永磁直流电机空载电流大的原因

永磁电机气隙磁密大小对电机性能的影响武文虎;常丽芳;王志林;冯雪山;贾钰【摘要】永磁电机气隙磁密的设计不合理将导致启动冲击大、启动峰值电流大及启动转矩大,对变压器与负载设备造成一定的损伤,在矿用环境下甚至造成爆炸事故,严重影响工厂安全性,采用有限元分析计算获取气隙磁密大小对电机性能的影响,为永磁电机的安全设计提供指导.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2016(045)011【总页数】3页(P127-129)【关键词】永磁电机;气隙;磁密;性能【作者】武文虎;常丽芳;王志林;冯雪山;贾钰【作者单位】山西北方机电科技有限公司,山西太原 030008;太原锅炉集团有限公司,山西太原 030008;山西北方机电科技有限公司,山西太原 030008;山西北方机电科技有限公司,山西太原 030008;山西北方机械制造有限责任公司,山西太原030009【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁电动机由于具有功率密度高、转动惯量低、效率高等优点而被广泛应用于高性能运动控制场所，如精密机床、机器人、航空航天、武器系统等[1]，尤其在高端制造业、先进电动车、舰船推进系统、国防工业等尖端工业领域得到快速发展及广泛应用[2-3]。

由于永磁电机主要依托永磁体提供能量，永磁体在电机中的合理布置、牌号选择及永磁体用量将直接导致永磁电机设计的成败。

文献[4]对组合定子铁心直流旋转电机的气隙磁密进行了分析，文献[5]利用有限元与解析法分析了永磁直流电机的空载磁场，但均未体现出气隙磁密对电机性能的影响。

目前，永磁电机中永磁体设计主要依据为反电势与输入电压基本一致[6]，尚无形成具体气隙磁密大小对性能的影响。

永磁电机中气隙磁密设计不合理将导致脉动转矩大、启动电流倍数大及启动峰值电流大，对电机负载设备及变压器造成损伤，当终端用户保护措施不到位时甚至造成人员事故，尤其在矿用环境下容易造成爆炸事故，造成大量不可挽回的损失。

本文提出的永磁电机永磁体设计方法主要采用有限元分析，通过迭代法计算调整永磁体的空间尺寸进而调整气隙磁密大小，用于控制电机的启动电流倍数、启动峰值电流及电机脉动转矩，使得设计的永磁电机电磁性能与原有异步电机基本一致，以保证负载设备及变压器的安全可靠运行，消除隐患。

无刷电机
优点
a 电子换向来代替传统的机械换向,性能可靠、永无磨损、故障率低,寿命比有刷电机提高了约6倍,代表了电动机的发展方向；
b 属静态电机,空载电流小；
c 效率高；
d 体积小;
缺点
a 低速起动时有轻微振动,如速度加大换相频率增大,就感觉不到振动现象了；
b 价格高,控制器要求高；
c 易形成共振,因为任何一件东西都有一个固有振动频率,如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象,但可以通过调整将共振现象减小到最小程度;所以采用无刷的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象;
d 脚踏骑行时较费力,最好是电力驱动与脚踏助力相结合;。

共6页，第1页共6页，第2页班级：_______________ 姓名：_______________ 学号：_______________密------------------------封-----------------------线------------------------外------------------------不------------------------准------------------答-----------------题《新能源汽车驱动电机系统检修》试卷202 - 202 学年第 学期（A 卷，闭卷） 时间： 100分钟分）1.P 挡加油发电受 SOC 、 电池温度 、 电池电压 、 BSG 电机本身 等因素影响，当条件不满足时，P 挡加油发电功能将不可用。

2.电机控制系统的控制中心又称 功率模块 ，以 IGBT 模块 为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路，对所有的输入信号进行处理，并将电机控制系统的运行状态信息通过 CAN 网络 发送给整车控制器，同时也会储存故障码和数据流。

3.电机缺相是电机内部某一相或两相由于某种原因 不通电或者电阻值较大 导致的现象。

4.电机位置传感器负责监控 电机转子位置 ，为电机控制提供位置信号。

电机位置传感器采用 旋转变压器 结构。

5.检查电机控制器蓄电池正极柱头熔断丝是否熔断时，拔下蓄电池正极柱头熔断丝，检查熔断丝是否熔断，熔断丝额定容量为 150 A 。

6.能量回收系统也称 制动能量回收系统 或再生制动，其功能是在减速制动（或下坡）时将新能源汽车的部分 动能 转化为 电能 ，并将电能储存在储存装置中。

7.驱动电机系统可通过有效的控制策略将动力电池提供的直流电 转化为 交流电 ，实现电机的 正转以及反转 控制。

8. 电机驱动系统 是电动汽车的核心组成部分，其主要由电机、 功率变换器 、电机控制器和 动力电池 构成。

二、单选题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）在每小题列出的选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选项填写在对应题号的答题框内。

要充分使用好一台永磁同步电动机，发挥其最大使用功率，一般需要了解的主要参数包括额定电流、额定电压、额定转速、额定频率、磁极数、磁极位置(需要与旋转编码器配合)、反向电势、空载电流、定子电阻、电子电感等。

而需要重新测定的参数主要有定子电阻、定子电感、空载电流、反向电势和磁极位置。

1.额定电流每一台电动机都标有额定电流。

在工作时，工作电流不应超过额定电流，超过额定电流，会损坏电动机;工作电流也不应太低于额定电流，造成大马拉小车的浪费现象。

根据抽油机工作特点，电动机工作电流应在70%一100%额定电流范围内最为合适。

额定电流就是电机在允许的温度、海拔和安装条件下正常工作时所允许长期通过的最大电流。

对于一个三相5KW的电动机，额定电流指的是总电流还是单相得电流？即这个电动机的额定电流是5KW/380V=13A还是5KW/380V/3=4.3A?三相电动机的额定电流指的是电机电源引入线的线电流，对于星型接法的电动机，线电流就等于相电流，对于三角形接法的电动机，线电流等于根号3倍的相电流。

额定电流计算公式：Ie=P/（√3U*η*COSφ）P--电动机额定功率；U--电动机线电压；η--电动机满载时效率；COSφ---电动机满载时功率因数。

目前国产电动机无5kW这个规格，与之最接近的是5.5kW，以Y系列5.5kW 2极电机为例，η=85.5%，COSφ=0.88 则该电动机的额定电流为：Ie=5.5*1000/(√3*380*0.855*0.88)=11.1（A）2.堵转电流将电机轴固定不使其转动，通电，这时候的电流就是堵转电流，一般的交流电机，包括调频电机，是不允许堵转的。

由交流电机的外特性曲线，交流电机在堵转时，会产生“颠覆电流”烧电机。

堵转电流的字面意义很清楚，但大电机的实际测量不可能在额定电压下进行，所以派生出各种不同的实验方法测量后换算，有降压的，如用100V，或其它值，如用额定电流的，等等。

堵转电流是把电动机转子固定住送100V的电压所产生的电流，启动电流是电机在刚一起动瞬间所产生的电流。

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 NNm i 48.4063.03085.0'=⨯==η,按陈世坤书; 长期运行 N i P P ⨯''+='ηη321 短期运行 N i P P ⨯''+='ηη431 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′=27．计算电枢内径m n B A P D N s i i i 23311037.110000255.0110008.048.401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='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=111. 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 221102.22104.114.32--⨯=⨯⨯==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 22110733.06104.114.3--⨯=⨯⨯==π3. 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,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=δδτ1j B 可由设计者经验得,1j h 由工艺取m 210325.0-⨯根据齿宽和轭高作出下图,得到具体槽形尺寸6. 气隙系数 135.1)5()5(2010101=-++=b b t b t K δδδ7．电枢铁心轭部沿磁路计算长度m h ph h D L j ij t i i 2111110064.2)21(2)2(-⨯=+-⨯++=απ8．槽面积2410272.0m S -⨯=电枢铁芯材料确定从数据库中读取电枢冲片材料DW540-50电枢冲片叠片系数96.01=Fe K 电枢冲片材料密度331/1075.7m j ⨯=ρ电枢冲片比损耗kg W p s /16.2)50/10(=四.转子结构1. 转子结构类型:瓦片磁钢径向冲磁2. 永磁体外径m D D i m 211026.12-⨯=-=δ3. 永磁体内径m H D D m m mi 21086.02-⨯=-=4. 永磁体极弧系数8.0=m α5. 紧圈外经D 2=m 21032.1-⨯6. 永磁材料磁化方向截面积24221043.421026.114.3108.28.02m p D L S mm m m ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πα7. 永磁材料的选取永磁体材料：钕铁硼 剩磁r B ：矫顽力c H ：796 kA/m 永磁体材料密度m ρ:cm 38. r B 对应的磁通Wb S B m r r 41087676.4-⨯=⋅=φ 9．c H 对应的磁势A D D H F mim c c 3200)2(2=-= 10． 转子轭材料选择由于转子较细,故转轴、磁轭为一体,选用10号钢 11．转子磁轭等效宽度 m D D D D b i mi i e j 22222221033.02102.01086.022---⨯=⨯-⨯=-=-=12．转子磁轭沿磁路方向长度瓦片m pD D b L mii e j j 222221083.0)21(4)(-⨯=-++=απ五、磁路计算1. 漏磁系数2.1=σ2. 气隙磁通δδδταB L B i 926.4==Φ3．空载电枢齿磁密δδδB B K b t B B Fe t t 588.296.010295.010733.022=⨯⨯⨯⨯==-- 4. 空载电枢轭磁密δδδB B L K h B Fe j j 819.28.296.0325..02926.4211=⨯⨯⨯=Φ=5. 空载转子轭磁密δδδσB B L b B j j 198.38.233.02926.42.1222=⨯⨯⨯=Φ= 6. 气隙磁势A B B B K F 462610127.010135.11007.06.1106.1⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-δδδδδδ7. 定子齿磁势A H H h H F t t t t t 22109.01045.022--⨯=⨯⨯== 8. 定子轭部磁势A H L H F j j j j 211110064.2-⨯== 9. 转子轭部磁势A H L H F j j j j 222221083.0-⨯== 10． 总磁势∑+++=21j j t F F F F F δ 11. 总磁通Wb B m 410926.42.1-⨯⨯=Φ=Φδδσ12.空载特性曲线计算见表;因为表面磁钢永磁电机电动机负载时气隙的合成磁场与空载时差不多;六．电路计算1. 绕组形式及电子开关形式：两相导通星形三相六状态 2. 绕组系数采用单层集中整距绕组,即 第一节距)(31槽==τy 每极每相槽数12pmZq ==m 是相数；p 为极对数 故绕组系数1=w K3. 预取空载转速m in /120000r n =' 4. 每相绕组串联匝数φW '0.7V U 24.8025.700为管子压降，取匝，∆=Φ'∆-='δφαpn UU W i取匝82W =φ5. 电枢总导体数根4922==φmW N6. 实际每槽导体数N s =N/Z=82根7. 实际空载转速0nmin /11742109039.28217.02488.05.725.7400r pW U U n i=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=Φ∆-=-δφα8. 计算绕组端部长度m pD D pDav l i b 211101.42)2)(2.122.1-⨯=+=='ππ 9. 计算电枢绕组每匝平均长度m l L L bav 2108.13)(2-⨯='+= 10． 预估导线截面积2661007086.01101463.04830m a J U P S aN N c-⨯=⨯⨯⨯⨯=''='η 式中26'/1014m A J a⨯=为预取导线电流密度 1=a 为每相绕组支路数 11. 导线选取选择F 级绝缘导线QZY-2 导线计算截面积26210066.04m d S c c -⨯==π导线最大截面积262max max 10092.04m d S c c -⨯==π导线直径md m d c c 3max 310342.01029.0--⨯=⨯=12. 槽满率计算公式选择35.01042max=⨯⋅=-S c s s S S N K π13. 实际导线电流密度26'/1015m A aS U P J c N Na ⨯==η 14. 每相电枢绕组电阻Ω==⨯=Φ-31022)20(62)20(20cavcava S a l W S ma Nl r ρρ式中)/(0157.02)20(m mm ⋅Ω=ρ为导线的电阻率 设电机绕组的工作温度t 为75C 0,则导线工作温度电阻Ω=⨯-+=65.3])20(1[20t a at p t r r 式中00395.0=t p 为导线的电阻温度系数七．电枢反应计算1. 起动电流 A r UU I atst 77.722=∆-=2. 起动时每极直轴电枢反应最大值A K W I F w st sdm 27643==φ 3. 额定工作时的反电动势 V n W pC N ie 5.39152'==δφφα 4. 额定工作时电枢电流 A r EU U I ata 97.022=-∆-=5. 额定工作时最大直轴去磁磁势A K W I F W a adm 3443==φ 6. 负载工作点：根据sdm F 和adm F ,可在空载永磁体工作图上作出负载和起动时的特性曲线2、3,求负载特性曲线与永磁体去磁曲线的交点,得负载工作点：负载气隙磁感应强度T B 5872.0=δ 负载气隙磁通Wb 4108925.2-⨯=Φδ负载电枢齿磁感应强度t B = 负载电枢轭磁感应强度j B =7. 额定工作时电磁转矩m N I W pT a iem .0366.04==δφφπα8. 起动电磁转矩 m N I C T st T st .293.0=Φ=δ 八. 性能计算1. 电枢铜损W r I p at a Cu 87.622== 2. 电枢铁损W G B G B f p K p j j t t a Fe 11.4)()50)(50/10(12123.1=+= 式中a K ------铁损工艺系数,取2=a K1j G ------定子轭重kg L h D D G j s j 05816.010])2([43211211=⨯--=-πρt G ------定子齿重kg ZL h b G t t s t 0173.0103=⨯=-ρ3. 轴承摩擦损耗W n G K p N p mp mpn 05.1103=⨯=-Kmp=3,p G 为磁钢重 转子轭重 转轴重 传感器转子重的和 3=mp K 为默认情况,可让用户自己指定kg G G G G r g m p 035.0=++=4. 风损W L n D p N mpb 13.01026332=⨯=-5. 机械损耗和铁损W p p p p mpb mpn Fe 29.5=++='6. 考虑到附加损耗后的机械损耗和铁损 W p p 877.63.1='=系数可选 7. 开关管损耗W U I p a 358.12=∆⨯=∆8. 电机总损耗W p p p p Cu 1.15=++=∆∑9. 输入功率W I U P a N 56.461==10. 输出功率W p P P N 46.311=-=∑ 11. 效率%57.67%1001=⨯=P P N η 12. 摩擦转距m N n p T N.00657.056.90== 13. 额定输出转距 m N T T T em .03.002=-=。

小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。

因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。

本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。

本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。

2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。

3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。

并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。

关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。

其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。

1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。

十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。

1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。

从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。

随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。

直流电机火花很大的主要原因直流电机火花很大的主要原因是：有换向火花产生的原因是多种多样的，必须在众多的因素中，找到主要原因，方能排除故障，改善换向。

检查换向恶化原因的方法，通常称换向条件正常化检查和调整，是直流电机换向事故处理中最常用方法，其原理如下。

一台直流电机在刚投入运行或过去运行中，换向一直是正常的，而在以后的运行过程中，逐渐变坏或突然恶化，说明电机在换向恶化前，其滑动接触、电机结构和电机各部件工作情况是正常的。

在电机运行过程中，某些部件的工作状态发生了改变，或周围环境发生变化，从而破坏了滑动接触，改变了正常的换向状态，而导致换向的恶化。

如果对这些影响电机换向的因素进行全面检查和调整，使其能恢复原来的正常状态，则换向即能恢复正常。

换向正常化检查是直流电机寻找换向事故原因和排除故障的常用方法，它包括如下主要项目：a.换向器片间电阻测量。

测量换向器片间电阻，能发现电枢绕组是否断线、开焊和匝间短路，升高片是否断裂以及是否存在换向器片间短路。

片间电阻检查通常采用压降法，也可采用专用片间电阻测量仪。

b.换向器摆度测量。

当换向器变形或偏心时，在运行时将会使电刷跳动，滑动接触就不理想，超过一定数值后，将导致换向恶化。

高速电机和多重路电枢绕组电机更为敏感。

c.电刷中性面的检查，直流电机电刷中性线位置，一般应严格在主磁极几何中心线上，对于大型电机，可逆运行电机和高速电机尤其如此。

因为当电刷偏离主机中性线时，换向将发生超前和延迟。

纵轴电枢反应使电机的外特性发生变化，对可逆转电动机来说，两个转向下转速不同而且外特性也不同，两个转向时换向强弱也不同。

在电刷偏离中性位置较大时，由于换向元件进入主极磁通区，电机将产生空载火花。

d.极距、刷距和气隙的检查与调整。

直流电机各排电刷之间的距离，主极之间和换向极之间距离应力求相等。

因为刷距和极距不等则会造成各排电刷下被短路元件在磁场中位置不一样，换向极磁场和换向元件电抗电势波形不重合，各个刷架下火花不等会使电机换向不正常。