勢： ( 1 ) 防爆類型向多樣化發(fā)展 目前，我國防爆電機(jī)產(chǎn)品中隔爆型防爆電機(jī)仍然占8 0 以上。隨著用戶部門 對(duì)增安型產(chǎn)品使用場所、安全性的逐步認(rèn)識(shí)，以及增安型電機(jī)與隔爆型電機(jī)相 比所具有的顯著優(yōu)勢一經(jīng)濟(jì)、維修方便。必將帶動(dòng)我國增安烈電機(jī)使用量的 增大及技術(shù)水平的提高，從而促使我國防爆電機(jī)制造行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向著合理的 方向發(fā)展。 ( 2 ) 商效、環(huán)保型“綠色防爆電機(jī)”將成為新世紀(jì)的熱點(diǎn) 2 1 世紀(jì)人們對(duì)生活質(zhì)量要求愈來愈高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)愈來愈強(qiáng)。電動(dòng)機(jī)的 振動(dòng)噪聲已成為污染環(huán)境的公害。因此，新一輪的防爆電機(jī)將以節(jié)能、環(huán)保為 目標(biāo)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，如新型電機(jī)繞組設(shè)計(jì)、低損耗高導(dǎo)磁材料應(yīng)用研究、 通風(fēng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、稀土永磁材料應(yīng)用研究、降低振動(dòng)噪聲技術(shù)和質(zhì)量控制等，以 提高效率和降低振動(dòng)噪聲，開發(fā)研制出環(huán)保型的“綠色防爆電機(jī)”。不可否認(rèn)， 稀土永磁同步電機(jī)必將成為防爆電機(jī)的研究熱點(diǎn)。 1 2 2 國外防爆電機(jī)發(fā)展概況 國外防爆電機(jī)種類很多，其先進(jìn)水平主要體現(xiàn)在電機(jī)的整體可靠性高、安 全性好、電機(jī)效率不斷提高、噪聲不斷降低等方面。 根據(jù)近十年來防爆電機(jī)的發(fā)展情況以及國際市場的發(fā)展對(duì)防爆電機(jī)的要求 來看，未來幾年內(nèi)國外防爆電機(jī)發(fā)展趨勢主要向著以下幾方面發(fā)展： ( 1 ) 大力開發(fā)特種、專用防爆電機(jī) 4 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 = ；e 自# ；目目t 目自自目e t 口= = = = = = = = ；# 目e 目；j e j j = 自i ；= = ；= q j i j i 目目一 i l l 墨 進(jìn)入9 0 年代以來，國外許多著名的防爆電機(jī)生產(chǎn)廠看準(zhǔn)市場，為用戶著想： 大力開發(fā)專用防爆電機(jī)，使防爆電機(jī)市場一直呈旺勢。目前，許多專用電機(jī)已 成系列。這些成系列的專用防爆電機(jī)除國內(nèi)已有的雙速變極低噪聲電機(jī)、采煤 機(jī)、運(yùn)輸機(jī)用空冷電機(jī)、水冷卻電機(jī)、正壓型電機(jī)、制動(dòng)電機(jī)、低溫用防爆電 機(jī)等外，還有國內(nèi)廠家很少生產(chǎn)的潛水電機(jī)，防腐蝕( 船用) 電機(jī)，高速電機(jī) 等。 ( 2 ) 提高制造工藝水平 國外防爆電機(jī)制造廠充分吸收普通電機(jī)的先進(jìn)的制造工藝，在鑄造、沖壓、 精加工、絕緣處理等各方面，采用先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備，確保加工質(zhì)量。在生產(chǎn) 中較多地采用自動(dòng)檢測技術(shù)，保證零部件的質(zhì)量。 ( 3 ) 設(shè)計(jì)開發(fā)高效節(jié)能及環(huán)保產(chǎn)品 美匡 從8 0 年代開始開發(fā)研制高效節(jié)能電機(jī)，到9 0 年代大力推廣使用高效 節(jié)能電機(jī)。根據(jù)通過的能源法，從1 9 9 7 年1 0 月2 4 日開始，進(jìn)入美國市場的普 通電機(jī)必須是執(zhí)行商效標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能電機(jī)。對(duì)于防爆電機(jī)，從1 9 9 9 年l o 月2 4 日開始必須符合高效標(biāo)準(zhǔn)。加拿大的能源法也作出類似的規(guī)定，從1 9 9 9 年1 1 月2 7 日開始，進(jìn)入加拿大市場的防爆電機(jī)必須符合高效標(biāo)準(zhǔn)。本世紀(jì)，環(huán)保型 高效節(jié)能防爆電機(jī)必將取代普通型防爆電機(jī)。 1 3 稀土永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀 1 3 1 稀土永磁同步電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展概況 國外利用稀土永磁材料進(jìn)行稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)已經(jīng)有2 0 多年的歷 史。1 9 7 8 年，法國的c e m 公司研制的i s o s y n 系列0 5 5 1 8 5 千瓦的稀土鉆同 步電動(dòng)機(jī)，效率比一般的異步電動(dòng)機(jī)高2 8 ，功率因數(shù)提高0 0 5 o 1 5 。 我國在稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用上取得重大成就，先后開發(fā)了應(yīng) 用于紡織行業(yè)中織布機(jī)、細(xì)紗機(jī)以及化纖機(jī)械、風(fēng)機(jī)泵類等多種規(guī)格和型號(hào)的 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。8 0 0 瓦紡織專用稀土永磁同步電 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 動(dòng)機(jī)是國內(nèi)第一臺(tái)研制成功的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率商達(dá)9 1 ，功率因數(shù) 高于0 9 5 ，節(jié)能率高達(dá)1 0 以上，已經(jīng)進(jìn)行生產(chǎn)并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。而 且我國已研制成最大容量為l1 0 千瓦和2 5 0 千瓦的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)我國國情高性能的稀土永磁材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)已 居世界第一位，釹鐵硼的價(jià)格也趨向合理。計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)資料表明，中小型永 磁同步電動(dòng)機(jī)的效率可提高5 ，節(jié)電率1 0 ，某些專用永磁同步電機(jī)節(jié)電達(dá) 1 5 2 0 。所以發(fā)展稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)是新世紀(jì)電機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。 1 3 2 稀土永磁同步電機(jī)國內(nèi)外研究熱點(diǎn) 磁場磁勢計(jì)算、合適的仿真計(jì)算模型的建立、自起動(dòng)問題的仿真問題中的 算法、精度、非線性的處理等方面一直是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)。 目前國內(nèi)外對(duì)稀士永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)研究主要集中在兩個(gè)方面： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有很高的矯頑力，故充磁方向很薄的永磁體就可提 供較高的氣隙磁密和磁勢。因此，除了傳統(tǒng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)外，當(dāng)極數(shù)較少時(shí)， 還可采用切向磁路結(jié)構(gòu)或混合式結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外學(xué)者都在研究稀土永磁同步電動(dòng) 機(jī)的各種轉(zhuǎn)子形狀，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是通過增加磁通、減弱電樞反應(yīng)或高速運(yùn)行 來提高功率密度和效率。 ( 2 ) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 在稀土永磁材料價(jià)格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇永磁體的工作點(diǎn)， 使之在滿足電機(jī)性能指標(biāo)前提下，使所用的永磁材料最少，即電機(jī)的成本最小 或體積最小。 優(yōu)化設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)來完成，優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通常選擇永磁體體積作為目標(biāo) 函數(shù)。由于永磁體尺寸大小可直接影響電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因而可直接選用 永磁體形狀尺寸作為設(shè)計(jì)變量，而將其他尺寸都用這些變量來表示。在約束條 件中，電抗參數(shù)、定子齒部和軛部磁密、定子電密、起動(dòng)電流以及槽滿率等都 應(yīng)限制在一定范圍，而效率、功率因數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等則應(yīng)大于某一給定值a 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論 雖然國內(nèi)關(guān)于稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多工作，但迄今為 止，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在我國并沒有得到全方面的推廣，其原因是多方面的。 其一是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)成本很高，但是隨著稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永 磁同步電動(dòng)機(jī)的成本呈下降趨勢，同時(shí)在稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中如何選用 適量的稀土永磁體用量以成為學(xué)術(shù)界研究分析的重點(diǎn)。此外，稀土永磁同步電 動(dòng)機(jī)的鐵耗相比于異步電動(dòng)機(jī)比較復(fù)雜，如何準(zhǔn)確分析和計(jì)算是設(shè)計(jì)高效節(jié)能 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。同時(shí)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能研究和起動(dòng) 過程研究一直以來是國內(nèi)外專家研究分析的焦點(diǎn)。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)性能直 接由參數(shù)決定，因而稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的測試方法目前顯得越來重要。 1 4 本文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究內(nèi)容分為七章，其結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章敘述本課題的研究背景、意義及來源等內(nèi)容，并詳細(xì)闡述該課題的 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)，指明方向。 第二章主要探討高速( 兩極) 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析 了其中典型兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種新穎的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；結(jié)合稀土永磁直 流電動(dòng)機(jī)，提出一種可靠性較高、抗沖擊性能良好的粘接結(jié)構(gòu)。 第三章對(duì)增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵防爆參數(shù)f ，時(shí)間計(jì)算進(jìn)行了深 入研究。在考慮集膚效應(yīng)和散熱等影響因素的基礎(chǔ)之上，提出稀土永磁同步電 動(dòng)機(jī)的f ，時(shí)間計(jì)算方法；對(duì)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)予溫升問題進(jìn)行分析，從電 機(jī)設(shè)計(jì)方面總結(jié)出有利于延長f 。時(shí)間、降低轉(zhuǎn)予溫升的有效措施。 第四章對(duì)開發(fā)出的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場分析，并對(duì)本文設(shè)計(jì)的一臺(tái)兩 極增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)的磁場分布良好，樣機(jī)能夠順利起動(dòng)。 第五章詳細(xì)闡述了一臺(tái)3 0 千瓦的兩極增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開 發(fā)。在電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)給定之后，針對(duì)電機(jī)主要的外形尺寸、定轉(zhuǎn)子沖片及磁鋼 7 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 尺寸的設(shè)計(jì)等問題，具體實(shí)施了設(shè)計(jì)計(jì)算，最后進(jìn)行電機(jī)的性能計(jì)算。 第六章為樣機(jī)的試驗(yàn)研究。主要闡述實(shí)驗(yàn)1 7 1 的及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等過程，并 對(duì)樣機(jī)的效率、防爆性能等進(jìn)行詳細(xì)分析和總結(jié)。 第七章全面概括本文研究工作及取得的研究成果等，并提出對(duì)該謀題的展 朝。 8 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘揍研究 與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比較而言，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，運(yùn) 行可靠性高。目前國內(nèi)外對(duì)稀土永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方 面，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是稀土永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。稀土永磁體放置在轉(zhuǎn)子 上，為解決起動(dòng)問題，轉(zhuǎn)子上還設(shè)有鼠籠條。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的高力能指 標(biāo)主要取決于稀土永磁體，起動(dòng)性能主要取決于鼠籠條。選擇合格的轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 形式，在保證稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的前提下，提高力能指標(biāo)，減小稀 土永磁體用量，是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 在稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，兩極電機(jī)是一個(gè)難點(diǎn)。兩極電機(jī)要具有 較高的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)就要增加永磁體的用量，而較好的起動(dòng)性能又要求電機(jī)的 轉(zhuǎn)子槽不能太淺，這使得永磁體槽與轉(zhuǎn)子槽競爭轉(zhuǎn)子有限空間的問題更為突出； 此外，兩極結(jié)構(gòu)時(shí)電機(jī)的聚磁力差。在詳細(xì)研究稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ)上，本章開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎的、性能良好的兩極轉(zhuǎn)子。 在稀土永磁電機(jī)加工過程中，內(nèi)嵌平塊式磁鋼的粘接對(duì)于磁鋼與鐵芯的加 工精度要求不高，成本低，方法簡便，可使電機(jī)在振動(dòng)和沖擊負(fù)荷下可靠地工 作。而對(duì)于稀土永磁電機(jī)中常見的瓦片形磁鋼結(jié)構(gòu)，雖然容易放置，但是磁鋼 加工難度大，工藝較復(fù)雜，粘接結(jié)構(gòu)稍有變形，就會(huì)嚴(yán)重影晌電機(jī)的性能。本 章對(duì)瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機(jī)上的粘按狀況進(jìn)行了探討，并用分析軟件 對(duì)常見的粘紿結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，進(jìn)而提出一種可靠性較高、抗沖擊性能良好 的粘接結(jié)構(gòu)。 2 1 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本原理 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理同電勵(lì)磁同步電機(jī)，不同之處在于它以永 磁體提供磁通，而后者是以電流產(chǎn)生磁通。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)定子為三相對(duì) 稱繞組，與三相異步電動(dòng)機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子上粘有稀土永磁( 目前 9 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章商速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 ；_ _ z _ _ _ _ t - _ 日_ m _ _ 目日_ _ _ 目；j j 篁t ；阜i _ _ _ 一i t i , _ # _ _ _ - _ 多為釹鐵硼材料) 磁鋼。 初始狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子上已充磁的永磁磁鋼在電機(jī)中形成靜止的磁場，當(dāng)定子 繞組中通入三相正弦波電壓時(shí)，在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流， 從而在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 圓形旋轉(zhuǎn)磁場的角速度： ：翌( 2 1 ) p 式中：， 輸入電源頻率 p 電機(jī)極對(duì)數(shù) 動(dòng)態(tài)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場與靜態(tài)的轉(zhuǎn)予磁場作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場與定子上的圓 形旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對(duì)齊，從而進(jìn)入同步運(yùn)行。 當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個(gè)功率角6 ，負(fù)載愈 大，p 也愈大，直到一個(gè)極限角度鞏，電動(dòng)機(jī)失步為止。 可見，同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失 步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，靜態(tài)誤差為零；在負(fù)載擾動(dòng)下，只 是功率角0 變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，響應(yīng)時(shí)問是實(shí)時(shí)的。 2 2 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究 根據(jù)稀土永磁體在轉(zhuǎn)予中放置的位置不同，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可 分為表面式和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)鈕。 2 2 1 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有外凸式和內(nèi)嵌式兩種，如圖2 - 1 、2 - 2 所示，其中 i 是轉(zhuǎn)子鐵芯，2 是轉(zhuǎn)軸，3 是永磁體。這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常是瓦片形，永 磁體的磁通方向是徑向，永磁體表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間一般套有一個(gè)起保護(hù) 作用的非磁性圓筒。 0 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 1 圖2 - i 外凸式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖2 - 2 內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 2 2 2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 根據(jù)稀土永磁體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置的方向不同，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)可分為徑向式、切向式和混合式。 徑向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓的半徑方向，優(yōu)點(diǎn) 是漏磁系數(shù)小，無需隔磁措施，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度高等，但非整體性的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)致加工難度增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。圖2 - 3 ( 圖中1 是鼠籠條，2 是轉(zhuǎn)軸，3 是永 磁體，4 是非磁性材料，5 是轉(zhuǎn)子鐵芯，6 是隔磁槽，以下同。) 中a 、b 均為切 向式結(jié)構(gòu)。a 是美國的專利，b 的v 形結(jié)構(gòu)最早見于英國某產(chǎn)品中，該結(jié)構(gòu)有效 的利用了轉(zhuǎn)子空間。 b 圈2 - 3 內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu) 切向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓周的切線方向，這 種結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較大，并需采取隔磁措施，優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通有相鄰 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 的兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可有更大的每極磁通，尤其當(dāng)電動(dòng)機(jī)極數(shù)較多、徑向結(jié) 構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時(shí)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更為突出。圖2 - 4 是四種不同的 切向結(jié)構(gòu)，其中a 是一種典型的4 極切向式結(jié)構(gòu)，永磁體內(nèi)側(cè)采用非磁性套筒 或非磁性轉(zhuǎn)軸；b 、c 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了a 中的隔磁套，轉(zhuǎn)子 沖片具有整體性，當(dāng)勵(lì)磁不足時(shí)還可在隔磁槽中放置永磁體來增加勵(lì)磁。 畿繇 ab 圖2 _ 4 內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu) 混合式結(jié)構(gòu)集中上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，成本高。圖2 5 是德 國西門子公司的專利，主要用于剩磁密度較低的鐵氧體永磁同步電動(dòng)機(jī)。隨著 永磁材料的高速發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)已失去其優(yōu)勢。 圈2 - 5 內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu) 1 2 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高速稀十永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 在相同的條件下，三種內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中電機(jī)直軸同步電抗。相差不 大，但交軸同步電抗x 。卻相差很大，其中切向式的工。最大，徑向式次之。較 大的x 。和凸極率可以提高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過載倍 數(shù)等，但會(huì)使電機(jī)起動(dòng)過程中振動(dòng)和噪聲變大，起動(dòng)時(shí)間延長。因此，設(shè)計(jì)高 過載倍數(shù)的電動(dòng)機(jī)時(shí)可以利用大凸極率所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，而設(shè)計(jì)高起動(dòng)性能 的電動(dòng)機(jī)時(shí)則應(yīng)設(shè)法降低磁阻轉(zhuǎn)矩。 2 3 高速( 兩極) 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究 由式療：竺可知。當(dāng)頻率，一定時(shí)，極對(duì)數(shù)p ：1 時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速船最大。而 p 兩極稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu)中，極距最大，永磁體所需空間也最大，這 造成永磁體槽與轉(zhuǎn)子槽放置空間上競爭的問題。此外兩極電機(jī)轉(zhuǎn)速高，對(duì)轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也比較高。這些問題導(dǎo)致兩極稀土永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)成為異 步起動(dòng)稀土永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。 2 3 1 弼極稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 兩極稀土永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的兩 極結(jié)構(gòu)形式是瓦片形磁鋼，永磁體容易放置，但是加工難度大，工藝較復(fù)雜。 而矩形磁鋼易加工，且具有較大的放置空間，又可降低成本，所以目前稀土永 磁同步電機(jī)大多采用多段矩形磁鋼替代瓦片形磁鋼。但是對(duì)于多段矩形永磁體 組合的徑向結(jié)構(gòu)，其段數(shù)越多，每段的永磁體寬度就越小，在加工和安放時(shí)永 磁體越易損壞。 西j b 工業(yè)火學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 a b d 圈2 6 四種稀土永磁同步電機(jī)的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 圖2 - 6 中所示的四種兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)( 圖中，l 為鼠籠條，2 為磁鋼，3 是轉(zhuǎn) 軸，4 是轉(zhuǎn)子鐵心) 中，圖a 是法國l s s o y 公司的兩極結(jié)構(gòu)，磁鋼形狀簡單，鼠 籠條作用明顯，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子沖片被磁鋼分為三塊，所以在制造加工方面工藝操 作復(fù)雜，成本高：圖b 是用平板狀磁鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瓦片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡單， 加工容易，但相比瓦片形磁鋼漏磁增加：圈c 在交軸方向開有隔磁槽，可以減 小x 。x 。值，有助于改善電機(jī)的起動(dòng)性能；圖d 結(jié)構(gòu)在交軸方向填入徑向磁鋼， 大大減小了漏磁，但永磁體用量增加很多，使電機(jī)造價(jià)上升。 2 3 2 稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形研究 稀土永磁同步電機(jī)的起動(dòng)性能一般來講比異步電機(jī)的差，其鼠籠條僅在起 動(dòng)過程起作用。為簡化，鼠籠條都取為對(duì)稱均布，且由于其起動(dòng)作用，轉(zhuǎn)子槽 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 形多選取擠流效應(yīng)較強(qiáng)的雙籠、深槽或凸形槽。對(duì)小型稀土永磁同步電機(jī)來說， 因其轉(zhuǎn)子空間有限，槽形多選取圓形、梨形或梯形槽等。此外閉口槽可減小齒 槽效應(yīng)和雜散損耗，麗對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)影響不大，因此閉口槽在稀土永磁同 步電機(jī)中應(yīng)用廣泛。 設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子槽形應(yīng)設(shè)計(jì)的淺一些，可為磁鋼的放置留出的足夠空間，但從 提高電機(jī)的牽入性能方面而言，在轉(zhuǎn)子軛部磁密不過飽和且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足的情 況下，應(yīng)盡量增加轉(zhuǎn)子槽的寬度，以減小電阻，同時(shí)端環(huán)截面積也應(yīng)盡可能的 增大。 2 3 3 一種新穎的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 基于上述對(duì)兩極稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究分析，本文提出一種 兩極結(jié)構(gòu)，如圖2 7 所示。該結(jié)構(gòu)綜合了圖2 - 6 中b 、d 各自的優(yōu)點(diǎn)。其中主磁 鋼、副磁鋼和隔磁槽磁鋼均為矩形，轉(zhuǎn)子槽為口半梨形槽。主磁鋼和副磁鋼產(chǎn) 生磁通。隔磁槽中的磁鋼可以有效減少漏磁。這種結(jié)構(gòu)磁場分布良好，具有結(jié) 構(gòu)簡單、漏磁小、易起動(dòng)等特點(diǎn)。 圖2 - 7 一種新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 2 4 瓦片形磁鋼粘接技術(shù)研究 在稀土永磁同步電機(jī)制造過程中，瓦片形磁鋼是在轉(zhuǎn)子鐵芯中粘接的，因 此對(duì)于瓦片形磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵芯中瓦形槽的加工精度要求不高，成本低，粘接工 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 口_ 自；自；口_ _ i 一i e ；t 目j 日目自自i _ = = ；i j 目t 自目j ；_ _ _ 目目e 藝簡便，膠接處的應(yīng)力分布較為均勻，從而可使電機(jī)在振動(dòng)和沖擊負(fù)荷下可靠地 工作。而對(duì)于稀土永磁直流電機(jī)，瓦片形磁鋼是在其外殼內(nèi)壁粘接的，磁鋼與 外殼的定位與固定完全依靠膠粘劑的粘接作用，沒有其它輔助定位和固定結(jié)構(gòu)： 同時(shí)在稀土永磁直流電機(jī)受沖擊過程中，不同的粘接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)位置不同， 應(yīng)力與應(yīng)變大小各異，對(duì)電機(jī)的可靠性影響程度不同。瓦片形磁鋼和外殼的結(jié) 構(gòu)尺寸、粘接過程中所施加的夾緊力大小、力作用點(diǎn)的位置不同均嚴(yán)重影響粘 接質(zhì)量。所以，本章針對(duì)瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機(jī)上的粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 分析研究。 2 4 。1 兩種典型粘接結(jié)構(gòu)分析 磁鋼性脆，在受沖擊時(shí)，需要膠層吸收一部分能量，避免磁銅破裂，因此要 求膠層有一定厚度，并具有韌性，能起到緩沖作用。理想情況下，導(dǎo)磁外殼( 一 般為4 5 。鋼) 內(nèi)徑尺寸為月，磁鋼外徑尺寸為r ，則膠層厚度為： j = 胄一r( 2 - 2 ) 理想的粘接狀態(tài)如圖2 - 8 所示，可見磁鋼與外殼之間膠粘劑的厚度均勻。 圖2 - 8 理想的粘接結(jié)構(gòu) 一般情況下，工程上常用的公差是：外殼內(nèi)徑尺寸為彤。，磁鋼外徑尺寸為 匕( 其中a ，b 是加工誤差) ，則膠層最大、最小厚度分別為： 占一= r + 口一，+ b = r r ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高速稀永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 磁鋼與外殼常會(huì)粘接成圖2 - 9 所示結(jié)構(gòu)，磁鋼中部與外殼之間膠層非常薄， 甚至?xí)苯咏佑|，此時(shí)磁鋼兩端部處膠層比中間厚很多。 圖2 - 9 常見的粘接結(jié)構(gòu) 在對(duì)某稀土永磁壹流電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，作者提出不同于傳統(tǒng)的公差：外 殼內(nèi)徑尺寸為r 二，磁鋼外徑尺寸為帶6 ，則膠層最大、最小厚度分別為： 巧。= r r ( 2 - 5 ) 艿。= r 一口一r - b ( 2 6 ) 實(shí)際過程中形成的粘接結(jié)構(gòu)如圖2 1 0 ，膠層最厚處產(chǎn)生在中間，而磁鋼邊緣 處只需很少膠粘劑就能填充滿。 2 4 2 應(yīng)力分布分析 圖2 1 0 改進(jìn)的粘接結(jié)構(gòu) 以作者設(shè)計(jì)的某稀土永磁直流電機(jī)的磁鋼質(zhì)量，取沖擊加速度為4 0 9 ，根據(jù) 式f ；m ( 4 0 9 ) 計(jì)算沖擊力，對(duì)磁鋼施加垂直向下的沖擊力，力的作用點(diǎn)位于磁 鋼正上方，對(duì)上述三種粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。 兩北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 對(duì)于圖2 8 的理想粘接結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，當(dāng)磁鋼受到?jīng)_擊力時(shí)，磁鋼頂部略 有變形，圖2 1 1 的應(yīng)力分析圖放大了此變形效果，下凹較明顯。圖2 1 2 是理 想結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力分布示意圖( 其中x 軸為磁鋼弧度，a 、b 是磁鋼的兩端點(diǎn)；y 軸 是當(dāng)磁鋼頂部上施加1 個(gè)單位力時(shí)，磁鋼上層面各處受到的單位應(yīng)力，下同。) 。 可見應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力最大點(diǎn)分布于磁鋼的頂部及兩端部，僅為1 3 個(gè)單 位應(yīng)力。因此具有該結(jié)構(gòu)的電機(jī)受到?jīng)_擊力時(shí)，均勻膠層的彈性會(huì)緩沖部分應(yīng) 力，磁鋼所受沖擊應(yīng)力小，抗振動(dòng)和沖擊能力很強(qiáng)，電機(jī)可靠性高。 糖“ 叫 t 卜人_ 。卜t _ 圈2 - 11 理想結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力分析圖 豳2 一1 2 理想結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力分布示意圈 對(duì)于圖2 - 9 的常見粘接結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，最大變形發(fā)生在磁鋼頂部，由圖 2 1 3 的應(yīng)力分布圖可見頂部下凹現(xiàn)象非常明顯。圖2 1 4 是常見結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布 示意圖，可見磁鋼兩端所受沖擊力很小，最大應(yīng)力集中點(diǎn)在磁鋼頂部，為2 1 3 個(gè)單位應(yīng)力。此時(shí)當(dāng)電機(jī)受到?jīng)_擊力時(shí)，兩端部厚厚的膠層使得磁鋼所受沖擊 力小，而磁鋼頂部稀薄的膠層很容易剝離，磁鋼頂部易與瓦形鋼片直接相撞而 造成磁銅碎裂，可靠性非常差。 豳2 - 1 3 常見結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖 圈2 - 1 4 常見結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布示意胬 f 牟 一 一 一 一 一 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 對(duì)于圖2 一l o 的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，磁銅兩端部稍有變形，由圖2 一1 5 的應(yīng)力 分析圖可看出頂部幾乎沒有變形，這主要是因?yàn)轫敳亢窈竦哪z層具有很大的彈 性，緩沖了大部分沖擊力。圖2 1 6 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布示意圖，可見最大應(yīng) 力集中點(diǎn)分布在磁鋼兩端部，僅為1 5 4 個(gè)單位應(yīng)力。 牲蚓 h ，n 個(gè)一 。l。l上 c # 翻旺 圈2 - 1 5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圈圈2 - 1 6 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布示意圈 這種粘接結(jié)構(gòu)下，當(dāng)宅機(jī)受到?jīng)_擊力時(shí)，磁鋼中間部分由于膠層的存在沒 有被撞擊至破裂的危險(xiǎn)，而兩端較薄膠層處的磁鋼受沖擊力影響不大?？梢?， 僅對(duì)磁鋼和外殼的公差尺寸進(jìn)行很小改動(dòng)，就可大大改進(jìn)粘接質(zhì)量。 2 4 3 分析結(jié)果、應(yīng)用實(shí)例及改善粘接質(zhì)量的措施 電機(jī)在受沖擊力時(shí)，在理想結(jié)構(gòu)下，磁鋼上應(yīng)力小且分布均勻，抗沖擊性 好；當(dāng)如圖2 9 的粘接結(jié)構(gòu)時(shí)，磁鋼頂部所受應(yīng)力最大，最容易與外殼直接碰 撞而破裂。粘接結(jié)構(gòu)如圖2 - 1 0 時(shí)，磁鋼上應(yīng)力較小，分布較均勻，可靠性高。 在所設(shè)計(jì)的某稀土永磁直流電機(jī)中，磁鋼與外殼的粘接結(jié)構(gòu)起初如圖2 - 9 所示，在做沖擊試驗(yàn)時(shí)，磁鋼有掉片、斷裂現(xiàn)象發(fā)生，后經(jīng)研究，改變磁鋼與 外殼的加工公差，為圖2 - 1 0 的粘結(jié)結(jié)構(gòu)，通過了沖擊試驗(yàn)，證實(shí)了圖2 1 0 的 粘接結(jié)構(gòu)能夠有效改善電機(jī)運(yùn)行的可靠性。 在對(duì)瓦片形磁鋼粘接研究中，本文總結(jié)出一些改進(jìn)磁鋼粘接質(zhì)量的措施： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)尺寸：應(yīng)確保磁鋼和外殼的結(jié)構(gòu)尺寸，建議采取外殼內(nèi)徑負(fù)公差， 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章商速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 磁鋼外徑正公差； ( 2 ) 夾具設(shè)計(jì)：用于定位和夾緊磁鋼的夾具，應(yīng)確保所施加的夾緊力與外 殼內(nèi)壁表面保持垂直，盡量避免其它方向的分力，以免磁鋼與外殼膠接過程中產(chǎn) 生相對(duì)滑動(dòng)或形成間隙，造成尺寸偏差； ( 3 ) 夾緊力：夾緊力大小要恰當(dāng)，因?yàn)閵A緊力過大，易造成外殼變形、磁 鋼脆裂，過小會(huì)造成粘接層貼合不好，引起粘接面減少、內(nèi)徑尺寸不合格、固 化過程中磁鋼滑移等問題； ( 4 ) 膠粘劑：選擇好的膠粘剎對(duì)于提高粘接質(zhì)量至關(guān)重要。目前國內(nèi)外膠 粘劑生產(chǎn)廠家開發(fā)的優(yōu)良性能的膠粘劑種類非常多?？筛鶕?jù)電機(jī)運(yùn)行性能要求， 選用合適的膠粘劑。 2 5 小結(jié) 本章在論述稀土永磁同步電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，探討了稀土永磁同步電 機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，特別對(duì)高速( 兩極) 的稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研 究。在對(duì)多種兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較之后，開發(fā)出一種性能良好的兩極 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機(jī)中的粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分 析，進(jìn)而提出一種更為有效的粘接結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果表明，該粘結(jié)結(jié)構(gòu)抗沖擊性 能較強(qiáng)，可靠性高，并在一臺(tái)稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)上得到了驗(yàn)證。最后，作者 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出提高瓦片形磁鋼粘結(jié)質(zhì)量的措施，對(duì)于瓦片形磁鋼的粘 接工藝發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。 西北 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章增安型稀士永磁同步電動(dòng)機(jī)0 時(shí)間及轉(zhuǎn)子溫升研究 第三章增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，。時(shí)間及轉(zhuǎn)子溢升研究 f 。時(shí)間和起動(dòng)電流比，。，。是增安型電動(dòng)機(jī)的重要防爆性能參數(shù)，直接決 定著電機(jī)防爆性能的合格與否。按照防爆電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)g b 3 8 3 6 3 規(guī)定：7 5 k w 及以下的鼠籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)應(yīng)進(jìn)行實(shí)測t ，時(shí)間和起動(dòng)電流t e ，。，。由于電動(dòng) 機(jī)容量越來越大( 幾百千瓦以至幾千千瓦) ，電壓等級(jí)也高( 6 千伏至l 萬伏) ，用 實(shí)測辦法確定，。時(shí)間太困難，只有尋求計(jì)算方法來確定f 。值。因?yàn)橹挥挟?dāng)電機(jī) 過熱保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間小于電機(jī)的r 。時(shí)間，才能保證增安型電動(dòng)機(jī)在爆炸性氣 體環(huán)境中經(jīng)濟(jì)可靠地應(yīng)用。因此，增安型電機(jī)的，。時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵。 增安型異步電動(dòng)機(jī)的t 。時(shí)間計(jì)算已有研究成果”，并得到普遍應(yīng)用。增安 型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的t 。時(shí)間計(jì)算在文獻(xiàn) 1 1 1 的附錄b 中也給出了詳細(xì)的計(jì) 算公式。目前增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的f 。時(shí)間計(jì)算尚未有人提及。 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，理論上轉(zhuǎn)子無基波損耗，轉(zhuǎn)子溫升應(yīng) 該較低，但在實(shí)際中由于磁鋼渦流損耗和諧波損耗等不可避免的問題引起轉(zhuǎn)子 發(fā)熱，溫升增大。針對(duì)作者研制的一臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子 溫升過大現(xiàn)象，本章從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、槽配合以及稀土永磁材料等多方位進(jìn)行 了分析，提出降低轉(zhuǎn)予溫升的解決方法。最后通過實(shí)驗(yàn)得知，磁鋼的渦流損耗 對(duì)轉(zhuǎn)子溫升影響很大。 3 1 增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)f 。時(shí)間研究 t 。時(shí)間計(jì)算是對(duì)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行，并取兩個(gè)計(jì)算值中的較小值 做為該電機(jī)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)溫度組別的f 。時(shí)間。定子表面，時(shí)間是指在最高環(huán)境溫 度下達(dá)到額定運(yùn)行穩(wěn)定溫升后的電動(dòng)機(jī)定子繞組，從開始通入最初起動(dòng)電流時(shí) 計(jì)起直至上升到極限溫度的時(shí)間。轉(zhuǎn)子表面k 時(shí)間是指電動(dòng)機(jī)在最高環(huán)境溫度 下達(dá)到額定運(yùn)行穩(wěn)定溫升后，從轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)開始計(jì)時(shí)，直至轉(zhuǎn)子表面溫度點(diǎn)的溫 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，f 時(shí)間及轉(zhuǎn)子溫升研究 度上升到爆炸性危險(xiǎn)物允許的極限溫度所需要的時(shí)間。電機(jī)的極限溫度是指電 機(jī)所允許的最高溫度，它由爆炸性氣體混合物被點(diǎn)燃的危險(xiǎn)溫度及結(jié)構(gòu)材料的 熱穩(wěn)定性等因素決定。由于稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)損耗較小，功率因數(shù)高，與異 步電機(jī)相比，定子電流小很多，因此增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)定予表面，。時(shí) 間更容易滿足要求，通常只考慮轉(zhuǎn)予表面f ，時(shí)間。 由上述分析知，對(duì)于增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的f ：時(shí)間只需計(jì)及轉(zhuǎn)子表 面，。時(shí)間。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有很大差別。稀土永 磁同步電動(dòng)機(jī)本身無自起動(dòng)能力，采用鼠籠條異步起動(dòng)，同步運(yùn)行，亦即鼠籠 條僅在起動(dòng)過程中有電流流過。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，使鼠籠條的設(shè)計(jì)在空 間上受到較大限制：而且由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體的影響，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī) 的起動(dòng)電流倍數(shù)比異步電機(jī)大。因此，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子r 。時(shí)間的計(jì)算 與異步電動(dòng)機(jī)相比，有很大差異。 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只有鼠籠條和端環(huán)發(fā)熱，而且兩者上韻電流密 度不同，發(fā)熱損耗不同。此外，由于端環(huán)距轉(zhuǎn)子鐵芯較遠(yuǎn)，在較短的時(shí)間內(nèi)兩者 很難達(dá)至n 溫度平衡，因此不能將它們作為等溫體來計(jì)算，需分別計(jì)算鼠籠條，。時(shí) 間0 。和端環(huán)k 時(shí)間0 。電機(jī)轉(zhuǎn)予堵轉(zhuǎn)時(shí)的溫升，可根據(jù)焦耳一楞次效應(yīng)來進(jìn)行 計(jì)算，并應(yīng)考慮鼠籠條和端環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的熱量、鼠籠的熱容量、集膚效應(yīng)等對(duì)鼠 籠條內(nèi)的熱量分布的影響以及轉(zhuǎn)子鐵芯和永磁體的熱傳導(dǎo)等實(shí)際影響因素。 考慮到集膚效應(yīng)和散熱因素的影響，本章完善了稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)f ，時(shí) 間的理論計(jì)算，并對(duì)比了一臺(tái)增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)r s m a 9 2 5 0 一6 的t 。 時(shí)間理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果。 3 1 1 忽略散熱和集膚效應(yīng)時(shí)的f ；時(shí)間計(jì)算 當(dāng)稀士永磁同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行到穩(wěn)定溫升時(shí)，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)予，此時(shí)轉(zhuǎn)差率5 = 1 ， 角速度m = 0 ，轉(zhuǎn)子沒有功率輸出，全部轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子發(fā)熱。因此，在轉(zhuǎn)子鼠籠和鐵 芯中產(chǎn)生的總損耗只：為： 硅北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章增安型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)f 時(shí)間及轉(zhuǎn)子溫升研究 只：= 巧- b 式中： 巧電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)： r 電動(dòng)機(jī)的額定功率，k w 。 堵轉(zhuǎn)t 秒后，鼠籠條和端環(huán)的總發(fā)熱量形為： w = 只2 ， 此時(shí)鼠籠條和端環(huán)的溫升島和靠分別為： ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 吼2 彘熹 浯s ， & = 燾，彘 凈a ， 式中： w 發(fā)熱量，u ： 以鼠籠條的溫升，k ； a o k 端環(huán)的溫升，k ； c 。鼠籠條材料的比熱容，材培k ； c 。端環(huán)材料的比熱容，七，堙k ； m 。鼠籠條總質(zhì)量，堙； m 。