稀土永磁電機(jī)的研究與物理場(chǎng)分析

1、稀土永磁電機(jī)的研究與多物理場(chǎng)分析唐唐 任任 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 靠電流靠電流產(chǎn)生產(chǎn)生稀土永磁稀土永磁產(chǎn)生產(chǎn)生稀 土 永 磁 電 機(jī) 與電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合 可以部分替代傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī) 可以實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性能 稀土永磁電機(jī)的發(fā)展方向大功率化 高功能化 微型化 小 型 大 型 功 率體 積重 量幾mW 直徑0.8mm、長(zhǎng)1.2mm 幾十 MW 直徑12m 一百多噸 轉(zhuǎn) 速幾小時(shí)1轉(zhuǎn) 每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn) 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合遍及計(jì)算機(jī)、工程裝備、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、航空、航海、航天、兵器等各個(gè)領(lǐng)域，顯示出了強(qiáng)大生命力。 電機(jī)結(jié)構(gòu)電

2、機(jī)結(jié)構(gòu)也不再局限于傳統(tǒng)的徑向磁通結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了無(wú)鐵心、軸向磁通、橫向磁通、直線(xiàn)、雙定子、雙轉(zhuǎn)子等新型結(jié)構(gòu)。 中國(guó)的稀土資源豐富 我國(guó)釹鐵硼永磁產(chǎn)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)我國(guó)釹鐵硼永磁產(chǎn)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)中國(guó)稀土礦的儲(chǔ)量居世界首位，燒結(jié)釹鐵硼永磁的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的四分之三左右。這一得天獨(dú)厚的豐富資源為中國(guó)稀土永磁電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用提供了極為有利的條件。稀土永磁電機(jī)追求達(dá)到高功率密度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和低速平穩(wěn)性、低振動(dòng)噪聲 電機(jī)的電磁負(fù)荷高，結(jié)構(gòu)新穎而又多樣，增加了設(shè)計(jì)分析、仿真計(jì)算和研究開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。 電機(jī)內(nèi)存在著多種不同類(lèi)型的多場(chǎng)耦合系統(tǒng) 涉及到電磁、機(jī)械、電子、流體、熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科 相互影響 運(yùn)用和發(fā)展多

3、場(chǎng)耦合系統(tǒng)，弄清各種場(chǎng)的分布規(guī)律及其控制技術(shù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析比較和優(yōu)化。 分分 類(lèi)類(lèi)1新型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī) 2永磁發(fā)電機(jī)3交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)4高效異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)1新型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)新型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī) 隨著電動(dòng)車(chē)、磁懸浮列車(chē)和艦船電力推進(jìn)等大功率電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)低速、高轉(zhuǎn)矩密度、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求日益迫切,以減小電機(jī)的體積、重量和原材料的消耗,提高電機(jī)的功率（轉(zhuǎn)矩）密度。軸向磁通（盤(pán)式）永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī)為更好地適應(yīng)這些特殊行業(yè)的需要，在傳統(tǒng)徑向磁通永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了:1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 盤(pán)式永磁電機(jī)的氣隙是平面型的，氣隙磁場(chǎng)是軸向的

4、，可以使電機(jī)制成扁平型，可獲得很高的轉(zhuǎn)矩密度。如制成多氣隙組合式結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩，特別適合于大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)裝置。 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 盤(pán)式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)a) 單邊b) 外轉(zhuǎn)子c) 內(nèi)轉(zhuǎn)子d) 多盤(pán)1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 盤(pán)式永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩密度高，由此帶來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)之一是冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和電機(jī)溫度場(chǎng)分布，需要進(jìn)行三維流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合分析。 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 電機(jī)的溫度場(chǎng)分布取決于冷卻介質(zhì)和損耗的分布，為了能夠獲得電機(jī)溫度的準(zhǔn)確分布，需要建立永磁電機(jī)磁場(chǎng)電路流場(chǎng)溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算模型，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段完成熱性能分析，從而降低試驗(yàn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

5、磁場(chǎng)分布 磁場(chǎng)電路耦合計(jì)算磁場(chǎng)電路耦合計(jì)算 電流波形 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 磁場(chǎng)電路耦合計(jì)算 焦耳熱流場(chǎng)溫度場(chǎng)耦合計(jì)算的熱源 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 流速分布轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)分布電機(jī)整機(jī)的溫度場(chǎng)分布180kW盤(pán)式永磁電機(jī) 其轉(zhuǎn)矩密度達(dá)8.5kN/m2，為傳統(tǒng)電機(jī)的2倍左右。 1.1 盤(pán)式永磁電機(jī)盤(pán)式永磁電機(jī) 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 傳統(tǒng)電機(jī)的齒和槽在同一平面內(nèi)，齒寬和槽寬互相制約。改成橫向磁通電機(jī)后可以使轉(zhuǎn)矩密度相當(dāng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的25倍，特別適用于車(chē)、船等直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。 傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)的磁路1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁

6、通永磁電機(jī) 橫向磁通永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部磁場(chǎng)呈復(fù)雜的三維分布,在轉(zhuǎn)子和定子鐵心的齒部, 磁通沿徑向流通, 而定子鐵心軛部的磁通沿軸向流通, 流通方向相互垂直。 橫向磁通電機(jī)的磁路需要用三維電磁場(chǎng)分析計(jì)算來(lái)弄清其電磁場(chǎng)分布規(guī)律和優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律，進(jìn)而提高其性能。橫向磁通電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu)圖 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 定定 子子 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 電機(jī)磁密分布 端部漏磁很大。 定子齒外端的磁密較低，越往里齒磁密越高，在軛部與齒部的交接面最高。

7、1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 氣隙磁密分布圖 每一個(gè)氣隙帶的磁密分布相間，呈半正弦波形的磁密分布，即一段磁密達(dá)到正的最大幅值，而相連的下一段則出現(xiàn)零磁密。 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 氣隙磁密分布圖 對(duì)于內(nèi)外氣隙磁密帶，分布正好相對(duì)，即外氣隙帶出現(xiàn)磁密正的最大幅值時(shí)，內(nèi)氣隙帶則出現(xiàn)零磁密，反之亦然。 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 15kW橫向磁通永磁電機(jī)照片 功率因數(shù)為0.8，轉(zhuǎn)矩密度為傳統(tǒng)電機(jī)的2.5倍左右。 橫向磁通永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)中 1.2 橫向磁通永磁電機(jī)橫向磁通永磁電機(jī) 傳統(tǒng)電機(jī)的磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，為了減少磁路的磁阻，都選用高磁導(dǎo)率的硅鋼片疊壓制成

8、定、轉(zhuǎn)子鐵心，導(dǎo)致體積大、重量大(鐵心重占總重的60%左右)、損耗大(鐵心損耗占總損耗的20%30%)、振動(dòng)噪聲大(鐵心有齒有槽是產(chǎn)生電磁噪聲的根源)，難以滿(mǎn)足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。 1.3 無(wú)鐵心永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī) 利用釹鐵硼永磁高矯頑力（約900kA/m）的優(yōu)異特性而不用或少用硅鋼片，制成無(wú)鐵心永磁電機(jī)，則電機(jī)的重量可以大幅度下降、效率提高、振動(dòng)噪聲顯著降低，同時(shí)具有更低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、更快的響應(yīng)速度、更寬的調(diào)速范圍、更長(zhǎng)的使用壽命。1.3 無(wú)鐵心永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī) 無(wú)鐵心電機(jī)的三維磁場(chǎng)是開(kāi)域的，分析計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何確定三維開(kāi)域場(chǎng)的邊界條件和對(duì)計(jì)算結(jié)果的有效處理。無(wú)鐵心永磁電機(jī)

9、氣隙表面磁密的矢量分布 無(wú)鐵心電機(jī)磁密矢量分布圖 從圖中可以看出,沿圓周方向,磁場(chǎng)呈周期性分布,在電機(jī)的端部有一個(gè)很大的軸向分量磁密。 1.3 無(wú)鐵心永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī) 已制成的2.2kW 8極無(wú)鐵心永磁電機(jī)的實(shí)物照片，其效率90，功率密度比傳統(tǒng)電機(jī)提高1倍以上，噪聲57dB。 電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子實(shí)物照片 1.3 無(wú)鐵心永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī) 無(wú)鐵心電機(jī)與同規(guī)格無(wú)鐵心電機(jī)與同規(guī)格Y2系列感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的對(duì)比分析系列感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的對(duì)比分析 電機(jī)型號(hào)Y2-132S-8 TYB2200-750 比較結(jié)果中心高132112額定功率/W22002200效 率/78.089.8提高11.8功率因數(shù)0.710.9

10、5提高0.24功率密度/Wkg133.8568.75提高103噪聲/dB(A)7157降低14dB（A）1.3 無(wú)鐵心永磁電機(jī)無(wú)鐵心永磁電機(jī) 該類(lèi)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)車(chē)、電梯、家用電器等要求較高的控制場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。 2 永永 磁磁 發(fā)發(fā) 電電 機(jī)機(jī) 永 磁 發(fā) 電 機(jī) 直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 2.1 直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 當(dāng)前，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，而直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它省去了增速齒輪箱省去了增速齒輪箱，大大大大提高了可

11、靠性和效率提高了可靠性和效率，提高了單位提高了單位kW的的發(fā)電量發(fā)電量。國(guó)內(nèi)已成功開(kāi)發(fā)出13MW的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每分鐘只有十幾轉(zhuǎn)。 單支撐結(jié)構(gòu)的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2.1 直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 2.1 直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 由于電機(jī)結(jié)構(gòu)及受力情況比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的計(jì)算已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，故需采用有限元軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析計(jì)算。 計(jì)算時(shí)對(duì)模型接觸進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，對(duì)模型施加相應(yīng)載荷及約束進(jìn)行強(qiáng)度分析，可得到不同構(gòu)件的位移場(chǎng)分布矢量圖及重力方向位移云圖。2.1 直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子支架位移場(chǎng)分布矢量圖及

12、重力方向位移云圖錐形支撐位移場(chǎng)分布矢量圖及重力方向位移云圖2.2 半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 由于在同樣功率時(shí)，電機(jī)的重量與其轉(zhuǎn)速成反比，MW級(jí)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)重幾十噸，甚至一百多噸，運(yùn)輸和吊裝都比較困難。發(fā)電機(jī)的吊裝圖每臺(tái)電機(jī)用釹鐵硼永磁1噸多。因此又出現(xiàn)了經(jīng)一級(jí)齒輪增速的半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，150200rpm，重量可以成倍減小。半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 2.2 半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 2.3 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中為了保持電壓不變，需要進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)節(jié)。對(duì)于永磁發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速的變化或負(fù)載電流的變化會(huì)造成輸出電

13、壓的變動(dòng)，但由于永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是由永磁體和磁路磁導(dǎo)決定的，調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)困難而導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)困難。 綜合電勵(lì)磁及永磁體勵(lì)磁兩種電機(jī)優(yōu)點(diǎn) 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī) 可以根據(jù)電壓的變化通過(guò)改變電勵(lì)磁電流的大小和方向來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)電壓 實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，免維護(hù)輔助電勵(lì)磁部分的損耗小，保留了永磁發(fā)電機(jī)的高效率特點(diǎn) 2.3 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu) 2.3 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)以一臺(tái)功率為7.5kW、4極混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)為例 樣機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子2.3 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)該電機(jī)具有以下特點(diǎn)： （1）不加電勵(lì)磁時(shí)，發(fā)電機(jī)的固有電壓調(diào)整率為

14、10.72%；加電勵(lì)磁時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率僅在1%的范圍內(nèi) (3) 效率高，在額定負(fù)載時(shí)，效率達(dá)91.26% (4) 空載線(xiàn)電壓波形畸變率小，僅為1.98% (2) 調(diào)節(jié)特性基本呈直線(xiàn)分布，調(diào)節(jié)特性好 2.3 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)3交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 高性能永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快低速平穩(wěn)性好 效率高、功率因數(shù)高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小它廣泛用于機(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)車(chē)、電梯、家用電器等場(chǎng)合。 3.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制 近年來(lái)永磁交流伺服電機(jī)采用槽數(shù)與極數(shù)接近的分?jǐn)?shù)槽繞組越來(lái)越多，通過(guò)三維電磁場(chǎng)分析可得，由于采用槽數(shù)與極數(shù)相近的分?jǐn)?shù)槽繞組，在電機(jī)的

15、漏磁通中存在著齒頂漏磁通。 齒頂漏磁示意圖 永磁體產(chǎn)生的磁通通過(guò)氣隙進(jìn)入定子后，有一部分經(jīng)過(guò)定子齒后又返回轉(zhuǎn)子，并未匝鏈定子繞組，這部分磁通稱(chēng)為齒頂漏磁通。當(dāng)極數(shù)和槽數(shù)相近時(shí)，齒頂漏磁通占整個(gè)漏磁通的比例很大，有的高達(dá)50.4%，需要進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。 3.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制 不同極槽配合的分?jǐn)?shù)槽繞組產(chǎn)生的諧波次數(shù)及大小都是不同的，由此產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小不盡相同，采用有限元分析軟件進(jìn)行場(chǎng)路耦合仿真。 8極9槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線(xiàn) 不同極槽配合下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 極槽數(shù)8-98-368-48轉(zhuǎn)矩波動(dòng)9.4%13.2%17.6%3.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制 對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩需采取

16、多種措施加以抑制，如：3.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制 這些使三維磁場(chǎng)的計(jì)算更為復(fù)雜。優(yōu)化磁極形狀將定子槽斜槽或永磁體斜極增設(shè)輔助槽優(yōu)化極弧因數(shù)措施之一是斜極 在徑向磁通電機(jī)中斜極的永磁體機(jī)構(gòu) 在軸向磁通電機(jī)中的斜極結(jié)構(gòu) 3.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真及抑制 3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 高性能伺服系統(tǒng)要求電機(jī)的振動(dòng)噪聲很低，需要采取振動(dòng)噪聲抑制技術(shù)，為此需要進(jìn)行三維瞬態(tài)磁場(chǎng)-聲場(chǎng)額耦合分析計(jì)算。聲場(chǎng)分析是流體結(jié)構(gòu)相互作用的耦合場(chǎng)計(jì)算，是瞬態(tài)的聲學(xué)分析。流體和結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格界面處的相互作用引起聲壓施加給結(jié)構(gòu)一個(gè)強(qiáng)迫力，并且結(jié)

17、構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)有效的“流體載荷”。 流固耦合邊界標(biāo)志 3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 a）定子四階模態(tài) b） 整機(jī)七階模態(tài) 模 態(tài) 樣機(jī)計(jì)算值/dB(A)實(shí)驗(yàn)值/dB(A)誤差(%)162.860.763.4276.272.515.1382.982.01.1有限元計(jì)算噪聲與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 節(jié)點(diǎn)壓力云圖 節(jié)點(diǎn)位移云圖3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 有限元計(jì)算振動(dòng)速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比樣機(jī)計(jì)算值/ mms-1實(shí)驗(yàn)值/

18、mms-1誤差(%)11.511.531.320.9921.022.7針對(duì)8極9槽、8極36槽和8極48槽三臺(tái)徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)它們的噪聲大小進(jìn)行分析計(jì)算。選取了8極9槽、8極36槽和8極48槽三臺(tái)徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)它們的噪聲大小進(jìn)行分析計(jì)算。 不同極槽配合電磁噪聲的計(jì)算 極槽配合計(jì)算值dB（A） 實(shí)測(cè)值dB（A）誤差(%)8極9槽71.44702.068極36槽55.7659.66.448極48槽54.1450.76.793.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 在由脈寬調(diào)制（PWM）控制的永磁交流電動(dòng)機(jī)組成的系統(tǒng)中，電流開(kāi)關(guān)頻率和時(shí)間諧

19、波的影響更為顯著。電動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)主要取決于以下幾個(gè)因素：（1）極數(shù)和槽數(shù)的配合；（2）工作頻率；（3）逆變器的開(kāi)關(guān)（載波）頻率；（4）機(jī)械固有頻率和系統(tǒng)的模態(tài)。3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 空載聲壓級(jí)隨開(kāi)關(guān)頻率和基波頻率變化 從開(kāi)關(guān)頻率的變化規(guī)律可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)頻率越高，噪聲越低。 3.2三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)三維瞬態(tài)磁場(chǎng)聲場(chǎng)耦合分析電機(jī)的振動(dòng)噪聲的振動(dòng)噪聲 3.3 高精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)高精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 右圖顯示開(kāi)發(fā)的機(jī)床用交流伺服電動(dòng)機(jī) 機(jī)床用交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電機(jī)使用中3.3 高精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)高

20、精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 機(jī)床用交流伺服電機(jī)主要性能指標(biāo) 性能指標(biāo)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 6Nm12Nm22Nm效率/%84.590.989.1功率因數(shù)0.940.970.98轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kgm)0.00250.00840.0125振動(dòng)/(mms-1)1.21.82.5噪聲/dB（A）64.259.974.03.3 高精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)高精度高速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 開(kāi)發(fā)的無(wú)齒輪曳引電梯用永磁同步電機(jī)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要減速箱，工藝更加簡(jiǎn)單，同時(shí)減小體積和重量，提高有效空間的利用率。 2、振動(dòng)小噪聲低，特別是在低速運(yùn)行區(qū)

21、域，優(yōu)勢(shì)更加明顯，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速精度高。傳統(tǒng)的有齒輪曳引電梯的噪聲大部分來(lái)自于齒輪箱產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)和噪聲。 3、由于實(shí)現(xiàn)了無(wú)齒輪調(diào)速，省去了齒輪上的損耗，提高了效率。同時(shí)采用永磁體勵(lì)磁后，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，沒(méi)有勵(lì)磁損耗，也可使效率提高。 4、可布置出各種曳引方式的無(wú)機(jī)房電梯，即使在有機(jī)房和小機(jī)房布置時(shí)也顯示出較高的自由度和靈活度。 5、安全、可靠、舒適度好。 原有齒輪傳動(dòng)的曳引機(jī)，雖然電機(jī)的效率高達(dá)94%，但因齒輪箱的存在，綜合效率僅為65左右，且振動(dòng)噪聲很大，維護(hù)也較困難?，F(xiàn)采用無(wú)齒輪曳引后，效率可提高近25個(gè)百分點(diǎn)，有功節(jié)電率可達(dá)28.9。 3.4 直驅(qū)低速交流永

22、磁伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 電梯電機(jī)實(shí)物照片 曳引機(jī)用交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 電機(jī)磁密分布圖 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 電機(jī)的磁力線(xiàn)分布圖 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)低速交流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 4 超超高效異步起動(dòng)超超高效異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)永磁電動(dòng)機(jī) 據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2006年7月的工作報(bào)告，通過(guò)改善電動(dòng)機(jī)效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7的電能，其中大致有1/41/3是靠提高電動(dòng)機(jī)效率來(lái)獲得的，其余部分則來(lái)自系統(tǒng)的改進(jìn)。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國(guó)都紛紛制訂電動(dòng)機(jī)效率限

23、值，并強(qiáng)制執(zhí)行。 為協(xié)調(diào)各國(guó)能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項(xiàng)新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-30。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動(dòng)機(jī)效率水平分為IE1、IE2、IE3和IE4四級(jí)。 nIE1為標(biāo)準(zhǔn)效率，相當(dāng)于我國(guó)目前生產(chǎn)的普通系列感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率水平 ；nIE2為高效率，比普通電機(jī)的效率平均提高2.75個(gè)百分點(diǎn)，損耗平均下降20左右 ；nIE3為超高效率，即效率再提高1.52個(gè)百分點(diǎn)，損耗平均再降低15左右 ；nIE4為超超高效率，損耗預(yù)計(jì)再下降20左右，需要進(jìn)行全新的電機(jī)設(shè)計(jì)，建立新的體系結(jié)構(gòu)（新的電機(jī)極數(shù)、速度范圍），采用更高性能的材料 。總結(jié)我國(guó)研發(fā)生產(chǎn)高效永磁電動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)可以得出： 永磁電動(dòng)機(jī)

24、容易做到高效率，即達(dá)到IE2級(jí)的效率值。 進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高性能硅鋼片和先進(jìn)工藝，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高性能硅鋼片和先進(jìn)工藝，在降低一個(gè)機(jī)座號(hào)或者縮短鐵心的情況下，可以在降低一個(gè)機(jī)座號(hào)或者縮短鐵心的情況下，可以達(dá)到超高效，即達(dá)到超高效，即IE3級(jí)的效率值。級(jí)的效率值。 在不降低機(jī)座號(hào)或適當(dāng)增加鐵心的情況下，部分規(guī)格可能達(dá)到超超高效，即IE4級(jí)的效率值。 需要說(shuō)明的是，這些產(chǎn)品是在IEC60034-30頒布之前研發(fā)生產(chǎn)的，與IE3和IE4的效率值稍有出入，只要調(diào)整設(shè)計(jì)和優(yōu)化，就可以達(dá)到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。 4.1 三維場(chǎng)路耦合分析起動(dòng)過(guò)程三維場(chǎng)路耦合分析起動(dòng)過(guò)程 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)方面較

25、感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的異步起動(dòng)過(guò)程更為復(fù)雜。采用有限元分析軟件進(jìn)行場(chǎng)路耦合仿真。 起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速曲線(xiàn) 起動(dòng)過(guò)程中T-n曲線(xiàn) 4.1 三維場(chǎng)路耦合分析起動(dòng)過(guò)程三維場(chǎng)路耦合分析起動(dòng)過(guò)程 4.2 化纖紡織用超超高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)化纖紡織用超超高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī) 在相同負(fù)載情況下，化纖紡織用電機(jī)尺寸一般比普通電機(jī)大12個(gè)功率等級(jí)，使得電機(jī)在運(yùn)行時(shí)存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。 國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年研究，所開(kāi)發(fā)的7.5kW 4極、15kW 4極電機(jī)在體積不增大的情況下能夠達(dá)到超高效甚至超超高效性能指標(biāo)。 15kW高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行 與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比綜合節(jié)電率23左右，節(jié)電效果非常明顯。 4.2 化纖紡織用超超高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)化纖紡織用超超高效高牽入轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī) 超超高效高牽入同步永磁同步電動(dòng)機(jī)與IE4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 電機(jī)規(guī)格電機(jī)規(guī)格電機(jī)類(lèi)型電機(jī)類(lèi)型效率