永磁電機概述課件

永磁電機概述INITIALELECTROMAGNETICDESIGNCHOICESA.RadialorAxialFlux?B.Ratings,MotorClasses,andTRV（torque-per-unit-rotorVolume）C.ACorDCControl?D.ChoiceofRotorsE.Pole-NumberSelectionF.Noise,Vibration,CoggingTorque,andTorqueRippleG.WindingArrangementH.MagnetSelectionandPC（permeancecoef?cient）I.SteelSelectionandIronLossJ.InsulationSystems,SlotFill,andMechanicalAspectsofRotorStructureACorDCControl?無刷永磁電機分為兩種類型：AC、DC兩種類型永磁電機的設計有著不同的要求，與其反電動勢波形及轉子位置檢測有關AC：相電流是正弦的，逆變器每個橋臂是180導通，使用位置編碼器，脈寬調制DC：電流波形是梯形的，120導通，用三個霍爾探測器檢測開關位置。因此交流（AC）電機需要由永磁轉子產(chǎn)生正弦的反電動勢

直流電機（DC）需要梯形的反電動勢波形DC運行特性1）對應梯形反電勢的全距和集中繞組2）高的功率密度3）霍爾效應管用于檢測正確的電流開關位置（低損耗）4）適于電力驅動AC運行特性1)

對應正弦反電動勢和平滑運行的分布的分數(shù)槽繞組2)更好的控制及延伸的弱磁3)軸上的旋轉編碼器用以控制電流（高成本）4)適于伺服驅動及驅動需要高質量的弱磁能力ChoiceofRotors轉子的兩種最基本的拓撲有一點突出的表面磁鐵，常用于DC電動機中嵌入式磁鐵，有顯著的凸極，主要用于AC電機圖2表面和內(nèi)置的永磁四極電機紅、藍色是相反極化的磁鐵，灰色是疊片式鐵心a）非凸極的表面磁鐵轉子b）凸極內(nèi)置式磁鐵轉子（IPM）對表面磁鐵非凸極轉子，Xd=Xq，如圖2（a）對凸極轉子，⑴Xq>Xd，其優(yōu)點是峰值轉矩從q軸移一個距d軸約100~120電角的角度，這意味著當電流在q軸上時，若出現(xiàn)一個瞬時過載，將會有一個額外的轉矩將電機拉回正確的觸發(fā)角，防止磁極滑動。⑵凸極同時還提供了一個額外的磁阻轉矩。圖3（a）串聯(lián)充磁并聯(lián)充磁圖3（c）對應凸極電機，穩(wěn)態(tài)等效電路分為d、q兩個電路。在低飽和的情況下，Xd和Xq是相互獨立的，分別對應d軸和q軸的磁阻在高度飽和的情況下，d軸和q軸分量是交叉耦合的。所以Xd=f(Id,Iq)，Xq=f(Id,Iq).這發(fā)生在電流向量超前于q軸時，由圖3可見，將有一個分量位于d軸上，它具有三個作用：有一個負的XdId向量在q軸上。它減少了電動機磁通，減少了高速時的鐵耗它減少了要求逆變器輸出的電壓它引進了一個磁阻轉矩如果轉速超過基本同步速，則需要弱磁，這就需要內(nèi)置式永磁轉子（IPM）。簡單的表面式永磁轉子的弱磁能力受到限制。一般的，三相繞組產(chǎn)生的電流向量應該被放在轉子q軸上，除非要用到弱磁。這是用在高于基本轉速時，當逆變器電壓已經(jīng)達到最大值，而要求的電流最大值不能達到時。逆變器開關時間是超前的，可以達到約15~20電角圖1是一臺小型4極DC控制電機轉矩轉速曲線?？梢钥闯鲛D矩范圍由1500r/min擴展到約2500~3000r/minPole-NumberSelectionDC電機趨向于選擇低極數(shù)，（2,4,6等）ac電機趨向于選擇高極數(shù)（8,12,16等）高的極數(shù)使分數(shù)槽繞組成為可能，極對數(shù)還是電機轉速的函數(shù)。下列幾點是要注意的：1）電機磁通在高頻率下是不能改變的，否則將造成鐵耗過高。在更高轉速下可以用弱磁方法以限制鐵耗2）磁通頻率=轉子旋轉頻率極對數(shù)3）對一般的疊片鐵心，不能超出150~200Hz。4）兩極永磁電機的制造較為困難，繞組端部長，導致?lián)p耗的增加，同時定子鐵心軛部寬，導致電機直徑增加。WindingArrangementAC繞組的設計是為了獲得正弦的開路反電勢波形，DC繞組是要獲得梯形波分數(shù)槽帶繞組常用于AC電機中，斜一個定子槽ACWindings:分數(shù)槽帶繞組常用于AC電機中，斜一個定子槽斜槽、分數(shù)槽：減少齒諧波轉矩分數(shù)槽的好處：平均每對極下的槽數(shù)大為減少以較少數(shù)目的大槽代替數(shù)目較多的小槽可減少槽絕緣占據(jù)的空間，有利于槽滿率的提高增加繞組的短（長）距和分布效應，改善反電動勢波形的正弦性分數(shù)槽繞組電機有可能設計為線圈節(jié)距y=1（集中繞組）可以縮短線圈周長和繞a組端部伸出長度，減少用銅量，各個線圈端部沒有重疊，不必設相間絕緣。分數(shù)槽集中繞組有利于用繞線機進行機械繞線提高工效槽滿率的提高，使線圈周長縮短，銅耗隨之減低進而提高效率和減低溫升減低齒槽轉矩和轉矩波動c）三相受控的正弦電流在轉子q軸上d）三相反電勢e）電磁轉矩DCWinding:DC繞組的結構是要獲得一個梯形反電勢波形，與梯形的電流波形（120導通）相互作用產(chǎn)生一個平滑的轉矩。這需要一個整距集中繞組。圖6顯示一個12槽4極對稱三相繞組中的一相的分布a）2/3短距b）集中整距極距=12/4=3

梯形120導通三相電流短距繞組中的三相反電勢短距繞組的電磁轉矩整距繞組中的反電勢整距繞組的電磁轉矩A相120?導通B相120?導通A相120?導通內(nèi)秉矯頑力Hcj和Hc的區(qū)別：Hc是處于技術飽和磁化后的磁體被反向充磁時，使磁感應強度B降為0所需的反向磁場強度的值，但此時磁體的磁化強度并不為0，只是所加的反向磁場強度與磁體的磁化強度相互抵消，此時若撤銷外磁場，磁體仍具有一定的磁性。Hcj：若外加反向磁場>Hcj，磁鐵的磁性將會基本消除。Hcj是衡量磁體抗退磁能力的一個非常重要的一個物理量，是表征永磁材料抵抗外部反向磁場以保持其原始磁化狀態(tài)的一個主要指標。在圖2-3的坐標下，永磁材料中的磁場滿足：B=0H+0M0-真空磁導率，M-單位體積內(nèi)磁矩的矢量和，稱為磁化強度。其中0M稱為內(nèi)稟磁化強度，用Bi表示，Bi=0M=B+0H,Bi=f(H)稱為內(nèi)稟退磁曲線。典型的不同磁鐵在25°C時的剩磁Br和回復磁導率REC見表ⅢAlnico-鋁鎳鈷合金，F(xiàn)errite-鐵氧體，Sinteredsamariumcobalt-燒結的釤鈷，SinteredNeodymiumironboron-燒結的釹鐵硼，當永磁體處于外加磁場時，工作點為A，當去掉外加磁場時，工作點不是沿著退磁曲線變化，而是到了一個新位置A’如果循環(huán)的改變外磁場，得到一個局部磁滯回線，由于其非常狹窄，故可用一條直線代替，稱為回復線其斜率稱為回復磁導率?；貜痛艑蔙EC

磁能積-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁體蘊含的磁能量越大。磁導系數(shù)PC-又稱退磁系數(shù)。在退磁曲線上磁感應強度Bd與磁場強度Hd的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁體工作點越高，越不容易被退磁。PC可以通過減少氣隙、是磁通路徑縮短及寬的齒和軛來改善，低磁密也可以改善PC磁鐵材料的溫度特性也要考慮進去永久失磁稀土永磁討論小結PC不需要這么高，需要的材料較少，同樣PC可用于確定磁鐵厚度它具有高能量，磁化較困難需預激磁在溫度壓力下可能會退磁現(xiàn)代電機設計技術通常用詳細的分析算法及電磁有限元算法來分析如圖16為8極永磁電機，該電機運行在很高的超前相位下，使有寬范圍的弱磁（1500~6000r/min）并有固有的