大功率高速永磁同步电机的设计与分析 发表时间：2016-07-19T10:13:33.690Z 来源：《电力设备》2016年第8期作者：陆焕瑞王钢汪佳龙[导读] 从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。陆焕瑞王钢汪佳龙(上海海事大学上海 201306) 摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。本文尝试以10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合西气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。本文主要以Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。 关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析1 引言 根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000~1500 r/min)加齿轮箱和4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS，ABB，TEMEI。由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。 2 大功率高速永磁同步电机的设计2.1 主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：(1)高压变频 高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。 (2)大容量 电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20 。 (3)高转速 电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。 (4)防爆 天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。 (5)冷却 中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。 2.2 定转子设计 图1 定转子结构主要计算公式：
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的 磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为 倍。
直流电机设计程序 3.1 主要指标 1. 额定电压 2. 额定功率 3. 额定转速 4. 额定效率 3.2 主要尺寸的确定 5. 结构型式的选择 6. 永磁材料的选择 选用烧结钕铁硼 7. 极弧系数 8. 电负荷 9. 长径比 10. 计算功率 11. 电枢直径 12. 极数 p=4 13. 极距 14. 电枢长度 cm D L a a 5.10157.0=?==λW P p N N N 76678.0378.021321'=??+=+=ηηcm D cm n B A p D a N i a 151.157.06006.0906.0766101.6'''101.63333==??????=??=取 λαδcm p D 89.54 21514.32=??==πτ
15. 气隙 δ=0.06cm 16. 电枢计算长度 3.3 绕组设计 17. 绕组形式 选用单叠绕组 18. 绕组并联支路对数 a=p=4 19. 槽数 20. 槽距 21. 预计气隙磁通 22. 电枢电动势 23. 预计导体总数 24. 每槽导体数 25. 每槽元件匝数 式中 每槽元件数 u=2 26. 实际每槽导体数 cm L L a ef 62.1006.025.102=?+=+=δ45 1533=?==a D Q cm Q D t a 05.145 1514.32=?==πwb B L ef i 34 4 1025.2106.062.1089.56.010''-?=????=?=ΦδταδV U E N N a 48.203 78 .021321=?+=+=η910 600 1025.2448 .20460'60'3=?????=Φ= -N a n p aE N δ2 .2045 910''===Q N N s 5 05.52 22.202''==?== s s W u N W 取20 5222=??==s s uW N
毕业设计说明书题目：高速永磁同步发电机设计研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
基于MATLAB的“风力发电机运行仿真” 软件设计 摘要 关键词 1前言 1.1建模仿真的发展现状 20世纪 50—60年代, 自动控制领域普遍采用计算机模拟方法研究控制系统动态过程和性能。“计算机模拟”实质上是数学模型在计算机上的解算运行, 当时的计算机是模拟计算机, 后来发展为数字计算机。1961年G.W.Morgenthler 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为“仿真”是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。目前，比较流行于工程技术界的技术定义是系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。仿真的三要素之间的关系可用三个基本活动来描述。如图1 图1 系统仿真三要素之间的关系 20世纪50年代初连续系统仿真在模拟计算机上进行, 50年代中出现数字仿真技术, 从此计算机仿真技术沿着模拟仿真和数字仿真两个方面发展。60年代初出现了混和模拟计算机, 增加了模拟仿真的逻辑控制功能, 解决了偏微分方程、差分方程、随机过程的仿真问题。从60-70代发展了面向仿真问题的仿真语言。20世纪80年代末到90年代初, 以计算机技术、通讯技术、智能技术等为代表的信息技术的迅猛发展, 给计算机仿真技术在可视仿真基础上的进一步发展带来了契机, 出现了多媒体仿真技术。多媒体仿真技术充分利用了视觉和听觉媒体的处理和合成技术, 更强调头脑、视觉和听觉的体验, 仿真中人与计算机交互手段也更加丰富。80年代初正式提出了“虚拟现实”一词。虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境, 给参与者产生视觉、听觉、触觉等各种感官信息, 使参与者有身临其境的感觉, 同时参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识。图2体现
Measurement of Eddy-Current Loss Coefficient P EC -R ,Derating of Single-Phase Transformers,and Comparison with K-Factor Approach Ewald F.Fuchs ,Fellow,IEEE ,Deniz Yildirim ,Member,IEEE ,and W.Mack Grady ,Senior Member,IEEE Abstract—A power amplifier is used to supply sinusoidal cur-rents of different frequencies for measuring eddy-current losses of a 25kV A single-phase transformer under short-circuit condi-tion.Measured data show that eddy-current loss is a linear func-tion of frequency with power of 2and the eddy-current loss co- efficient linear is computed.New measurement techniques are applied to determine the derating of single-phase transformers with full-wave diode and thyristor rectifier loads.The derating of transformers has been defined such that for the (apparent,real)power transfer of a transformer the total losses are identical to the rated losses at rated temperature.A relation between apparent power,derating and K-factor is given taking into account iron-core and stray-power losses.Measured derating values are compared with computed results based on the eddy-current losses,iron-core losses,stray-power losses,and K-factors.The eddy-current loss co- efficient nonlinear is computed from harmonics caused by diode/thyristor bridge loads. Index Terms—Eddy-current loss,K-factor,nonlinear load,transformer derating. I.I NTRODUCTION R ECENT publications [1],[2]detail the separate measure-ment of the iron-core losses and copper losses of single-phase transformers under (non)sinusoidal load conditions.In order to make a contribution to the recommended practice for es-tablishing transformer capability when supplying nonsinusoidal load currents,the K-factor approach [3]–[5]is modified to im-prove the prediction of the derating [6]of single-phase trans-formers.In [7]the harmonic loss factor is employed not the K-factor as defined in [3].The objective of this paper is to es-tablish a relationship between derating,K-factor and iron-core losses and to measure - (total harmonic distortion of current)values,where the indi-vidual current harmonics can be adjusted within certain limits.Prior work includes the measurement of the temperature due to current harmonics [11]for the same type of pole transformer as tested in this paper:the temperatures were monitored in [11] Manuscript received February 27,1998;revised August 21,1998.This work was supported by the Electric Power Research Institute,Palo Alto,CA,under Contract RP 2951-07. E.F.Fuchs and D.Yildirim are with the University of Colorado,Boulder,CO 80309. W.M.Grady is with the University of Texas,Austin,TX 78712.Publisher Item Identifier S 0885-8977(00)00664-6. for THD
永磁同步电主轴技术与应用 摘要： 伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。 一、引言 高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。 在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。 平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。 综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。 二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点 永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。
无刷直流永磁电动机设计实例 .主要技术指标 1. 额定功率：P N=30W 2. 额定电压：U N =48V，直流 3. 额定电流：l N：：：1A 3. 额定转速：n N =10000r/min 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：0.036 0.065m ?主要尺寸的确定 1. 预取效率—-0.63、 2. 计算功率p 直流电动机P' - =0.85 30-40.48W ,按陈世坤书 n N 0.63 长期运行P u丄丄P N 3叩 短期运行P -?丄P N 4们 3. 预取线负荷A =11000A/m 4?预取气隙磁感应强度B§=0.55T 5. 预取计算极弧系数:-=0.8 6. 预取长径比（L/D）入’=2
7 ?计算电枢内径 根据计算电枢内径取电枢内径值 。衬=1.4 10 ° m 8. 气隙长度：=0.7 10 "m 9. 电枢外径 D j =2.95 10，m 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 L 、，D i1=2 1.4 10^ =2.8 10^m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8 10^m 2 ■ Di1 3.14 1.4 10 T = ---------------------------------- = 2p 2 13.输入永磁体轴向长Lm =L =2.8 10，m ?定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 3 "「 4 10 J .733 10% 3. 槽形选择 梯形口扇形槽, 见下 图。 4. 预估齿宽：b t = d 』 733 汩 °. 55 7294 10讣,B t 可由 1.43 0.96 BZ 5. 设计者经验得 1.43T , b t 由工艺取 0.295 10'm 预估轭高：h j1 礙 22 0.8 O. 55 = O .323 10，m 2IB j1K Fe 2K Fe B j1 2 0.96 1.56 B j1可由设计者经验得1.53T , h j1由工艺取0.325 10'm 根据齿宽和轭高作出下图，得到具体槽形尺寸 6.1P 「 6.1 40.48 ‘■： ?工 i A s B/ n N 3 10.8 11000 0.55 2 10000 = 1.37 10-m 12.极距 __2 = 2.2 10 m 3
（ 二〇一四年三月 风力发电系统综合设计 风力发电系统综合设计 题 目：5KW 永磁风力发电机仿真 学生姓名：xxxx 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：风能与动力工程 班 级：x x x x 指导教师：xxxx
一、设计要求 对5KW永磁同步风力发电机进行仿真，要求查阅相关资料，选取合适的风机数据，通过MATLANB进行仿真，实现并网，并且各方面数据复合并网要求。 本设计开发的风力发电价为5KW直驱式永磁风力发电机，通过掌握电机设计的原理特点，熟悉永磁电机基本原理和应用，完成并设计出5KW永磁式风力发电机，完成后，并对 设计的电机进行各性能的计算，从而得出符合本设计的要求。 二、基本原理 在风力发电风力发电领域基于双馈感应发电机与PMSG的风电系统应用最为广泛。由于PMSG风电系统具有运行效率高、调速范围宽等优点, 且无需齿轮箱、滑环与电刷等，已成为大功率、海上风电领域极具潜力的发展方向。 5K永磁同步发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电 机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去驱型风力发电机齿轮箱这一传统部件。 直驱风力发电机的优点是： 由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。 直驱风力发电机的缺点是： 是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。 三、设计内容 1、永磁同步风力发电机结构原理 永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。磁极在外转子内圆上，内定子嵌有三相绕组。如图1 其转子磁路结构多为切向式转子磁路结构，径向式转子磁路结构、混合式转子磁路结构、轴向式转子磁路结构。
永磁直流電機設計 1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系: 與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是: D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1) D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸 Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定 p’計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8 Ce 電勢系數 a 支路數在小功率電機中取a=2 p 极數在小功率電機中取p=2 N 電樞總導体數 n 電机額定轉速 Ky 電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩 αP 極弧系數一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637 Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg τ極矩(cm) τ=π*D2/P Bg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br為剩磁密度 A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了. 在(1)式的基礎上經過變換可為:
D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A 由上式可以看, C A的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它 僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機 常數,它的導數K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電 樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數. 2.直流電機定子的確定 2.1磁鋼內徑 根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑 Dmi=D2+2g+2Hp 其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm ,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁 鋼電機可取得較小,因鐵氧體H C較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞 反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和 噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高. 有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴 形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁 極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺 寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產. 其缺點是容易引起不可逆退磁現象. Hp 極靴高(cm) 無極靴結構時Hp=0 2.2磁鋼外徑 Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形結構) Hm 永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產生不可逆退磁),(2)在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小. 2.3磁鋼截面積Sm 對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說, Br較大,則Sm取小值. 環形鐵氧體磁鋼截面積: Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)
旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用 黄科元，董恒，黄守道 (湖南大学，湖南长沙4l0082) 摘要：介绍一种用于高速永磁同步电动机控制的转子位置检测方法，该方法采用旋转变压器／数字转换器Au6802N1，将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字位置信号。设计了Au6802N1与旋转变压器和TMs320F2812之间的接口电路，并提出了’种具有较强容错性的位置信号数字处理方法。试验表明，该方案能够准确地实现电机位置和速度的检测。 O引言 在采用磁场定向控制的永磁同步电动机调速系统中，需要实时地检测电机转子位置及转速，以实现转矩、速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器，而常用的正交光电编码器起动时需要一段时间进行转轴定位，而且抗冲击震动性差，因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合，往往使用旋转变压器。 旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号，需要将其转换为数字信号才可输入到单片机或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋转变压器数字转换器Au6802N1将模拟位置信号转换成12位数字位置信号，同时采用TMs320F2812作主控cPu，可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验表明该方案确实可行，并具有较高的控制精度。 1旋转变压器的原理 本系统选用的无刷旋转变压器如图1所示。经过无刷化设计，旋转变压器初级励磁绕组(R1一R2)和二相正交的次级感应绕组(s1一s3，s2一S4)同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的线圈绕组。
当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后，次级两输出绕组中便会产生感应电势，大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下： 式中：F0——励磁最大幅值； ω——励磁角频率； K——旋转变压器变比； θ——转子旋转角度。 2基于Au6802N1的接口电路 2 1旋转变压器与Au6802N1的接口电路 Au6802N1提供给旋转变压器的交流励磁电压由RsO—cOM口输出，频率由引脚FsEL1和FsEL2设置，在图2的电路中励磁电压信号的频率设置为10 kHz。励磁电压的有效值通过双电源B00ster放大电路进行调节。该励磁电压信号又反馈回R1ER2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的cos和sin信号经过调理后分别由s3-s1和s4-s2端口进入解码芯片。参数选择：V=15 V，R i=22 kΩ，R f=100 kΩ，R1=R2=3. 3 kΩ，R3=R4=4. 7 Ω，R ext=12 Ω，R Rl=R R2=3．3 kΩ，R11=20 kΩ，R12=200 kΩ，R BH=68 kΩ，R BL=20 kΩ；C i=O．1μF，C f=200 pF，C n=100 pF，C c=1 000 pF。
(一) P M S M 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 (2)d/q 轴磁链方程： 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
? 80 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 针对高速永磁同步电动机绕组高频损耗严重，计算较困难的问题，本文利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的有限元模型，对不同供电频率、不同并绕根数以及通风槽口高度对交流损耗的影响进行了详细的分析：电流频率的增大会导致绕组交流损耗增大；多根并绕可以减小导体的集肤效应，但同时也增加了导体的临近效应，选择并绕根数是应综合考虑这两方面因素；适当的增大槽口高度可以有效的减小绕组的交流损耗。 1 引言 高速永磁同步电动机具有效率高，功率密度大，体积小、重量轻等优点，在电驱动领域和运动控制等方面有着广泛的应用前景。在电机绕组中，由于集肤效应和邻近效应的作用，使得导体内部电流密度分布不均，产生附加铜耗。但由于高速永磁同步电动机工作频率高，电机绕组中电流的集肤效应和邻近效应非常严重，造成电机绕组铜耗增大，给体积小，原本散热就较困难的高速电机增加了散热负担。故在电机设计及优化时，有必要准确的预测电机定子绕组中的交流损耗（Xi Nan，Charles R.Sullivan.An improved calculation of proximity-effect loss in high-frequency windings of round conductors.PESC,2003；江善林，高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算：哈尔滨工业大学，2010；P.B.Reddy，Z.Q.Zhu，Seok-Hee Han，T.M.Jahns.Strand-Level proximity losses in PM ma-chines designed for high-speed operation(C).Proceedings of the IEEE on electrical machines，2008；倪光正，工程电磁场原理：高等教育出版社，2002）。 本文重点研究了高速永磁同步电机定子绕组在高频时趋肤效应和邻近效应影响下的交流损耗，利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的二维有限元模型，建立了每根导体的模型，研究了不同供电频率、不同绕组并联根数以及不同槽内通风道高度对电机绕组高频下的交流损耗的影响，分析了如何在设计电机的过程中尽可能的减小电机绕组的交流损耗。 2 绕组电流频率对交流损耗的影响 本文基于一台1MW，20000r/min的高速永磁电机，在该电机的设计中，采用成型线圈和双层短距绕组，每个定子槽中有56根导体组成，本文采用4极转子结构，因此电机的额定频率高达634Hz，而在高频下，由于绕组中存在明显的趋肤效应和邻近效应，绕组的高频损耗会显著增加。为了考虑该效率的影响，本文采用有限元软件，建立了每根导体的有限元模型，如图1所示。图1中的槽口位置为通风道高度，每根导线通以如图2所示的三相对称电流。 不同频率下的绕组电流密度分布如图3所示。当电流的初始角度为30度时，B相绕组的电流为0A，但由于高频时邻近效应的存在，B相中的电流密度不为0，仍然存在涡流，且随着频率的增加，电流密度逐渐增大。此外，由于高频时趋肤效应和邻近效应的影响，槽内不同导体位置的电流密度不同，存在不均匀的电流分布，且靠近槽口位置处的导体的电流密度最大。 当高频时考虑趋附效应和邻近效应时的损耗为交流损耗（Pac），当绕组中通入直流电源，频率为0时，此时的绕组损耗为直流损耗（Pdc）。交流损耗与直流损耗的比值可以反映出趋附效应和邻近效应对损耗的影响程度。图4显示了交流损耗与直流损 耗的比值与供电频率的关系。从图中可以看出，当供电频率低于500Hz时，交流损耗与直流损耗的比值小于2，但随着供电频率的增加，当供电频率为1000Hz时，交流损耗与直流损耗的比值将会增加 到4倍，随着供电频率继续增加到2000Hz时，交流损耗与直流损耗的比值将接近10倍，由此可以看出，随着供电频率的增加，绕组交流损耗会急剧增加，会使绕组损耗增加几倍甚至几十倍，将会大幅的增加绕组的温升，使其温度过高，影响电机寿命和温度运行。因 此，在高速永磁电机设计时，不能像传统电机那样，仅仅只考虑绕 组的直流损耗，高频下的趋肤效应和邻近效应必须予以准确预测。 图1 绕组有限元模型 图2 导体三相电流 图3 不同电流频率时绕组电流密度分布(Phase=30deg)
-- 哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目:永磁同步风力发电机的设计 院(系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生
-- 二〇一四年六月 第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低,体积小,一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.１小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 (１）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近,漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是,这需要高磁积能的永磁体(如钕铁硼等)来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高,但制造工艺相对复杂,制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机,大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装,这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小;也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合,定子电枢安装在静止轴上,这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点,缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输［1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。