极槽配合对永磁同步电机性能的影响
摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。
关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力
Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet
Synchronous Motor
Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination.
Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force
1引言
永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠，且其调速性能优越，克服了直流伺服电动机机械式换向器和电刷带来的一系列限制[1]。永磁同步电机在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机越来越广泛地应用于高性能、
高精度的伺服系统中[2]。然而永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心相互作用，产生齿槽转矩，齿槽转矩产生于转子永磁体与定子齿之间的切向力，是永磁体磁极与定子槽相互作用的结果。即使定子中没有电流也会存在。齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，影响位置及速度控制系统的性能特别是低速系统的性能和精度。而电机的主要噪声源为径向电磁力，电机的不平衡径向电磁力作用于定子，使定子振动而辐射噪声。因此改善径向电磁力成为降低电机噪声的重要举措。研究径向磁拉力的方法主要有解析法和数值法[3]。我们有必要研究齿槽转矩和不平衡径向电磁力的抑制方法。
近年来国内外针对永磁电机的齿槽转矩进行了大量研究，一些学者使用解析法分析了永磁电机的齿槽转矩并推导了齿槽转矩的表达式，针对影响齿槽转矩的不同因素，提出了许多抑制齿槽转矩的措施，如采用分数槽配合、定子斜槽转子斜极、优化极弧系数、优化磁极形状、磁极分块优化、不等齿靴宽度、磁极不对称放置、增加辅助槽等。以上是一些具体的削弱齿槽转矩措施,在实际当中需要结合电机的基本尺寸,如磁钢厚度、槽开口、气隙长度等，进行多参数优化设计，从而对电机的齿槽转矩进行有效削弱[2, 4-7]。
文献[8]中研究了转子上的径向电磁力的特性，指出电机的不平衡径向电磁力与齿槽配合有密切关系，如9槽8极和3槽2极这些槽数与极数相差1的槽配合转子上会有不平衡磁拉力出现，径向磁拉力的主要频率为2倍的电频率，会随着负载的增大而有所增大，这些槽配合在对振动要求高的场合中应尽量避免，对于径向电磁力，由于现有解析法未考虑槽型变化、磁路饱和等因素，不能精确计算；而计算机技术快速发展，数值法尤其是有限元法，越来越多地应用于径向力波分析[8]。
本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论结果的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。
2 齿槽转矩产生机理及分析
2.1 齿槽转矩产生机理
永磁同步电机的齿槽转矩本质上是电枢绕组不通电时，由永磁体产生的磁场与电枢齿槽相互作用使得定转子之间气隙磁导发生变化而产生的转矩。齿槽转矩相对于旋转方向的空间机械角度呈现周期性的变化，周期大小由永磁电机的磁极数与槽数决定[9]。实际上齿槽转矩是转子转动时电机中的静磁能变化率。由于永磁体和铁心中的静磁能变化很小可以忽略，故电机的静磁能近似等于气隙中的静磁能。当铁心有齿槽时，磁场能量随定子和转子的相对位置发生变化，并向着磁能积变小的方向产生转矩，即齿槽转矩。由于永磁电机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，由此趋势会产生振荡转矩。它也称为齿槽定位力矩。
齿槽转矩与定子的电流无关，是定转子相对位置的函数，电机齿槽的结构和尺寸对齿槽转矩有很大影响，因此分析和计算齿槽转矩的关键是能够准确考虑齿槽结构对电机气隙磁场的影响。当电机旋转时，齿槽转矩表现为一种附加的脉动转矩，虽然它不会使电动机平均有效转矩增加或者减少，但它引起速度波动、电机振动和噪声，特别是在轻负荷和低速时显得更加明显。在变速驱动时，如果齿槽转矩频率接近系统固有频率，可能产生谐振和强烈噪声。另外，齿槽转矩增加了最初的起动转矩，这对于一些无传感器控制方式就比较敏感。
2.2 齿槽转矩解析表达式
齿槽转矩可以表示为电机内的磁场能量W 相对于位置角的导数，假设铁心的磁导率无穷大，电机内的磁场能量可近似为永磁体与气隙内磁场能量之和。基于相对气隙磁导和气隙磁密平方的傅里叶变换，可推导得到齿槽转矩的解析表达式[6, 7, 10, 11]
22
21102()()sin()4p
p
Fe cog nN nN z p r n p
zL T R R nG B nN z πααμ∞
==-∑
(1)
式中：Z 为定子槽数，L Fe 为电机轴向长度，R 1和R 2为气隙的内半径和外半径，μ0为真空磁导率，G nNp 为相对气隙磁导平方的傅里叶分解系数，B r( nNpZ /2p) 为永磁体产生的气隙磁密平方的傅里叶分解系数，N p 可表示为
(2)
其中：p 为极对数，GCD 为最大公约数[7]。气隙相对磁导的平方和气隙磁密平方的特定的傅里叶分解系数对齿槽转矩有重要影响，因此齿槽转矩的削弱措施主要分为两类，一类是通过改变永磁体的气隙磁密，削弱对齿槽转矩有影响的傅里叶分解次数B r( nNpz /2p)，一类为改变相对气隙磁导，削弱傅里叶分解次数G nNp 。 极槽配合的优化属于第一类方式。分析式(1) 可知，齿槽转矩仅与Npz /2p 的整数倍次傅里叶分解系数有关。因此，通过选择合理的极槽配合，以获得较小的B r( nNpZ /2p)，从而可以削弱齿槽转矩。
3 径向力解析模型及分析
电机的主要噪声源为不平衡径向电磁力，其作用于定子，使定子振动而辐射噪声。因此改善不平衡径向电磁力成为降低电机噪声的重要举措。目前研究径向电磁力的方法主要有解析法和数值法。永磁同步电机的径向力可以用麦克斯韦应力张量法进行求取，由Maxwell 定律，径向电磁力由电机气隙磁场产生，并作用于定子铁心内表面单位面积上，正比于磁通密度的平方：
(3)
其中： p n (θ,t)为径向力密度；μ0为空气磁导率； b (θ,t)为气隙磁密，b r 为气隙切向磁密，θ为空间角度，t 为
时间[3]
。由于磁力线进出铁心时几乎垂直于铁心表面，交界面上的切向磁密近似为0，故可得上式。
当忽略铁心中的磁位差时，气隙磁密为：
(4)
其中：λ(θ,t)为气隙磁导；f (θ,t)为气隙磁势。
气隙磁导直接引起径向电磁力波的变化，气隙磁导由4部分组成：
(5)
其中：Λ0k11波磁导次数；λk2为定子光滑、转子开槽时的谐波磁导，k 2为定子光滑、转子开槽时转子谐波磁导次数；λk1k2为定、转子均开槽时相互作用的谐波磁导。
定、转子气隙磁势也是影响径向电磁力的主要因素。在永磁同步电机中，气隙磁势主要由定子励磁电流和转子永磁体产生
(6)
(7)
(8)
其中：f c 为定子励磁电流产生的气隙磁势；N c 为定子一个槽内线圈匝数；I c 为一匝线圈电流大小； f m (θ,t)为转子永磁体产生的气隙磁势； f 0(θ,t)为基波合成磁势； f v f μ(θ,t)为转子μ 次谐
面的各次径向电磁力。
4极槽配合对电机性能的影响
4.1极槽配合原理
极槽配合主要是通过选择合理的极数、槽数来改善电机性能。由公式(1)可知，齿槽转矩仅与Npz /2p 的整数倍次傅里叶分解系数有关。齿槽转矩的幅值和Npz /2p成反比，若Npz /2p越高，则齿槽转矩的幅值就越低。而Npz /2p可以用z槽数和p极数的最小公倍数来表示。对8极9槽这类极槽数只相差1的电机来说，齿槽转矩的次数就是极槽数的乘积，8极9槽电机最小的脉动次数也将达到72次，齿槽转矩会被抑制在很小的范围内。而8极12槽的分数槽集中绕组和转过一圈齿槽转矩的脉动数只有24次，幅值比8极9槽电机大。分数槽配合的永磁同步电机在具有一系列优点的同时，由于气隙磁密谐波含量增多，又会带来振动和噪声较大的问题。因此我们对8极9槽电机和8极12槽电机在齿槽转矩和径向电磁力两方面性能进行分析比较。下面用通过有限元计算的方法来进行验证。
4.2有限元仿真验证
4.2.1 电机模型及其参数
本文中的电机参数主要参照文献[2]中的电机参数，选择8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行有限元仿真来验证相关理论，部分的电机模型参照参数如下表1所示，而图1为在RMxprt中完成参数配置的8极9槽和8极12槽的电机绕组图。在RMxprt中将相关参数设计好，再通过导入建立二维有限元电机模型。
(a) 8极9槽电机(b)8极12槽电机
图1电机模型绕组图
Fig.1 Winding figure of motor model
表1 电机模型具体参数
Tab.1 The specific parameters of motor model
Item8极9槽8极12槽
4.2.2 齿槽转矩有限元仿真验证
在其他各项相关数据大致相同的条件下，对两种极槽配合的电机进行了有限元仿真。其仿真的齿槽转矩波形如图[2]所示，从图中我们可以看出与8极12槽电机相比，8极9槽电机在一个电周期内的波动次数明显更多，其波动次数为18次，最大齿槽转矩幅值不到8极12槽电机的1/10。而8极12槽电机的齿槽转矩一个电周期的波动次数为6次，另外从图中我们也可以看出8极12槽电机的齿槽转矩是相对规律的，而8极9槽电机的齿槽转矩则波动变化较明显。两台电机的波形结果验证了极槽配合理论的正确性。齿槽转矩的幅值和波动次数成反比，若Npz /2p越高，即z槽数和p极数的最小公倍数越大，则齿槽转矩的幅值越低。
(a) 8极9槽电机(b)8极12槽电机
图2两种电机的齿槽转矩波形图
Fig.2 Waveform figure of cogging torque of two motors
4.2.3径向力有限元仿真验证
在其他各项相关数据大致相同的条件下，对两种极槽配合的电机进行了有限元仿真。仿真的径向电磁力波形如图[3]所示，从图中可以看到8极12槽和8极9槽电机的切向和径向的磁密波形。8极12槽电机中径向和切向磁密波形比较规律，呈现空间周期性,。而8极9槽电机则呈现非周期性。在已知径向和切向磁密的条件下可求出两台电机转子上的径向力分布，如图(4)所示。结果显示，8极9槽电机转子上受到的径向力x、y方向的最大值为83N，即电机径向力不平衡，而8极12槽电机中所受径向力为mN级别的，即电机径向力是平衡的。这是由于8极9槽电机绕组分布不均匀，造成磁力线分布不对称，气隙径向电磁力沿圆周分布不平衡。而不平衡径向电磁力是电机的主要噪声源，因此8极9槽电机的振动与噪声比8极12槽电机要大。
(a) 8极9槽电机(b)8极12槽电机
图3两种电机的径向磁密波形图
Fig.3 Waveform figure of radial flux density of two motors
(a) 8极9槽电机(b)8极12槽电机
图4两种电机的径向电磁力波形图
Fig.4 Waveform figure of radial force of two motors
结论
本文先介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，然后通过有限元计算分析比较了8极9槽和8极12槽两种极槽配合的永磁同步伺服电机的齿槽转矩和径向电磁力，得到了齿槽配合对两种电机的齿槽转矩和振动噪声的影响。波形结果表明，8极9槽电机由于极槽数相差1，其极数和槽数的最小公倍数值较大，则其齿槽转矩比8极12槽电机小，验证了关于极槽配合的相关理论。然而，另一方面8极9槽电机绕组分布不均匀，造成磁力线分布不对称，气隙径向电磁力沿圆周分布不平衡，因此该电机的振动与噪声都比8极12槽电机要大。因此我们在电机设计时需要综合考虑两方面的性能来选择合适的极槽配合，尽量避免电机极槽数相差1这样的极槽配合。为了避免低次谐波径向力和减小振动，槽数应该选择转子磁极谐波的整数倍。
致谢感谢章跃进教授对本工作的帮助，在此表示感谢！
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永磁同步电机与异步电机性能比较 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/P n）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。 (a) η--( P2/P n) (b) ? cos--( P2/P n) 图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 1. 异步起动永磁同步电动机 2.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率
4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%. 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的沮度升高，影响了电机的使用寿命。 由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。 4.对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足翰出功率的耍求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电两能量的损失，加重了电网负荷。 在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。
极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination. Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force 1引言 永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠，且其
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
永磁同步电动机的分类和特点 一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法
上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状 永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代 原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。 引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因： （1）电枢反应引起的转矩脉动 减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计 磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁 体径向励磁结构等。 （2）电流换相引起的转矩脉动
永磁同步/异步电机的性能，你知道多少？ 时间：2017-03-18 06:25:32 来源：空压机网性质：转载作者：空压机网【推荐给朋友】 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素
异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/Pn）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。
图为永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 a. 异步起动永磁同步电动机 b.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载 率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%。 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升
电动汽车用永磁同步电机浅析 摘要：本文首先介绍了目前常用的电动机类型；然后着重介绍电动汽车用永磁同步电机在设计制造过程中可能会遇到的关键技术问题，还介绍了一些目前应用比较广泛的永磁同步电机的控制策略。 关键词：电动汽车；永磁同步电机；关键技术；控制策略 Superficial Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle Abstract：The article first introduces the type of motors used commonly now,then introduce the key technology problem in the design and manufacture of permanent magnet synchronous motors,and also describes some control strategies of the permanent magnet synchronous motors. Key words：electric vehicle; permanent magnet synchronous motor;key technology;control strategy 0引言 当今环保和能源问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现加速发展的趋势；同时电动汽车容易实现智能化，有助于改进和提高车辆的安全和使用性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好,转矩密度高,运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高,从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性,同时在车载动力电池未能取得突破的情况下,延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统,对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[1]。 随着永磁材料性能的提高和成本的降低,永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点,正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。 1概述 永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD-CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统[2]。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动汽车驱动
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何
几种常用电动汽车的驱动系统的比较及永磁同步电动机的相对优势 2012年1月30日 电动汽车用永磁同步电机的发展分析 彭海涛，何志伟，余海阔 (华南理工夫学电力学院，广州510640) 摘要：简要的比较了几种常用电动汽车的驱动系统，并指出了永磁同步电动机的优势。在各类驱动电机中，永磁同步电机能量密度高，效率高、体积小、惯性低、响应快，有很好的应用前景，介绍了电动车驱动用永磁同步电机的目前研究状况以及目前的研究热点和发展趋势。关键词：电动汽车；永磁同步电机；弱磁控制；控制策略；应用 中圈分类号：TM351, TM341 文献标志码：A 文章编号：1001—6848[2010)06-0078-04 O引言 电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样他和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[2]。 随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。 1电动汽车用电动机及驱动系统比较 电气驱动系统作为现代电动汽车的核心，主要包括：电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)网类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明，其总体比较见表l。 1.1直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产生火花，容易对无线电产
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
永磁同步电机与异步电 机性能比较 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
永磁同步电机与异步电机性能比较 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显着，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效 率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P 2/P n ）<50% 时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济 区内运行，即负载率在75%-100%之间。 (a) η--( P2/P n) (b) ? cos--( P2/P n) 图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 1. 异步起动永磁同步电动机 2.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子 电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~50%。由于在水磁电机转子中无 感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.
从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%. 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的沮度升高，影响了电机的使用寿命。 由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。4.对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网
永磁同步电动机的分类和特点 技术2008-08-09 15:13:38 阅读178 评论0 字号：大中小一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类
永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状
永磁同步电机的应用 一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机经常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送进电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对四周的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，题目就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、本钱低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过往的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，均匀转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速题目，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过往的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶然也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用珍贵的金属钴，本钱高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，轻易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的精益求精进步，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足尽大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是： 用永磁体替换电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省往了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机尽大多数已采用永磁式结构。 2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET）的三代复合场控器件（尽缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断
一、永磁同步电机的优点 1、取消了励磁系统损耗，提高了效率； 2、取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠； 3、稀土永磁电机结构紧凑、体积小、重量轻； 4、电机尺寸和形状灵活多样。 5、大大减少对环境的污染。 二、应用(用途) 工业配套：工业驱动装置，如纺织机械，减速机配套，水泵配套，风机配套，矿采业设备等以及材料加工系统，自动化设备，机器人等； 交通运输：电动汽车，电车，飞机辅助设备，舰船等； 航天领域：火箭，飞机，宇宙飞船，航天飞机等； 国防领域：坦克，导弹，潜艇，飞机等； 工业发电：风力发电，余热发电，水力发电，内燃发电机组用发电机以及大型发电机的副励磁机等。 三、永磁同步电机的发展趋势
永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础，它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，代表了21世纪电机发展的方向。 永磁同步电机相比交流异步电机优势 1、效率高、更加省电： (1)、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗（铜耗）； (2)、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最大的一个优势。因为通常电机在驱动负载时，很少情况是在满功率运行，这是因为：一方面用户在电机选型时，一般是依据负载的极限工况来确定电机功率，而极限工况出现的机会是很少的，同时，为防止在异常工况时烧损电机，用户也会进一步给电机的功率留裕量；另一方面，设计者在设计电机时，为保证电机的可靠性，通常会在用户要求的功率基础上，进一步留一定的功率裕量，这样导致在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下，特别是在驱动风机或泵类负载，这样就导致电机通常工作在轻载区。对异步电机来讲，其在轻载时效率很低，而永磁同步电机在轻载区，仍能保持较高的效率，其效率要高于异步电机20%以上。(3)、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。(4)、系统效率高：永磁电机参数，特别是功率因数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电机（如可以100极以上），这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了传动系统的可靠性。(5)、体积小，功率密度大：永磁同步变频调速电机体积小，功率密度大的优势，集中体现在驱动低速大扭矩的负载时，一个是电机的极数的增多，电机体积可以缩小。还有就是：电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机内许多无效部分分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。(6)、起动力矩大、噪音小、温升低：a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小；b、转
文献翻译 题目利用电磁特性分析对永磁同步电机 进行故障诊断的新方法 学生姓名黄建波 专业班级电气工程及其自动化10级1班学号541001020215 院（系）电气信息工程学院 指导教师张志艳 完成时间 2014年 05月23日
利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法姚达，IEEE学生会员，石晓东，IEEE会员，马赫施·奎纳姆瑟，IEEE会员 摘要 本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案，这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此，本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外，可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向，这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术，但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用，离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术，军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论，对提出的方案进行实验，验证其有效性。 关键词：故障检测，有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。 1.简介 过去十年，永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比，在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中，一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用，甚至灾难性的系统故障。因此，这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法，可以为预防性维护提供依据，延长使用寿命，减少机器故障。 离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试，经济上也不允许，研究人员已经提出了许多在线检测的方法，这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱，通常被称为电动机电流特征分析（MCSA）[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息，短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而，一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致，改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾，罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平
关于稀土永磁电机 一般所说的稀土永磁电机都是指第三代稀土永磁电机,出于这种永磁材料优异的使用功效,价格对比同等材料较廉价,因而比第一代或第二代稀土永磁材料更有市场需求前景。例如钦铁硼永磁电机,作为新生代的永磁电机具有很大的展开潜力, 在电机界的权威专家看来, 钱铁硼的展开方向一方面是逐步代替其他永磁材料的永磁电机,另一方面是代替一部分电励磁电机。近年来由于电机界研讨者的作业,现已取得了很大的效果。 稀土永磁无刷电动机跟着电力电子技术的迅猛展开和元器件价格下降,人们现已和正在研制各种不同变频供电电源的永磁同步电动机, 加上转子方位闭环控制体系而构成自同步的永磁电动机,这种电动机一般称为无刷直流电动机。这种电动机既具备电励磁直流电动机的优异调速特性,又实现了无刷结构,这在处于要求高控制精度和高可靠性场合使用中,如航空航天、数控机床、加工中心、机器人、计算机外部设备、家用电器等方面取得广泛的运用。这其间反电动势波形和供电波形都是矩形波的电动机称为无刷直流电动机;反电动势波形及供电波形都是正弦波的电动机称同步电动机,在这里我们统称为永磁无刷直流电动机。在日常家用电器中,如空调、电冰箱、洗衣机、吸尘器、电扇等既是耗电大件,又是噪声来历。如果用无刷电动机逐步代替有刷电动机, 不光为人们节约能源, 而且又使生活条件得到改进。由于稀土永磁材料具备高富余磁感应强度、高矫顽力和高磁能积的特色,它可以研制成具有较大气隙长度和较高气隙磁感应强度的电机, 根据市场份额的需要,可以制成无齿槽的盘式电动机、无槽电机、无铁心电机等无刷直流电机,这些电机因所具备的无齿槽结构的原因, 既可以减少电机的重量和转动惯量,前进电机呼应即时灵敏度,能有效减少电机中电磁谐波成分, 减少电机脉动转矩, 增加工作的平稳性, 一起简化制造工艺,因而在高准确控制场合使用流程,如计算机外部设备、办公设备等中得到了广泛的运用。汇总而言,因高功用的稀土永磁材料的呈现给予永磁电机功用更优化、结构更简化及大型化供给了必要条件设施,使电机向更高层次展开。