（電機與電器專業(yè)論文）基于halbach陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的研究.pdfVIP

a b s t i 認c t a so n ep a r to ft h en a t i o n a lp r o j e c t8 6 3 ( 2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 0 ) , t e x tc o n c e n t r a t e so nt h e d e s i g na n dm a g n e t i cf i e l da n a l y s i so fd i s kc o r e l e s sp m s mw i t hw e d g ya i r g a pb a s e do n h a l b a c h a sah j i g hp e r f o r m a n c es e r v o - m o t o r , t h e r ea r em a n yc h a r a c t e r i s t i c so fl o wm a s s , c o m p a c ts t r u c t u r e ，l o wn o i s e ，l o wm o m e n to fi n e r t i a , s m a l le l e c t r o m e c h a n i c a lt i m e c o n s t a n t , s t e a d yr u n n i n gs t a t u si nl o ws p e e di nt h ed i s kc o r e l e s sp m s m w i t hw e d g y a i r g a p a sap e r f e c td r i v i n gd e v i c e ，i tc o u l db eu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n e ，r o b o t , e l e c t r i cv e h i c l e ，h o m ea p p l i a n c ea n ds oo n t oo p t i m i z et h em o t o r , d i s kc o r e l e s sp m s mw i t hw e d g ya i r g a pb a s e do nh a l b a c hi s d e v e l o p e di nt e x t , m a k i n gg o o du s eo ft h eo u t e rd i a m e t e r t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yo f t h i sm o t o ri sh e i g h t e n e dt oo b t a i nb e t t e rp e r f o r m a n c eb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fa i r g a p t h ec o r e l e s sp m s m 誦mw e d g y a i r g a pi sa n a l y z e db yf e m n ef e ma n a l y s i sh a sb e e n d o n et op r c v et h a tt h em e t h o dr e d u c i n gt h eo p e nd o m a i ni n t ot h es m a l l e s td o m a i nc a n o b t a i nt h er e s u l t sa p p r o x i m a t et ot h ea c c u r a t er e s u l t s s ot h ei n t e n t i o no fs i m p l i f i c a t i o ni s a c h i e v e d t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c e si ns t r u c t u r eb e t w e e nt h ed i s kc o r e l e s sp m s mw i t l lw e d g y a i r g a pa n dt r a d i t i o n a lp m s m t h e r ea r en oc o r e si nt h em a g n e t i s mc i r c u i te x c e p tp m s l e a km a g n e t i s mc i r c u i ti sv e r yc o m p l e xe s p e c i a l l yw h e nt h es t r u c t u r eo fw e d g ya i 唱a p a d o p t e dc a u s e sm a g n e t i s mc i r c u i ta s y m m e t r i c n ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ed i s kc o r e l e s s p m s mi sa l s od i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s e v e r a lt y p i c a lf o r m u l a sa r eg i v e ni nt h e t e x t t h ed e s i g nm e t h o do fd i s kc o r e l e s sp m s mw i t hw e d g ya i r g a pb a s e do nh a l b a c h a r r a yi ss u m m e du pa n dc a d s o f t w a r ei sc o m p i l e d i nt h et e c h n i c s , m a n yd i f f i c u l t i e sa r e s o l v e ds u c ha st h ei n n e r o u t e rr o t o rs t r u c t u r et e c h n i c s , t h ef i x a t i o no fp m s ，t h ew i n d i n g s p e r f u s i o n ，o r i e n t a t i o na n di n s t a l l a t i o n a n dt h es p e c i a lt e c h n i c se q u i p m e n tf o rt h e m a c h i n i n go ft h ed i s cm o t o rm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n t a tl a s t , t h es a m p l i n gm o t o r so f 2 5 0 wa n d2 5 0 0 wa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d m u c he x p e r i m e n ti sm a d et op r o v et h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ed i s kc o r e l e s sp m s mw i t hw e d g ya i r g a pi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l p m s mw i t hs a m ep o w e r b e c a u s eo ft h es t r u c t u r eo fc o r e l e s sa n dt h ew e d g ya i r g a p c o m p a r e d 、杭t ht h e t r a d i t i o n a lp m s m ，t h em a s si sm u c hl i g h t e ra n dt h ee f f i c i e n c yi sh i g h e ra n dv i b r a t o r y n o i s ei so b v i o u s l yl o w e r e d t h ed i s kc o r e l e s sp m s mw i t hw e d g ya i r g a pc o u l db eu s e di n m a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l ye l e c t r i ca u t o m o b i l e ，s h i pp r o p e l l e r , e l e c t r i ct o o li nh a n d ，m a c h i n e a r ma n ds o o n k e yw o r d s ：h a l b a c ha r r a y ，w e d g ya i r g a p , d i s kc o r e l e s s ，p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名： 夸玢百琵簽字日期：h 7 年月日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解苤盜盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權丕鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名： 夸哲僅舀導師繇秒涉 簽字日期： 如f 7 車_ 月尹日簽字日期：力刃年月尹日 第章緒論 第一章緒論 11 盤式永磁同步電機的國內外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 隨著數(shù)控機床、工業(yè)機器人、機械手、計算機及其外圍設備等高科技產品的 興起和特殊應用如雷達、衛(wèi)星天線等跟蹤系統(tǒng)的需要，對伺服驅動電機提出了更 高的性能指標和薄型安裝結構的要求。為此，世界e 一些先進工業(yè)國家從8 0 年代 初期起，就開始研制盤式永磁同步電動機。 盤式電機又稱軸向磁場電機由于它的定、轉子存在軸向磁吸力以及制造復雜 的缺點被以后發(fā)展起來的常規(guī)電機又稱徑向磁場電機所取代。但徑向磁場電機也存 在很多缺陷，例如，齒根部的“瓶霹現(xiàn)象導致電機散熱和鐵心利用率低等問題一 直困擾著電機工程技術人員。隨著科技的發(fā)展，盤式電機鐵心加t 困難以及定、轉 子存在軸向磁吸力等缺點，通過新的加工工藝和優(yōu)化方案可以得到解決。于是從2 0 世紀4 0 年代起， 們又轉向對軸向磁場電機的研究。研究結糶表明：軸向磁場電機 不但具有較高的功率密度，對丁一些特殊應用場合，它還具有明顯的優(yōu)越性。 近幾年盤式永磁電機隨著市場的需要和設計研究輔助工具的進步而得到了迅 速發(fā)展國內外已開發(fā)了許多不同種類、不同結構的盤式永磁電機，與之相關的研 究領域都取得很大成果。盤式永磁同步電機廣泛應用于伺服系統(tǒng)中如圖1 - 1 所示 為c 有槽雙定子軸向電機，圖l _ 2 所示為e 有定子平衡的單邊軸向電機y i c h e n g c h 鋤， p m s a s e np i l l a y 等對七種不同結構的永磁電機進行比較，見圖i 一3 和圖l _ 4 。a 為常 規(guī)的徑向內轉子，b 徑向外轉子，c 有槽取定子軸向電機d 有槽雙轉子軸向電機， e 有定子平衡的單邊軸向電機，f 有轉予平衡的單邊軸向電機，g 環(huán)行繞組的軸向 電機“。 ：i l | ：磬 圖i l 有槽駁趕予軸向電機圖l 有定子平衡的單邊軸向電機 第一章緒論 國1 0 轉矩密度與功率的關系 n $ ，k w 圖1 4 效率與功率的關系 由圖1 - 3 和圖1 4 可以看出：在額定功率時，軸向電機有很高的功率密度，但是功 率等級增人的| 畝】時其外徑也在增大這時機械動平衡問題尤為突出。雙邊結構的 平衡優(yōu)于單邊結構。 2 0 0 5 年l 丑p p e 唧姒學的a s k op a r v h i n e n 對雙定予單轉子的盤式永磁電機展開 研究并制造了t 臺5 k w 的雙定子單轉子的表面式永磁盤式電槲”如1 t i t l - 5 和削l _ 6 所示：樣機的主要參數(shù)見表l - 1 。 罔】5 表面式結構的轉子圈l 表面式結構的定于 表1 15 k w 的職定予單轉丁水磁盤式電機主要參數(shù) 參數(shù)數(shù)據(jù) 功率，k w 效 v * 徑，m 內封m m 轉甜n 蜘 轉i 封r m 時 相電肘v oi一、埋# 第章緒論 目前，盤式永磁同步電動機在國外得到了迅速發(fā)展作為現(xiàn)代高性能伺服電機 和大力矩直接驅動電機己廣泛應用于機器人等機電一體化產品中，并開始局部地、 無可爭議地取代傳統(tǒng)伺服電機產品。 盤式永磁同步電動機采用永磁體激磁轉子無損耗，電機運行效率高：由于定、 轉子對等排列，定子繞組具肯良好的散熱條件可獲得很高的功率密度。另外，這 種電機轉了的轉動慣量小，機電時間常數(shù)小峰值轉矩和堵轉轉矩高，轉矩重量 比太低速運行平穩(wěn)具有優(yōu)越的動態(tài)性能。但是盤式永磁同步電機為丫減小磁路 的碰阻，選用高磁導率的硅鋼j l 疊壓制成鐵心，鐵心的存在則導致了體積大、重量 大、損耗太、震動噪聲大等問題。如果利用釹鐵硼永磁高矯頑力的優(yōu)異特性而不用 硅鋼片，制成無鐵心電機不但電機重量可蛆大幅度下降、效率也a r 提高，l 旺且振 動、噪聲大大降低。 本課題應用無鐵- t l , 結構和h a l b a c h 永磁體陣列研究基于h a l b a c h 陣列楔形氣 隙盤式無鐵心永磁同步電機。對于無鐵心電機的研究，國內外的文獻相對較少，下 面分別介紹無鐵心電機、h a l b a c h 陣列的應用和盤式無銣0 永磁電機的發(fā)展現(xiàn)狀。 新西蘭奧克蘭大學研發(fā)的無刷無鐵心直流電動刪4 l 采用內定子結構如圖1 - 7 所 示，定轉子均無銣0 ；定子由顰料制造采用三相無槽繞組；轉子上的永磁體粘在 個鋼制的圓環(huán)上，如圖i - g 所示，直接采用矩形永磁體枯在轉子外殼上連接緊 密以增大磁鏈并且保證轉子的表面為圓形以減小噪聲；使用電子換向器來完成低 損耗、低噪音的變速驅動。制造的樣機試驗結果符合理論分析的結果，額定功率為 1 0 0 w ，效率為6 5 。 閣1 4 無刷無鐵一t l , a 斑電動機結構圖1 - 8 永磁體結構示意鼯 柯和張o f o r d ) i 程公司研制了直徑3 5 m m 無刷直流電動機系列n j ，采用了稀 土水磁材料和無鐵心設計，聞而小產生齒槽教戍運轉非常平穩(wěn)。其中一種型式是 集成電了器件型最大輸出功率為7 0 0 w ，f 峰值轉矩為5 4 k g m m 。 國外文獻中h a l b a c h 陣列永磁陣列土要應用在盤式無鐵心永磁直流電機中，在 太陽能電車上的應用如圖l - 9 所示，基本結構如圖卜1 0 所示，設計參數(shù)如表l - 2 所 示。束磁體采用h a l b a c h 水磁體陣列，以增加氣隙磁密，這些措施的采用一方面提 第一章緒論 高了電機的效率，j 司時重量也減輕了，使太陽能電車的整體性能得到了提高例 圖1 - 9 h s ) b a c h 陣列太陽能電車盈l 1 0 盤式永磁直流電機結構圖 表i - 2h a l b a c h 陣列盤式直流電機的設計參數(shù)i 6 l 設計參數(shù)數(shù)據(jù) 功率k w 平自秈r _ m i n 最黼r _ r n i n 1 額定扭射n 1 l l 最大扭矩，n m 最大外徑d o m 最大軸向啪玎r n m 有效材料總l h k 窖 氣隙長d 目m 國外文章中的盤式無鐵心電機如圖i - l l 所示，分別表示的是單定子雙轉子及多 盤結構的盤式無鐵心永磁電機結構示意囤i ”，但只有設計數(shù)據(jù)，并沒有樣機和實驗 數(shù)據(jù)。 寢固俑 圈i - i i 盤式無鐵心永磁l 耐步機 詹 衙 第一章緒論 1 2 本課題研究的目的和意義 本課題是國家8 6 3 計劃項目高性能稀土永磁電機技術集成及關鍵材料 ( 2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 0 ) 的部分研究內容，本課題主要研究內容是進行新型結構釹鐵硼永磁 交流伺服電動初廣_ 甚于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機的設計 與集成技術研究，開發(fā)出這種新型釹鐵硼永磁電機，并解決相應的整機設計和集成 技術問題。在國外，永磁交流伺服電動機的釹鐵硼永磁用量占釹鐵硼永磁材料總產 量的2 0 左右，僅次于音圈電動機( v c m ) ，是釹鐵硼永磁的第二大用戶；在國內， 由于技術經濟上的問題，國產永磁交流伺服電動機至今未能大量應用。與此同時， 高性能的永磁交流伺服電動機及其系統(tǒng)大量依靠進口，我國每年進口工程裝備1 0 0 0 多億美元，僅數(shù)控機床因國產電機和系統(tǒng)不能滿足要求而每年進口2 2 億美元以上。 本課題的完成將改變該類產品主要依靠進口的局面，并將推動我國稀土永磁材料產 業(yè)的發(fā)展，擴展釹鐵硼永磁材料的應用領域和市場容量，充分發(fā)揮我國稀土資源豐 富的優(yōu)勢，其經濟效益和社會效益是十分巨大的。 傳統(tǒng)電機為了減少磁路的磁阻，都選用高磁導率的硅鋼片疊壓而成定、轉子鐵 心，導致體積大、重量大、損耗大、振動噪聲大，難以滿足高性能調速系統(tǒng)的要求。 本設計中的電機利用釹鐵硼永磁材料的高剩磁、高矯頑力的優(yōu)異特性而不用硅鋼片； 利用h a l b a c h 陣列的高聚磁作用，提高氣隙磁密，使之達到所要求的指標，制成無 鐵心永磁電機；同時創(chuàng)新設計了楔形氣隙結構，使得整個電機的等效氣隙相應變小， 進一步提高了氣隙磁密。因此電機的重量大大減輕，電機的效率提高，轉矩波動小， 振動噪聲明顯減小，同時轉動慣量也減小，響應速度加快，電機具有更好的動態(tài)性 能。特別適合一些特殊的應用場合比如電動汽車、船用推進器、手持電動工具、機 械臂等等。 1 3 本課題完成的工作 作為- 4 種新型電機，基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結 構和設計計算方法與普通永磁電機相差很大。常規(guī)電機的某些設計規(guī)則1 i 適于基于 h a l b a c h 陣列的盤式無鐵心永磁同步電機，必須針對該電機自身的特點，結合具體應 用中的限制因素，制定適用于該類電機的設計規(guī)則。豐要工作包括： 1 ) 結合盤式永磁同步電動機的結構和特點，介紹盤式無鐵心永磁同步電機。 2 ) 利用有限元方法對楔形氣隙結構的電機進行電磁場仿真分析及計算，并解決 了三維開域磁場的簡化問題，同時分析了h a l b a c h 陣列應用于該電機的優(yōu)勢。 3 ) 在均勻氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的基礎上優(yōu)化設計出楔形氣隙結構電 第一章緒論 機，比較楔形氣隙和均勻氣隙結構電機的異同。 4 ) 盤式無鐵心永磁同步電動機在結構上與普通永磁電動機有很多不同之處，本 課題采用了楔形氣隙結構后，磁路呈非均勻性，結合已有的關于盤式電機和永磁電 機的參數(shù)計算方法創(chuàng)新歸納出基于h a l b a c h 陣列楔形盤式無鐵心永磁同步電機的電 磁計算程序：并以場路結合的方法對電機進行優(yōu)化設計，總結出優(yōu)化設計規(guī)律，并 編制出了一套電磁設計計算的c a d 軟件。 5 ) 在理論分析和磁場仿真相結合的基礎上，初步設計了2 5 0 w 和2 5 0 0 w 的兩 臺樣機，同時對樣機中定、轉子加工中的一些問題進行了分析研究。由于這種電機 的結構特殊，工藝難度很大，因此線圈安放定位困難，尺寸精度要求嚴格。 國對樣機進行一系列的試驗，試驗結果與同規(guī)格的其他樣機進行性能比較分 析，進一步完善該類電機。 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 2 1 永磁同步電動機的基本結構 電機是一種以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。為了建立進 行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以通過兩種方法：一種是在電機繞組內通以 電流來產生磁場，這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不 斷供給能量以維持電流流動；另一種是由永磁體來產生磁場，由于永磁材料的固有 特性，它經過預先磁化( 充磁) 以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁 場，這既可簡化電機結構，又可節(jié)約能景。 永磁電機就是第二種電能與機械能轉化的電機，永磁電機的發(fā)展是與永磁材料 的發(fā)展密切相關的【8 j 。2 0 世紀3 0 年代出現(xiàn)鋁鎳鈷永磁材料，5 0 年代出現(xiàn)鐵氧體永 磁材料，但鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低，鐵氧體永磁的剩磁密度不高，限制了它們在 電機上的應用范圍。直到2 0 世紀6 0 年代和8 0 年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁相繼 問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別 適合于制造電機，釹鐵硼是目前磁性能最高的永磁材料，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn) 定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低，從而使永磁電機的發(fā)展進入了一個新的 歷史時期。 與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單、運 行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯 著優(yōu)點。應用范圍遍及航空航天、國防、工農業(yè)生產和日常生活的各個領域。永磁 電機的幾種典型為i 剮： ( 1 ) 永磁同步發(fā)電機 永磁同步發(fā)電機不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，也就取消了容易出問題的集 電環(huán)和電刷裝置，成為無刷電機，因此結構簡單，運行更為可靠。采用稀土永磁后 還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值。這些都可以縮小電機體積，減 輕質量，提高功率質量比。 稀土永磁發(fā)電機特別適合于航空、航r 人和其他要求高可靠性和高功率質量比的 場合，另一個重要應用是用作大型氣輪發(fā)電機的副勵磁機。在風力發(fā)電、余熱發(fā)電、 小型水力發(fā)電、小型內燃發(fā)電機組等場合也正在逐步推廣應用永磁發(fā)電機。 ( 2 ) 調速永磁同步電動機和無刷直流電動機 隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展和器件價格的不斷降低，人們越來越多地川變頻 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 電源和交流電動機組成交流調速系統(tǒng)來代替直流電動機調速系統(tǒng)。在交流電動機中， 永磁同步電動機的轉速在穩(wěn)定運行時與電源頻率保持恒定的關系，這一固有特性使 得它可直接用于開環(huán)的變頻調速系統(tǒng)，尤其適用于由同一變頻電源供電的多臺電機 要求準確同步的傳動系統(tǒng)中，這可以簡化控制系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)無刷運行，而且較 高的效率和功率因數(shù)可以減小價格昂貴的配套變頻電源的容量，因而在各種調速系 統(tǒng)中的應用越米越廣泛。這類電機通常由變頻器頻率的逐步提高來起動，在轉子上 可以不設置起動繞組。與過去使用的直流電動機相比，體積減小6 0 左右，總損耗 降低2 0 左右，而且省去了電刷和換向器，維護方便。圖2 1 為艦船推進用1 0 9 5 k w 稀土永磁同步電動機。 定子鐵心 轉子鐵心 a ) 剖面圖 線圈 永磁體 磁性材料非磁性材科 砩磁極結構圖 圖2 - 11 0 9 5 k w 永磁同步電動機 變頻器供電的永磁同步電動機加卜轉子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構成自同步永磁電動 機，既具有電勵磁直流電動機的優(yōu)異調速性能，又實現(xiàn)了無刷化，這在要求高控制 精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、 計算機外圍設備和家用電器等方面都獲得了廣泛應用。其中反電動勢波形都是矩形 波的電動機，通常義稱為無刷直流電動機；反電動勢波形和供電電流波形都是正弦 波的電動機，稱為止弦波永磁同步電動機，簡稱永磁同步電動機。 電動汽車是當前汽車發(fā)展的新方向，一些發(fā)達國家每年均投入大量經費刖于研 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 究和開發(fā)，其中電機和傳動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，稀土永磁電機以其體積小、效 率高、性能優(yōu)異而成為各國研制新一代電動汽車的首選方案。圖2 - 2 為電動汽車用 裝入車輪輪轂直接驅動的外轉子稀土永磁同步電動機的結構示意圖。 圖2 - 2 電動車用輪轂電動機結構示意圖 ( 3 ) 永磁同步電動機 永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率 因數(shù)( 可達到1 、甚至容性) ，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行 時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇( 小容量電機甚至可以去 掉風扇) 和相應的風摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應電動機可提高加8 個百分 點。而且，永磁同步電動機在2 5 - 1 2 0 額定負載范圍內均可保持較高的效率和功 率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組， 具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力，所以又稱異步起動永磁同步電動機。由 于釹鐵硼永磁同步電動機價格比同規(guī)格的感應電動機貴l 倍左右，應用前需進行經 濟比較分析，目前主要應用于紡織化工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運行時問長的風機、 水泵等。圖2 3 為高效永磁同步電動機結構示意圖。 圖2 - 3 高效永磁同步電動機結構示意圖 1 一轉軸2 一軸承3 一端蓋4 一定子繞組5 一機座6 一定子鐵心 7 一轉了鐵心8 一永磁體9 一起動籠l o 一風扇l l 一風罩 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 國內許多高校和研究單位自8 0 年開始進行高效永磁同步電動機的研制，取得了 明顯的節(jié)能效果。例如0 8 千瓦紡織專用永磁同步電動機，效率高達9 1 ，功率因 數(shù)高于0 9 5 ，節(jié)電率高達1 0 以上，已經進行批量生產并獲得用戶部門的一致好評。 與電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機省去了勵磁功率，提高了效率，簡 化了結構，實現(xiàn)了無刷化。特別是1 0 0 1 0 0 0 k w 電動機，還可以省去勵磁柜，總成 本增加不多。永磁同步電動機制成以后難以調節(jié)勵磁以控制其功率因數(shù)和無功功率， 需要從其他方面采取措施。 永磁同步電動機由定子、轉子和端蓋等部件構成。定子與普通感應電動機基本 相同，也采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。轉子鐵心可以做成實心的，也 可以用疊片疊壓而成。電樞繞組既有采用集中整距繞組的，也有采用分布短距繞組 和非常規(guī)繞組的。永磁同步電動機還分矩形波永磁同步電動機和正弦波永磁同步電 動機。本研究的楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機屬于永磁電機中的正弦波永磁 同步電動機。 2 2 盤式永磁同步電動機的基本結構和特點 早在1 8 2 1 年，法拉第發(fā)明的世界上第一臺電機就是軸向磁場的盤式永磁電機， 但限于當時的材料和工藝水平，盤式永磁電機未能得到進一步發(fā)展。隨著稀土永磁 材料的應用以及工藝水平的快速發(fā)展，永磁材料、加工工藝等問題都已經得到解決， 軸向磁場盤式永磁同步電動機得到了重視和發(fā)展。盤式永磁同步電動機的典型結構 如圖2 - 4 【9 】o 永 圖2 _ 4 盤式永磁同步電動機( 中問轉子結構) 定、轉子均為網(wǎng)盤形，在電機中對等放置，產生軸向的氣隙磁場。定子鐵心由 雙面絕緣的冷軋硅鋼片帶料卷繞而成，繞組導體沿徑向放置。轉子為高磁能積的永 第二章基于h a i b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 磁薄鋼片和強化纖維塑料構成的薄圓盤。繞組一般采用常見的疊繞組或波繞組聯(lián)結 方式。 近年來盤式永磁同步電機發(fā)展迅速，按照轉子數(shù)量和相對位置可分為： ( 1 ) 中間定子結構，由雙轉子和單定子組成雙氣隙結構( 2 5 ( a ) ) ； ( 2 ) 中間轉子結構，由雙定子和單轉子組成雙氣隙結構( 2 5 ( b ) ) ； ( 3 ) 單定子、單轉子結構( 2 - 5 ( c ) ) ，這種結構最簡單，但在定子中會引起損耗， 導致電機的功率降低。 ( 4 ) 多盤式結構， l 疋 由多定子和多轉子交錯排列組成多氣隙( 2 - 5 ( d ) ) ； l l 吲 e 心 由 l = ；日 鞭 鎏 】 l 蕊 l l ： ! l 淤l a ) 中間定子結構 轉子永 b ) 中間轉子結構 子鐵心 c ) 單定子、單轉子結構d ) 多盤式結構 圖2 - 5 盤式永磁同步電動機的4 種基本結構 盤式永磁同步電動機的結構由雙轉子夾中間定子型向中間轉子型轉化，并向多 定子多轉子交錯結構方向發(fā)展。因為中間轉子結構町使得電機獲得最小的轉動慣量 和最優(yōu)的散熱條件。 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 盤式永磁同步電動機特點：該種電機軸向尺寸短、結構緊湊：由于定轉子對等 排列，定子繞組具有很好的散熱條件，可以獲得很高的功率密度。電機轉子的機電 時間常數(shù)小，峰值轉矩和堵轉轉矩高，轉矩與質量比值大，低速運行平穩(wěn)，具有優(yōu) 越的動態(tài)性制引。已經廣泛用于機器人、數(shù)控機床等高精度的系統(tǒng)中。除此以外， 這種電機還可以制成多氣隙組合式結構，進一步提高電機出力，特別適合于大力矩 直接驅動裝置。 2 3 基于h a l b a c h 陣列均勻氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機結構及性能 2 3 1h a l b a c h 永磁體陣列 2 0 世紀8 0 年代美國勞倫斯伯克利國家實驗室的k l a u sh a l b a c h 教授最先提出了 h a l b a c h 永磁體陣列的概念，并在八、九十年代被許多研究機構相繼應用于新一代的 粒子加速器、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高能物理領域。因其具有許多優(yōu) 良的特性，2 0 世紀9 0 年代中期，國際上逐漸開始重視其在電機領域的應用。通常 的永磁電機設計，永磁體多采用徑向或切向陣列結構，h a l b a c h 陣列永磁體陣列是將 徑向與切向陣列結合在一起，合成的結果使一側的磁場增強而另一側的磁場減弱。 h a l b a c h 永磁體陣列的基本結構如圖2 - 6 ( c ) 所示，傳統(tǒng)設計中永磁體的排列方式多采 用徑向或切向結構，如圖2 6 ( a ) 、所示1 1u j 。 國畫 ( c ) 圖2 - 6a ) 徑向結構b ) 切向結構c ) h a l b a c h 陣列 h a l b a c h 永磁體陣列具有一些適用于電機的優(yōu)良特性【l o 】： h a l b a c h 永磁體陣列可以得到在空間按理想正弦分布的磁場，可大大減弱電 機的齒槽效應力矩。即使采用每極較少的永磁體段數(shù)，也可以得到和理想h a l b a c h 永 磁體陣列類似的磁場分布。這些特點使得采用h a l b a c h 永磁體陣列的電機齒槽效應 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 力矩幾乎可以忽略不計，有利于提高電機的性能。采用較少段數(shù)的h a l b a c h 陣列以 及簡單繞組和定、轉子非斜槽結構，就可以得到理想的正弦分布的磁場，制造電機 的成本降低。 h a l b a c h 永磁體陣列的一側磁場很強，另一側很弱。這一特性有助于提高電 機氣隙中的磁密，從而提高電機的力能密度和縮小電機體積。同時，可以大大減弱 電機軛部的磁通，即該陣列具有磁自屏蔽特性。既可以大大減小電機本體的漏磁現(xiàn) 象，減少電機對外部環(huán)境的電磁干擾；又可以減少軛部鐵心的質量，有助于降低成 本；還可以使電機轉子的質量和轉動慣量相應變小，有助于提高電機的動態(tài)特性。 h a l b a c h 永磁體陣列可以提高電機的效率。與常規(guī)的永磁體徑向勵磁結構的 電機相比，采用h a l b a c h 陣列電機的空載損耗降低。 采用h a l b a c h 永磁體陣列，可以降低電機的電磁力矩脈動，降低對電機軸承 的要求。 h a l b a c h 永磁體陣列按其加工方式，主要有兩種：一種是整體環(huán)形充磁；另一種 是拼裝。在本設計中采用的是拼裝h a l b a c h 永磁體陣列。雖然理論上來說，整體環(huán) 形充磁的效果要理想，但就現(xiàn)有技術來說整體環(huán)形充磁的工藝還不完善，技術性能 達不到，而且拼裝工藝也能得到比較滿意的結果，是目前主要采用的方法。 h a l b a c h 永磁體陣列按照構成每極的塊數(shù)的不同可以分成每極2 塊( 9 0 0 ) 、3 塊( 6 0 l ) 和4 塊( 4 5 0 ) 幾種不同的結構【6 j ，其示意圖如圖2 7 所示。 。 “ ， 。 6 0 0 i ，7 ，c 鞭悉轡甄礤臻蘺騫蒸l 善黼霹：j ，；i f 毫贏；礦鼉謄受緩赫。矗冬隧彝墨墨j 。) 一魚奪 ! 一 ，強i 冕靜魏撼j 茲聰鸚，繡毒懋簿取磐， 。： 淹燃縋 、鎏l 蘧翔聿! 礤麓糍警搿。，j 圖2 72 塊( 9 0 0 ) 、3j 央( 6 0 0 ) 和4 塊( 4 霸h a l b a c h 永磁體陣列 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 2 3 2 均勻氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機的結構 傳統(tǒng)盤式永磁同步電動機為了減小磁路的磁阻，選用高磁導率的硅鋼片疊壓制 成鐵心，鐵心的存在則導致了體積大、重量大、損耗大、振動噪聲大等問題。如果 利用釹鐵硼永磁高矯頑力的優(yōu)異特性而不用硅鋼片，制成盤式無鐵心電機，不但電 機重量可以大幅度下降、還可以降低振動噪聲，同時效率也可提高。盤式無鐵心永 磁同步電機，電樞無槽無鐵心，由繞組注塑而成，可以減少由齒槽效應引起的電磁 轉矩脈動以及鐵心帶來的一些弊端。 本文中均勻氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機的基本結構如圖2 8 所示，該電機 外殼為鋁殼，整個電機無任何鐵磁物質，且無齒無槽：轉子部分選用了具有高矯頑 力和高剩磁密度的釹鐵硼永磁材料，永磁體采用一種特殊的排列方式_ h a l b a c h 陣列；電機采用外轉子結構，將永磁體直接粘到外殼上，避免了永磁體和外殼相互 運動產生的渦流損耗；定子電樞采用無鐵心結構，直接由繞組注塑而成?？紤]n # i - 轉子軸安裝的復雜，本設計也研制了內轉子結構電機。 弭 ， ，。 ， ，。 秘m t l 墨呈 江 三 冬 e j g l - 章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永敲同步電機的結構 2 4 基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙結構盤式無鐵心永磁同步電動機 由于本設計的盤式無鐵心永磁同步電機無齒無槽，相對于傳統(tǒng)電機中的梢滿率， 本設計創(chuàng)新定義導體占空比代替槽滿率。由于本設計的電機繞組匝數(shù)在內外徑處是 一樣的，如果是均勻氣蹤，則其在內徑和外徑處的導體占空比差異很大特別是大 功率電機。而內徑處的導體占空比是制約電磁負荷的主要因素，在外徑處的導體占 空比則有很大的裕度。 為了充分利用外徑處的空問，本文將內外徑處的導體占空比設計成相同值創(chuàng) 新提出楔形氣隙結構，這樣在外徑處的氣隙長度就可以變小，整個電機的等效氣隙 長度也相應變小，進一步提高氣隙磁密有利于電機力能指標的提高。楔形氣隙結 構示意圖和外轉子剖面圖如圖2 - 9 所示。 圖2 - 9 楔形氣隙結構整體示意圈和外轉子剖面圖 圖中可以明顯看出：內徑處的氣隙長度最大，外徑處長度最小?；趆 a l h a c h 陣列的楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機是建立在均勻氣隙結構電機的基礎上， 在此基礎進行優(yōu)化設計，楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電動機采用了每板4 塊1 4 5 ) 的h a l b a c h 永磁陣列。針對圖2 - 9 結構共設計了四臺樣機( 內轉子外轉子) 楔形氣隙結 構電機大功率和小功率均勻氣隙和楔形氣隙電機的基本設計參數(shù)比較如表2 - l 、表 2 - 2 所示。由表看出：楔形氣隙結構電機和均勻氣隙結構電機的設計參數(shù)基本一致， 只是軸向氣隙長度和導體厚度有所不同。 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 表2 1 小功率兩種結構盤式無鐵心電機的設計數(shù)據(jù) 設計參數(shù)楔形氣隙結構 均勻氣隙結構 功率，a v 2 5 02 0 0 轉速( r m i n 1 ) 3 7 5 3 7 5 相數(shù)m 3 ( y 接)3 ( y 接) 輸入頻率f h z 5 05 0 極對數(shù)p 88 線圈數(shù)( 3 相)4 84 8 每相串聯(lián)匝數(shù) 6 4 06 4 0 線徑d m ml o 61 o 6 永磁體內徑現(xiàn)m m 1 0 41 0 4 永磁體外徑i 刪，m m 1 8 01 8 0 8 ( 內徑處) 氣隙萬m m 8 5 4 ( 外徑處) 6 ( 內徑處) 繞組厚度l l m m6 3 4 ( 外徑處) 永磁體厚度仃l m ( 單側) 66 效率r ( ) 8 38 3 功率因數(shù)c o s ( p o 9 9o 9 9 絕緣等級 ff 表2 - 2 大功率兩種結構盤式無鐵心電機的設計數(shù)據(jù) 設計參數(shù)楔形氣隙結構均勻氣隙結構 功率a v 2 5 0 0 2 5 0 0 轉速( r - m i n 。1 ) 3 7 53 7 5 年1 i 數(shù)m3 ( y 接)3 ( y 接) 輸入頻率f h z 5 05 0 極對數(shù)p 88 線圈數(shù)( 3 相) 4 8 4 8 每相串聯(lián)匝數(shù) 2 0 82 0 8 線徑d l m m 3 1 0 93 1 0 9 永磁體內徑鞏m m 2 0 8 2 0 8 永磁體外徑n 。，m m 3 6 03 6 0 6 第二章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機的結構 1 2 ( 內徑處) 氣隙萬m m1 2 8 ( 外徑處) l o ( 內徑處) 繞組厚度l m m1 0 6 ( 外徑處) 永磁體厚度m m ( 單側) 66 效率r l ( ) 9 39 3 功率因數(shù)c o s q ) 0 9 90 9 9 絕緣等級ff 在這種電機的設計及加工方面還缺乏經驗，由于其結構的特殊性，特別是楔形 氣隙結構，樣機的工藝實現(xiàn)的難度更大。 此類電機具有體積小，重量輕，適于薄型安裝場合，無刷，高效，高能量密度 等特點。小功率電機特別適合于電動車領域，作為一種環(huán)保、節(jié)能的新型交通工具， 未來社會電動車的發(fā)展空間很大，而電動車用電機的發(fā)展前景也是非常巨大的；大 功率電機適合于船用推動器等。 本課題研發(fā)的基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙結構盤式無鐵心永磁同步電動機，和 等效的圓柱型電機相比質量大為降低，振動、噪聲大大降低，位置控制精度提高， 作為新一代永磁交流伺服電動機在數(shù)控機床、機器人、電動車、電梯、家用電器等 場合具有廣闊的應用前景。不僅可以替代進口，還可發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢， 變稀土永磁出口為高性能稀土永磁電機和系統(tǒng)出口，大量出口創(chuàng)匯。而且可以用高 性能的稀土永磁電機來提高所配備技術裝備的性能，改造和提升傳統(tǒng)機械行業(yè)，提 高在國際市場的競爭力。 過去主要制約永磁交流伺服同步電動機推廣應用的因素是變頻器的價格和可靠 性。近年來由于電力電子元器件和技術的迅猛發(fā)展，變頻器的價格大幅度降低，可 靠性提高，己不再是主要制約岡素。只要電機的技術經濟性能滿足要求，目前已經 具備了大面積推廣應用的條件。 第三三章基于h m b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機磁場分析與研究 第三章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機磁場分 析與研究 3 1 電磁場的理論基礎 麥克斯韋萬程是電磁場的基本萬欄，是研冗電機電锨場明理論基石出。電機甲一 般不存在靜止的電荷，因此在不計娑和p 的情況下，麥克斯韋方程組可簡化為【l l 】： o t r o t 再= 了 ( 3 1 ) r o t - k = 一_ a b ( 3 2 ) at 、。 d i v b = 0 ( 3 3 ) d i v d ：0 o - 4 ) 其中 萬一一磁場強度( a m ) 了傳導電流密度( ，m 2 ) 面電場強度( v m ) 一b 磁感應( 1 ) 五電位= - - 修m 2 ) 一般形式的麥克斯韋方程適用于隨時間按任何規(guī)律變化的電磁場。電機工程實 踐中，經常研究的是隨時間按正弦規(guī)律變化的電磁場( 如是非正弦變化的，可以分 解為基波和各次諧波來分別處理) 與此對應的復數(shù)形式的麥克斯韋方程組為： r o t h = ，+ j c o d ( 3 - 5 ) r o t e = 一j 彩b ( 3 - 6 ) d i v b = 0 ( 3 7 ) d i v d = 0 ( 3 - 8 ) 上述麥克斯韋方程組，不管有關材料的性質如何，在工程上都是適用的。但在 具體計算中會遇到很多問題。其中之一就是方程式少而要求的未知量多，這顯然無 第三章基于h a l b a c h 陣列楔形氣隙盤式無鐵心永磁同步電機磁場分析與研究 法求解。要使方程的數(shù)目增加，還必須利用成分方程，若媒質是各向同性的，則它 在電磁場作用下，其宏觀電磁特性關系式為i 1 ： d = 6 e = c , c o e 了：盯秀 b = “h = p r h 其中s 介電常數(shù)( f m ) s ，相對介電常數(shù) 島真空介電常數(shù)( 8 8 5 x 1 0 - 1 2f m ) 仃電導率( s m ) 磁導率( h m ) 所相對磁導率 真空磁導率( 4 萬x 1 0 - 7h m ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 對于線性媒質，它們是常數(shù)；對于非線性媒質，它們是隨場強的變化而變化的。 以上各式和麥克斯韋方程組合在一起，足以求解所需要的未知量。但從計算的 觀點來看，極少用麥克斯韋方程去直接求解。因為方程中待求的量太多。如果以位 函數(shù)來描寫場，如標量位或矢量位，待求量的數(shù)目可以減少。 麥克斯韋方程組的微分形式，只適用于媒質的物理性質( 由，占和盯等參數(shù)來 表征) 處處連續(xù)的空間。但是在電機中經常要遇到媒質的性質在一個或多個界面處 有突變的情況。因而不同媒質的分界面處的場矢量萬、霄、否和歷也會有不連續(xù)的 突變情況出現(xiàn)。所以，對于這些交變界面上的各點來說，麥克斯韋方程組的微分形 式已失去意義而必須去