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调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

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AnsoftMaxwell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Maxwell2D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。

调速永磁同步电动机的电磁设计

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?、功率因数cos?、起动转矩T 和最大转矩T

。本例所

st

设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：

max

额定数据

额定数据

额定功率相数

额定线电压

额定频率极对数

数值

P ?30kw

N

m=3

U =380V

N1

f=50Hz

p=3

额定效率

?

N

额定功率因数

=0.94

cos? =0.95

N

绝缘等级 B级

计算额定数据：

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3额定相电压：U ?U

3

N N1

P

?220V

?103

额定相电流：I

???N ?50.9A

N mU

?cos?

N N N

同步转速：n

=60f

?1000r/min

1 p

9.55P

?103

额定转矩：T

N

???N ?286.5Nm

n

1

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：

?? K

D2L?CP?

i1 n

1

P C?

N

N

6.1

P ? E ? ， ??K

K AB

cos

N N p

Nm dp ?

式中，D

i1

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。

K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；??为计算极弧系数，

E p

初选0.8；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；K

Nm dp

为电枢的绕组系数，初选0.92。A为电机的线负荷，B

?

为气隙磁密，A和B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

?

值，本例初选为A?200A/cm,B

?

?0.7T。

由上式可初步确定电机的D2

i1

L，但要想进一步确定D

i1

和L各自的值，还应

选择主要尺寸比

??L? L

? ?D

?2pL

?D

，其中?

为极距。通常，中小型同步电动机

2i1 i1

2

p

的??0.6~2.5，一般级数越多，?也越大，本例初选1.4。

永磁同步电动机的气隙长度?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 。

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。

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定子铁心与绕组的设计

定子槽数的选择

当相数和极数确定时，定子的槽数取决于每极每相槽数q，q

1 1

的值对电机

的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。q

1

一般在2~6之间选

取并尽量取整数，对于极数少、功率大的电机，q

1

取大值；对于极数多的电机，

q取小值。本例取q

1 1

=4。

定子绕组的设计

与感应电机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。这些绕组型式各有其优缺点和适用场合。本次设计的调速永磁同步电动机的绕组是双层叠绕组,定子Y接。此外采用双层短距分