电梯用永磁同步电机的设计(可编辑)

电梯用永磁同步电机的设计(可编辑) 电梯用永磁同步电机的设计 湖南大学 硕士学位论文 电梯用永磁同步电机的设计 姓名:罗锋 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:黄守道;傅继仁 20080422工程硕士学位论文 摘 要 世纪,科学技术飞速发展,高新技术不断涌现,资源日益减少,人们对节 电、环保意识日益增强,使得传统的电励磁电机受到了挑战,同时也为新型永磁 电机提供了发展机遇。与传统的电励磁电机相比,永磁同步电机有效率高、功率 因数高、体积小,材料利用率高,重量轻等特点,具有不可比拟的优点。因此, 近年来,随着永磁材料的性价比提高,以及电力电子技术的进步,永磁电机的发 展也受到了各方关注。 由于永磁同步电动机的结构复杂多样,媒质交界面曲直交错,使得永磁同步 电动机的设计变得比较复杂,计算准确度比较差;另外,永磁同步电动机中一些 特殊的电磁过程和一些专门问题如磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的局部失 磁问题等都是设计的难点。 ’ 本文在掌握永磁同步电动机结构和磁路特点的基础上,致力于研究电梯用永 磁同步电动机的电磁设计。分析了永磁同步电机的磁路特点和运行原理;深入讨 论了永磁同步电动机稳态性能和动态性能的影响因素及计算方法;分析了永磁同 步电机齿槽转矩的形成与抑制措施,对永磁同步电动机的设计过程和在设计上如 何提高永磁同步电动机设计的计算准确程度,进行了深入的研究。 重点研究了永磁同步电动机的设计特点及设计方法。给出了永磁同步电动机 的电磁设计过程;深入研究了提高永磁同步电动机性能的措施和 方法。 本课题研究的是以一种用于电梯拖动的永磁同步电机为例,采用了有限元分 析方法对永磁电机进行了分析,对电机设计的参数选择,结构设计提出了合理可行 的,应用在工程样机生产中,经型式试验、配套试验等多项考核,满足总体 技术要求。 本课题对永磁同步电机设计、制造进行了全面的总结,提出了一套完整的设 计思路及设计方法,并通过试验对比分析,其准确性能满足工程实用要求,工程 样机的测试表明,电机的设计、分析、制造达到了研究的预期目标。 本课题在永磁同步电机的电磁、结构设计、绝缘结构及噪声分析等方面的研 究工作,也可以为同类永磁同步电机的设计及技术指标的确立提供有益的参考。 关键词:永磁同步电机;电磁设计;结构设计;绝缘结构;噪声 电梯用永磁屈步电机的设计 也 撼妇,雠鞭 如 科卵或.琢啦 撒镯?锄 】吼, 鑫 。 撕?羟硒辨专吐, 印硒氇妒盈, 黟 蕊饥’曲, , 掰撕, 蔽曲,醣熊’ 】髓稚,国 潍强 驴耋 搬酞以? , , 哪 . 主 擞诳 致 糖 量髓嫩, 鞠。,, 驹 抽 ,聃 舔 弘. 弧硎暴奴越 薹 颤稳 避努拒 萨曲 积维。鼬蠢 萨 . 萨., 穗勰 瞧 ?毽藏 , 趣胁蠢 勰藏文 铲 卿 .萨,印 ?眍 专 撒鑫主 . 毅,嘶童觳 嚷.壤 贸趱 弧 羽坤 ,蠹弘 , 糊证 弘 % 鑫雠 萨, 戋“主, , 毪硒 ?珏. 搬 ,翘 她撕 沁 弘 , .芏觳撕. 也,砖抛 蚀 . 曲 硒 主 ,国 、坤 攥 技鞣羹弘,量主吐俺奶 触建鳓惫 替. :,鼬 驴, , , 电梯用永磁同步电机的设计 插图索引 图. 永磁同步电机横截面示意图. 图.永磁同步电机挂极绕组的结构示意图??.. 图. 伊运行时矢量图??. 图. 伊运行时各量随电流变化曲线??. 图. 屯运行时的向量图??. 图. 永磁同步电机的几种典型向量图? 图.永磁同步电机的矩角特性曲线图.凸极同步电动机案,等,伽 比较 图.不同电动机功率因数随电磁功率变化示意图??. 图.永磁同步电机与异步电动机功率流程图?. 图.永磁同步电动机交、直轴电枢磁路. 图.“负载法”计算兄和五口的流程图.. 图.稀土永磁材料的内禀曲线和退磁曲线图.永磁体等效成磁通 源. 图.永磁体等效成磁动势源图.空载时外磁路的等效磁路? 图.负载时外磁路的等效磁路? 图.负载时稀土永磁同步电动机的等效磁路? 图. 永磁同步电动机电磁设计流程图? 图.机座外形图? 图.机座应力分析图?.. 图.机座变形图? 图.端盖图??.. 图. 电机绝缘结构?....??. 图. 对耦法试验框图?.. 图. 能量回馈法试验原理框图? 图. 制动法试验原理框图 工程硕士学位论文 附表索引 表. 样机试验数据表?.. ?湖南大学 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。 日期:矽泸厢护 作獬:垮 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 、保密口,在 年解密后适用本授权书。 、不保密团。 请在以上相应方框内打“/” 作?:岬缘 日期:矽泸厢巾 导师签名:』妨杰 醐一膊朋日工程硕士学位论文 论 第章 绪 本章简要介绍了本课题研究的目的和意义,永磁同步电动机的主要特点及应 用领域,永磁同步电动机的研究现状及本论文研究的主要内容。 .课题研究的目的和意义 据统计,我国电动机耗电占全国耗电量的%,其中三相异步电动机又占相 当大的一部分,为耗电大户。由于国民经济的迅猛发展和人民群众的生活水平的 提高,对电能需求量日益增加,作为电能的主要能源煤、石油等资源却日益枯竭, 因而研究开发高性能的电动机是每一位电机设计者义不容辞的责任?心?副。 永磁同步电动机是世纪年代初期出现的一种新型永磁电机。由于稀土 永磁体的高磁能积和高矫顽力特别是高内禀矫顽力,使得永磁同步电动机具有 体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点,成为新一代电机的重要发展方 向。第三代永磁体钕铁硼的出现,其优越的磁性能和相对较低的价格,展示出永磁电动机民用开发的广阔前景引。 在民用领域,国外已有一些领域开始使用永磁同步电机替代原交流异步电机, 如电梯驱动用的电机就以永磁同步电机替代原异步电机,取消了庞大的齿轮箱, 通过了曳引轮直接拖动轿厢,明显减小了系统振动和噪声。由于取消庞大的齿轮 箱,可减掉复杂的润滑系统,可彻底解决了漏油造成的环境污染问题,真正达到 了环保要求,可省去机房,可减小电梯空间,降低电梯成本啦。 由于电梯系统需要永磁电机低速大扭矩、精度高、动态响应特性好,在研制 初期,这种特殊高要求的电机国内没有太多成熟的经验。永磁同 步电机研制成功, 不但可以促进我国永磁电机的研制水平上一个台阶,还可以加快电梯行业的发展 步伐,另外,作为电机设计本身,围绕此类型电机开展相关的研究和分析,可积 累经验,提高国内永磁电机的设计制造水平。 .永磁同步电动机的主要特点及应用领域 永磁同步电动机与感应电动机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功 率因数可达到,甚至为容性,减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在稳定运 行时没有转子电阻损耗,进而可以因总损耗的降低而减小风扇小容量电机甚至可 以去掉风扇和相应的风摩损耗,从而可以使效率比同规格的感应电动机提高~ 个百分点。而且,永磁同步电动机在%~%额定负载范围内均可保持较高的电梯用瘩磁阕步电魄约设诗 效率和功率因数,使轻载运褥时节麓效果更为显著雕’ 】。 随着电力电子技术的迅猛发展和功率器件价格的不断降低,人们越来越多的 用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来代替直流电动机调速系统。在交流 电动机中,永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系,这 一固有特性使褥它可直接用于开环的变频调速系统,茏其适用于由固一变频电源 供电的多台电机要求准确同步传动系统中,这可简化控制系统,还可以实现无刷 运行,而且较高的功率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量,因 而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通常由变频器频率的逐步提高 来起动,转子?可以不设置起动绕组。德国劁成的相变频电源供电的、 /稀土永磁电动机,用于舰船的推进。与过去使用的直流电动机相比,体 积减小%左右,总损耗降低%左右,而且省去了电刷和换向器,维护方便引。 变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步稀土永 磁电动机,既具有电励磁直流电动机的优异调速性能,又实现了无刷化,这在要 求高控制精度和高可靠性的场合,如军事、航空、航天、数控机床、加工中心、 机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛的运用。其 中反电势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机,通常称为无刷直流电动杌; 反电势波形和供电电流波形为正弦波的电动机,称为正弦波永磁同步电动机,筒 称永磁同步电动机,本文研究的是后者正弦波供电的永磁同步电动机。美国制成 驱动航天飞机升降副翼用的.、/永磁无刷直流电动机,效率为%, 仅重.娃。法国开发龅无刷直流电动枫,在线圈端侧装入逆交器,总重 只有。我国也已批量生产数控机床用的永磁无刷直流电动,调速比高达: 【。 电梯行业当前发展的新方向,就是以交频器和永磁同步电机组合作为电梯驱 动的核心。一些发达国家每年均投入大量经费用于研制和开发,其中永磁电机以 其体积小、效率高、性能优异而成为新一代电梯的首选方案。随着人民生活水平 的不断提高,对使用设备的要求越来越高。例如电梯电机,既是耗电大件,又是 噪声的主要来源,其发展趋势是使用既能直接驱动,又能无级调速的永磁同步电 动枫。它能低速大扭矩直接起动,减少了噪声季爨振动,使人的感觉更为舒适,还 。 比异步电机节省电能。 .永磁同步电机的研究现状 ..永磁同步电机国内外发展概况 国外利用永磁材料进行永磁同步电动枕的开发已经有?多年的历史。年, 法国的公司研制的系列.~.的稀土钴永磁同步电动机,效率工程硕士学位论文 比一般的异步电动机高%~%,功率因数提高.~.。我国在永磁同步电动 机的开发和应用上取得重大成就,先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机 以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的永磁同步电动机,取得了较好的经 济效益。纺织专用永磁同步电动机是国内第一台研制成功的永磁同步电动 机,效率高达%,功率因数高于.,节能率高达%以上,己经进行生产并取 得了很好的经济效益。而且我国己研制成最大容量为和的永磁同步 电动机。我国稀土资源丰富,高性能的稀土永磁材料已实现产业化,钦铁硼的产 量现己居世界第一位,钦铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明,中小 型永磁同步电动机的效率可提高%,节电率%,某些专用永磁同步电机节电达 %~%,所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势【】【】【引。 ..永磁同步电机国内外研究热点 磁场磁势的计算、合适的仿真计算模型的建立、自起动问题的仿真问题中的 算法、精度、非线性的处理等方面一直是永磁同步电动机的研究热点【】【】【。目 前国内外对永磁同步电机设计研究主要集中在两个方面: .结构设计研究 永磁同步电动机具有很高的矫顽力,故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高 的气隙磁密和磁势。因此,除了传统的径向磁路结构外,当极数较少时,还可采 用切向磁路结构或混合式结构。国内外学者都在研究永磁同步电 动机的各种转子 形状,其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度 和效率。 .优化设计 在稀土永磁材料价格昂贵的情况下,考虑如何合理地选择永磁体的工作点, 使之在满足电机性能指标前提下,使所用的永磁材料最少,即电机的成本最小或 体积最小。优化设计采用计算机来完成,优化设计中,通常选择永磁体体积作为 目标函数。由于永磁体尺寸大小可直接影响电机的各项性能指标,因而可直接选 用永磁体形状尺寸作为设计变量,而将其他尺寸都用这些变量来表示。在约束条 件中,电抗参数、定子齿部和轭部磁密、定子电密、起动电流以及槽满率等都应 限制在一定范围,而效率、功率因数和起动转矩等则应大于某一给定值。虽然国 内关于永磁同步电动机的研究己经进行了很多工作,但迄今为止,永磁同步电动 机在我国并没有得到全方面的推广,其原因是多方面的。其一是 永磁同步电动机 成本很高,但是随着稀土永磁材料的发展,永磁同步电动机的成本呈下降趋势, 同时在永磁同步电动机设计中如何选用适量的稀土永磁体用量以成为学术界研究 分析的重点。此外,永磁同步电动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂,如何准 确分析和计算是设计高效节能永磁同步电动机的关键。同时永磁同步电动机的稳 态性能研究和起动过程研究一直以来是国内外专家研究分析的焦点。永磁同步电电梯耀隶磁阕步魄规懿设诗 动机设计的计算精确度直接决定了电动机的性能,因而永磁同步电动机的设计方 法题前显得越来越重要。 。本文的主要研究内容 本文在掌握永磁同步电动机结构和磁路特点的基础上,致力于研究永磁同步 电动机的电磁设计。以电梯用永磁同步电机为例,对永磁同步电动机的设计过程, 降低齿槽转矩,提高电机运转的平顺性,进行了深入的研究。电机研制过程中,重点 研究了永磁同步电动机的设计特点及设计方法,给出了永磁同步 电动机的电磁设 计过程,并根据电梯电机的特殊情况翻本单位实际情况,阐述了该电概结构设计 的思路和方法,分析了重点零件的机械结构强度,制订了电机的零件加工工艺方 法,对电机绝缘结构以及电机振动噪声分析等方面开展了~些有意义的工作。具 体工作有: 。.永磁同步电机的电磁分析 电机的电磁设计决定了电机运行的经济性和可靠性,是电机产品设计的关键。。 本课题以电梯用永磁同步电动机为研究对象,结合国内外的有关文献,从永磁同 步电机的原理入手,分析了永磁同步电机的数学模型,对永磁同步电机的稳态性 能计算进行了总结,为解决电机运行的平顺性闯题,重点分析了永磁电机的齿槽 转矩,并采用了有效的措施抑制,同时也论涯了电机电磁场的有限元分析方法, 给电梯用永磁同步电机找到了一个切实可行的电磁设计方案 ..永磁同步电机的结构分析及工艺分析 电机的结构设计包括了电机零部件设计和电机各部分电气绝缘 材料的选择, 也决定了电机的运行性能、霹靠性和寿命。电机零部件设计取决予电机的技本性 能要求,同时必须兼顾各单位设备加工能力,丽电机的绝缘结构设计不仅仅是材 料自身的介电绝缘强度,要结合电机的工作电压、电源品质和使用环境,以及电 视制造单位的绝缘工艺,保证电机所用绝缘材料除有足够的绝缘强度翻概械强度, 还必须兼顾耐热性、教热能力、材料闻相容性和经济性。因此电机结构设计必须 根据各单位的实际情况而定。本课题分析了永磁同步电机机座等结构件的特点, 对机座的结构强度进行了有限元分析,对其结构优化设计,同时为关重零部件加 工制定了切实可行的工艺方案,保证了电机实现的经济性和可靠性。并讨论了永 磁同步电机的绝缘材料选用的原则。 ..永磁同步电机的噪声分析 电机振动噪声作为衡量产品质量的重要指标,越来越受到人们关注。本课题 详细地分析了电梯溺永磁同步电机的噪声产生的原因,并提出了 一些有效的抑止 措施。工程硕士学位论文 第章 永磁同步电机的数学模型与稳态分析 .永磁同步电机的结构简介 电机是一种用来进行电能和机械能相互转换的电磁机械,能量转换主要依赖 于电机定子与转子之间的气隙磁场。建立磁场的方式不同就形成了不同种类的电 机。永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。永磁同步电机的定子磁场 是三相或多相交流电流形成,转子磁场则由永磁体产生。定子与普通感应电动机 基本相同,也采用硅钢叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成 实心的,也可以用硅钢片叠压而成。图.为一台永磁同步电机的横截面示意图。 电枢绕组既可以采用集中整距绕组,也可以采用分布短距绕组和非常规绕组。其 中,采用整距集中绕组,产生梯形波反电动势;采用分布式短距绕组,产生正弦 波反电动势。非常规绕组常用的有挂极绕组,如图.。挂极绕组可以有效的减少 绕组端部平均长度,从而可以减小电动机的轴向长度,使电动机更加紧凑,有效 的减小了电动机的体积,并可以降低电动机的电气损耗。为了减小电动机的杂散 。 损耗,大功率永磁同步电动机的定子绕组通常采用星形接法? 图. 永磁同步电机横截面示意图 一定子铁心一定子绕组一转轴 一稀土永磁体一转子铁心 为使转子磁场相对定子磁场静止,转子磁场旋转速度与定子交流电流的频率 之间有严格的同步转速关系。因此转子旋转速度完全由定子电源频率和转子磁场 极数决定。电梯翔永磁阕步电极鲍设计 图.永磁同步电机挂极绕组的结构示意圈 .永磁同步电机的轴数学模型 在交流电动机中,励磁磁场与电枢磁势间的空间角度不是固定的,它随负载 变化而变化,这就引起磁场间复杂的作用关系,因此不能仅通过调节电枢电流来 控制电磁转矩。年,德国学者酞和弱提出了交流电动机的矢量控制 黼?理论,从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其 基本思想就是利用电动机外部的控制系统,对定予磁动势相对励磁磁动势的空间 角度也就是定子电流空间矢量的相位和定予电流幅值进行控制,从而将永磁同步 电动祝模拟为健励童流电动机。实现方法是根据“双反应理论”,在磁场定向坐标 上,通过矢量变换将电枢电动势疋分解为直轴分量%和交轴分量‰,将电流矢 量屯分解成为产生磁通的直轴分量即励磁电流分量和产生转矩的交轴分量即转 矩电流分量,并使得两个分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节。这样 交流电动机的转矩控制,从原理和特性上就与直流电动机相似了。这种方法将电 机本身的一些特性用数学模型来进行模拟,以矩阵和矢量表示受控量,最终用矢 量空间相位理论来处理这些数学模型。相对于其他的控制方法这种模拟要进行大 量的数学运算。不过现在具有高运算速度和嵩度集成性的专用数字信号处理芯片 的闻世,可以快速完成这些运算儿蛐“副。 目前,对于一般三相交流电动机,采用坐标变换,将三相交流绕组等效为两 相互相垂直的交流绕组或旋转的两相直流绕组,变换盾系统变量之间得到部分解 耦,从而使得系统分析和控制大力赫化。分析正弦波供电的永磁同步电动机时, 最常用的方法是轴数学模型,它不仅可以用于分板正弦波永磁同步电动机的稳 态运行性能,还可以用于分析电动机的瞬态性能。 为了建立轴数学模型,我们首先假设: 忽略电机铁心磁路的饱和; 不计电机的涡流和磁滞损耗; 电机的电流为三相对称正弦波电流; 以上可以得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程式中各量为瞬工程硕士学位论文 态值: 电压方程: 、,/?、, 、,/?、, 、,/、,/ 磁链方程: 、王, 甲 甲 电磁转矩方程:锄甲甲 机械运动方程: ’ /啪一? ? 式中:??电压; . ??电流: 甲??磁链; 、??下标,分别表示定子的、轴分量; 、??下标,分别表示转子的、轴分量; 、??定子绕组的、轴电感,,; 、??转子绕组的、轴电感,,; 、??定、转子间的、轴互感; 、吃??定、转子漏电感; 永磁体的等效励磁电流,当不考虑温度对永磁体性能的影 响时,其值为一常数,甲,; 甲永磁体产生的磁链,可由%脑求取,为空载反电动势,其 值为每相绕组反电动势有效值的倍,即: . .转动惯量; 阻力系数; ?一负载转矩: 电动机的、轴系统中各量与三相系统中实际各量间的联系可通过 坐标变换 实现。如从电动机三相实际电流表”、到坐标系的电流、,采用功 率 不变约束的坐标变换时有:歹 / 秒。等。等瞄『 .“一一等痂臼等 盯? 压 压 压 式中: 卜电机转子的位置信号,即转子磁场直轴与相定子绕组轴线的夹 角 电角度,且有为转子初始位置电角度 零轴电流,对三相对称系统,变换后鹃零轴电流为。 电机的电压、磁链和电磁转矩方程可表示为: 、,/一国、,十 、,愆耄国 、髑垂 甲 锄呻,一、,叩【? 】 将上式中的有关量表示为空闻矢量的形式,则: 。莲唾?州位 ‘ ? ? 十 、,、, ? 警。×。 。? 式中:?一。的共轭复数。 从图中可知,定子电流空间矢量。与定子磁链空间矢量、,。同相, 而定子磁链与 永磁体产生的气隙磁场闻的空间电角度为,且 赡 参 ? 将之代入式.的电磁转矩公式中,则 ? 锄印【。 /?。【%? 】 由上式可知,永磁同步电机输出转矩中含有两个分量,第一项为 永磁转矩攥, 第二项是由于转子不对称所产生的磁阻转矩。 .永磁同步电机的运行原理 永磁同步电视调速系统中,最关键的闻题就是实现电动机瞬时转矩的高性能 控制。对于永磁同步电机系统的要求可归纳为:响应快、精度高、转矩脉动小、 系统效率和功率因数高等。从以上对永磁同步电机的数学模型的分析可以看出, 对永磁同步电机的输出转矩的控制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交、 工程硕士学位论文 直轴电流的不同组合,将影响控制系统的效率、功率因数及转矩输出能力等。如 何根据给定的转矩来确定交轴电流和直轴电流,实际上就是对定子电流矢量控制 的问题【儿。 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式.可以 看出,当永磁体的励磁磁链和交、直轴电感确定以后,电动机的转矩便取决于定 子电流的空间矢量,,而‘的大小和相位又决定于‘和。,也就是说控制‘和。便可 以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的:和:,通过这两个电流 的控制,使实际‘和。跟踪指令值:和:,便实现了电动机转矩和转速的控制。 由于实际馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流。、‘,因此,三 相电流的指令值:、:、:必须由下面的变换从:和:得到 引 ., 一 ? 一? ?彳?? ?.......................................... ?????,??够 幼一幼一 万一;万一; 二曩;.. ...。..........。..。....。.。。............ 上式中,电动机转子的位置信号秒由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位 置传感器提供。通过电流控制环,可以使电动机实际输入三相电流 与给 定的指令值:、‘、一致,从而实现了对电动机转矩的控制。 永磁同步电机用途不同,电动机矢量控制策略也各不相同。例如,在轨道交 通和纺织行业中的应用就要求系统具有宽调速范围和恒功率运行。目前永磁同步 电机采用的运行控制方式主要有:功率因数矽运行、最大转矩/电流运行、 屯运行等。 ..功率因数妒 运行 该运行方式中,永磁同步电机的功率因数恒控制为,即 伊艿一声 . 由上式得万矽,此时电机运行矢量图如图.所示。 由矢量图可以得到 趾?:羔 . ”譬 根据定子电压矢量“,的、轴分量关系,可以得到在一定电流和转速下得内 功率因数角 亿嘲 细鬟掣电梯用永磁同步电机的设计 结合电磁转矩乙和定子电压矢量“,的、轴分量即得到相应的电磁转矩乙 和所需的电压甜,。 一 夕 ? \. . . . . . 一 ‘ ; 缈 图. 矽。运行时矢量图 图. 运行时各量随电流变化曲线 图.为缈运行条件下,电磁转矩乙曲线、负载角万曲线、磁 化电流曲线、轴定子电流屯曲线、轴定子电流‘曲线、定子电 压”,曲线随定子电流。变化的曲线。由该图可以看出,电磁转矩随电流逐 渐增加而增大。当电流达到一定值似时,电磁转矩达到峰值‰,随着电流 进一步增大,电磁转矩开始迅速下降。 矽运行方式的特点是电动机的功率因数恒定为,此时逆变器的容量得 到充分的利用。但是在永磁电机中,由于转子励磁不能调节,在负载变化时,转 矩绕组的总磁链无法保持恒定,所以电枢电流和转矩之间不能保 持线性关系。而 且最大输出力矩小,退磁系数较大,永磁材料可能被去磁,造成电机电磁转矩、 和效率的下降。 ..最大转矩/电流运行 所谓最大转矩/电流运行【 ,是指在转矩给定的情况下,最优配置交轴和直轴 电流分量,使定子电流最小,即单位电流下电动机输出转矩最大的矢量控制方式。 最大转矩/电流运行可以减小电动机铜耗,提高运行效率,从而使整个系统的性能 得到优化。此外,由于逆变器所需输出的电流较小,对逆变器的容量要求可相对 降低,使系统运行成本下降。 最大转矩/电流运行问题可等效为定子电流‘?弓弓满足转矩方程的条件 极值问题作拉格朗日函数 . 三‘,‘,五?弼一名既一少,‘厶一厶‘仰 式中,兄为拉格朗日乘子。 对函数求偏导,并令各等式为,得工程硕上学位论文 掣南州池酬 半南“心州剐仁竭 %竽一%巾舻铲驰叫 求解上式,并注意至屯取负值,且岛三口,得 一矽,厉丽一坠厉?霹 . 幻 夕一三矗 乞一.毛 式中,户为电动机得凸极率,。 把电磁转矩用标么值表示,当岛?工。时可以得到 ’ . 艺 一 把式。薹表示炎标么值,并代入上式,可以得到交、直轴电流分量 与电磁转 , 矩的关系为 . 艺?艺一《 在转矩给定的情况下,由上式求得的电流值邵为电流最优解。对 于凸极永磁 同步电机,采用该控制方法有利于提高系统的输出转矩。对于隐 极永磁同步电机, 由于转子磁路对称,岛五。,求解式.可得到‘。因此,隐极永磁同步电 机的如矢量控制策略就是最大转矩/电流运行方式。 ..珞。镑运行 屯运行方式是一种最简单的电流矢量控制策略。当乇时,从电动机端 弱看,相当于一台他励直流电动机。定予电流中只有交轴贫量,并且定予磁动势 空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交。电动机电磁转矩中只有永磁转矩分量,其 值为 . 毛夕纸矿碍屯 屯运行时电动机空间矢量图如图.所示。由于定子电流直轴分量为零, 不存在轴电枢反应,因此不产生去磁作用,去磁系数为 露 .电梯用永磁阑步邀臻懿设计 圈.岛?运行时的向量圈 由矢量图可以看出,内功率因数角痧。,定子电流出现在轴上。定子电 压的、轴分量为 仁,, 、 。 譬麓岩‘ 材譬‘缈,心‘ 定子电压幅值为 . %届可瓜万瓦了丽 负载角万为 雒拶:丛 . 永磁同步电机的功率因数多为 纭, 蹴一詈孝% 在忽略定子电阻霞的条件下,永磁同步电机孽功率因数角矽等予 负载角艿, 即 艿 . 屯运行方式的最大优点是电动机的输出转矩与定子电流的幅值 成正比,其 性能类似予直流电动机,控制篱单,无去磁作用,因此得到了广泛 应用,尤其对 隐极永磁同步电机控制系统。但是,篇。运行方式的电动机功率因数较低,电动 机和逆变器的容量不能充分利用。 通过以上的分析可以看戡,每种运行方式各有自己优点和不足之处,适用于 不同的运行场合。屯运行是一种最简单的运行方法,该方法无去磁效应,控制工程硕士学位论文 算法简单,电磁转矩与定子电流成正比。其主要缺点是随着输出转矩的增大,功 率因数下降较快。另外,电磁转矩中的磁阻转矩部分未能利用,因而主要运用在 对隐极永磁同步电机的控制上;伊运行由于系统的功率因数恒为,使逆变 器的容量得到充分的利用,但该方法的最大电磁转矩很小;最大转矩/电流运行可 以使电动机输出转矩满足一定要求的条件下,逆变器的输出电流最小,这有利于 逆变器的功率开关器件的工作,减小了电机的铜耗,它比较适合低速、恒转矩运 行,当电动机转速超过转折速度升高时,输出电磁转矩随转速的升高急剧下降。 .本章小结 本章简单介绍了永磁同步电机的基本结构及特点,详细推导了永磁同步电机 的轴数学模型,它不仅可以用于分析正弦波永磁同步电机的稳态运行性能, 还可以用于分析电动机的瞬态性能。根据永磁同步电机的用途,详细介绍了目前 永磁同步电机常用的三种运行控制方式,并分析了各自的特点和适用场合。电梯用永磁阉步电机的设计 第章 永磁电机的稳态运行分析 本章采用双反应理论分析了永磁圈步电机昀稳态运行性能,然嚣讨论了永磁 同步电动机交、直轴电枢反应电抗的计算方法与公式。 。永磁同步电机的稳态性能分析 正弦波永磁同步电机与电励磁同步电橇是稆似的电磁关系,因此采用与同步 电机相同的分析方法??双反应理论来研究。 ..稳态运行的向量图 永磁同步电机与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系,故可以采 用双反应理论来研究。需要指出的是,由于永磁同步电机转子直轴磁路中永磁体 的磁导率很小,约为,使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交 轴电枢反应电 感,这是永磁同步电机电枢反应的一大特点?。 电动机稳定运行于同步转速时,根据双反应及理论可写出永磁同 步电机的电 压方程。 ?? ?专&专专隹?埘?专?;专 式中:或??永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效 值; 驴??外施相电压有效值; ??定子相电流有效值; 置??定子绕组相电阻; 如、潮??直交轴电枢反应电抗; 墨??定子漏抗; . ??直轴同步电抗,‘‰墨; 。 五??交轴同步电抗,孽置; 厶、厶??直、交轴电枢电流 . 、 跫少 ‘厶?沙 缈??,与赢间的夹角,称为内功率焦,;超前赢时爽正。 由电压方程可绘制出永磁同步电机于不同情况下稳态运行时的几种典型向量 图,如图.所示。图中,疋为气隙合成基波磁场所产生的电动势,称为气隙合 成电动势;疋为气隙合成基波磁场直轴公量所产生的电动势,称为直轴内电动 势;秒为超前或的角度,即功率熊,也称为转矩角;缈为电压超前定子相工程硕士学位论文 电流『,的角度,即功率因数角。图.、、中的电流,均超前于空载反电 动势或,直轴电枢反应均为去磁性质,导致电动机直轴内电动势易小于空载反电 动势或。图.中电流,滞后于或,此时直轴电枢反应为增磁性质,导致电动机 直轴内电动势毋大于空载反电动势或。 图.所示的是直轴增、去磁临界状态。与或同相下的相量图,由此可 列出如下电压方程: 反, . 啦 从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势: . 乒丽一。尺。 【, 小‘. 图. 永磁同步电机的几种典型向量图 缈 妒 伊‖ 缈 够 , 式.可用于判断所涉及的电动机是运行于增磁状态还是去磁状态。实际凰 值由永磁体产生的空载气隙磁通算出,比较甄和:,如‰大于或,电动机将运 行于去磁工作状态,反之将运行于增磁工作状态。从图.还可以看出,要使电电撵鼹永磁同步遨极鲍设计 动机运行予单位功率因数图。或容性功率因数状态《图.,只有设计在去 磁状态时才能达到。 ..稳态运行性能 ...电磁转矩 永磁同步电机的稳态运行性能包括效率、功率因数、输入功率和电枢电流等 与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数等。电动机的这些稳态 性能均可以从其 基本电磁关系或从向量圈推导而得。 从图.可以得出如下关系: 。 . . 抵《 . ?从式.和.中可求得电动机定子电流的直、交轴分量: ,, 置‖照珏护专置‰一?缈 群、 . 如拳??历 一尺鼠一秒 , . ~ 醚定子相电流: 。妨 一 悉电动机酶输入功率: 墨棚研 矽撒%一妙狮厶秒‘彩 搬移晟曩遮秽一是?矽置吾兄一‘建 . ........ ?.........。,.......。。。........。.,.?......。,........。,......::。....................。........。一 琏专 忽略定子电阻,由式.可得电动机的电磁功率: . ‘ 矗 %晔警遮秽等寺寺妣 口 除以电动机的机械角速度,即可的电动枫的电磁转矩僻?哟: ?. 乙鲁警遮移警哇一专一 式中:投卜电动机的电角速度; 一电动机的极对数。工程硕士学位论文 图.是永磁同步电机的转矩特性曲线。图中曲线为式.第项由永磁 气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩,又称永磁转矩;曲 线为式.第项,即由于电动机、轴磁路不对称而产生的磁阻转矩;曲 线为曲线和的合成。由于永磁同步电机直轴同步电抗一般小于交 轴同步 电抗。,磁阻转矩为一负正弦函数,因此转矩角特性曲线上最大值 所对应的转矩 角大于,而不像电励磁同步电动机那样小于,这是永磁同步电机 一个值得 注意的特点。 匕?卜‖ \ 旺 . 图.永磁同步电机的矩角特性曲线 、,, 。 。 、. 。 等警础?去一专础 柳 、? 蜮。 、., 等等秒譬去一专侧汐 令等手,则可求的电动机的极值功角方程为: . ‰丘【‰一 热. ., 址苦‘半 解得极值功角为: . ‰?忐刍纠 将‰代入式.可得转矩曲线中的最大转矩值‰,被称为永磁同步 由加.的矣老转牾.加娶角耱垄毒辐招讨咖信.?由动加烙不直台 匕但椿同先生毒液.舄电梯用永磁同步电机的设计 大转矩与电动机的额定转矩靠的比值乙称为永磁同步电机的失 步转矩倍数。 ,~叫 锄 %:等:竺挚 瓦 巩 巩阜 ...功率因数 永磁同步电机的无功功率为: . 叫易‘日一半?譬警, . 。 、.。。 等警秒朋叭去一击灿 比较式.和式.可以看出,在?。,包的范围内,号手等。,说 明随着功率角的增加,永磁同步电机的有功功率尸硎的增加速度 大于无功功率 的增加速度,见图.。 , ? 刁 / 卫 , ? ?,??乱、日,奄,? 呢 图.凸极同步电动机矿,万,匕比较 永磁同步电机电磁式同步电动机 当空载电动势‰时,姨,永磁同步电机的空载为容性,随着负载的 增加,硎迅速增加,由负增长至再逐步增加,电动机的功率因数由 容性逐 步增至,再变为感性缓慢下降,运行状态由容性去磁状态逐步过 渡到感性去磁 状态。当矽包时,筹号手,。缈迅速下降。工程硕士学位论文 若岛,。,当口?。,巳时,等争等,永磁同步电机的运行状态由 感性增磁作用逐步变化为感性去磁作用,功率因数由‰逐步增加至伊蛳; 当乡皖时,等等手,电动机的功率因数下降。 够 . 感性 容性 . 图.不同电动机功率因数随电磁功率变化示意图 三相异步电动机 电磁式同步电动机厶 ,』,恒定 永磁同步电机。:岛;:磊 图.给出了三相异步电动机、电磁式同步电动机和永磁同步电机的功率因 数随电磁功率变化的示意图。电磁式同步电动机虽然励磁可调,但在,,为常数时, 其功率因数较永磁同步电机变化大;异步电动机的功率因数显然较永磁同步电机 低,特别是在空载或轻载工作状态下,两者的差别更明显。 根据永磁同步电机的电压方程和相量图可以求出永磁同步电机在不同运行状 态下的功率因数角?。 增磁作用: 一 群一; ~一一 . 少删器,电梯用永磁同步电机的设计 喊蝴一瓮? 秒 一 ???????一 【,霹 . 吵删姐‘丙赢’ 吵删彘 伊一目 上两式中,‖:粤。 以口 ...损耗和效率 永磁同步电机稳态运行时的损耗包括以下四项。 .定予绕组电阻损耗 电阻损耗‰可由下面公式计算: ’ 。硝局 . .铁心损耗 永磁同步电机的铁耗%不仅与电动机采用的硅钢片材料有关,而且随电动机 的工作温度、负载大小的改变而改变。这是因为电动机温度和负载的变化导致电 动机中永磁体工作点的改变,定子齿、轭部磁密也随之变化,从而影响到电机的 铁耗。工作温度越高,负载越大,定子齿、轭部的磁密越小,电动机的铁耗也就 越小。 永磁同步电机铁耗的准确计算非常困难。这是因为永磁同步电机一般电磁负 荷较高,电动机的定子齿、轭磁密饱和严重,且磁通谐波含量非常丰富的缘故。 工程上常采用与感应电动机铁耗类似的计算公式,然后根据试验值进行修正。 .机械损耗 永磁同步电机的机械损耗硒与其他电机一样,与所采用的轴承、润滑剂、冷 却风扇和电动机的装配质量有关,其机械损耗可以根据实测值或参考其他电机的 机械损耗的计算方法计算。 .杂散损耗 永磁同步电机的杂散损耗目前还没有一个准确实用的计算公式, 一般均根据 实际情况和经验取定。随着负载的增加,电动机的电流最值增大, 杂散损耗近似 随电流的平方成正比。当电子电流为,时电动机的杂散损耗可用 下式近似计算: . 争州 式中:,???电动机的额定相电流;工程硕士学位论文 州??电动机输出额定功率时的杂散损耗。 永磁同步电机的功率流程如图.所示。 兄。 只。 咒。 兄: 己。 ???乡仫???夕一?乡仫乡仫???夕。一 刍 垒 二。 ,? ,? ?????弋\孓??一\孓一 ?????弋\孓??一\孓一 匕 心 匕 如 图.永磁同步电机与异步电动机功率流程图 永磁同步电机 异步电动机 与电磁式同步电动机相比,永磁同步电机无励磁铜损耗。 与异步电动机相比,永磁同步电机转子无铜耗。永磁同步电机一般将极弧系 数设计得较大,因此在相同的易或电压时,?占相同,岛较小,铁损耗比异步 电动机小;损耗的减小和功率因数的增加使得永磁同步电机的定子电流减少,定 子铜耗也减小。 .永磁同步电动机的电枢反应及电抗参数 ..永磁同步电动机电枢反应特点 电枢磁场对稀土永磁体建立的气隙磁场的影响,称为稀土永磁同步电动机的 电枢反应。无论是切向式结构还是径向式结构的转子,其永磁体磁阻都位于直轴 磁路上,故直轴磁阻远大于电磁式同步电机的直轴磁阻。交轴方向的磁阻因转子 结构不同而有差异,除表面凸出式转子磁路结构的交轴磁阻与直轴磁阻近似相等 外相当于一个隐极同步电机,一般来说,稀土永磁同步电动机是气隙均匀的凸极 同步电动机,其直轴磁阻大于交轴磁阻,图.是切向磁化的稀土永 磁同步电动 机电枢交、直轴磁路示意图。 ?缸 图.永磁同步电动机交、直轴电枢磁路 磁路不对称引起同一电枢磁势作用在不同位置时的电枢反应不同,利用双反 应理论将电枢磁势分解为交、直轴两个分量电梯用永磁同步电机的设计 . %瓦 式中:定??电枢磁势直轴分量; 定。??电枢磁势交轴分量。 单位交、直轴磁势和单位励磁磁势产生的气隙磁感应强度因磁势波形及磁路 的不同而异。比较稀土永磁同步电动机与电磁式凸极同步电动机的电枢反应可知: 电磁式同步电动机易为正弦波,以为近似为矩形波,两者磁势波形不同, 磁通路径一致。稀土永磁同步电动机的只为正弦波,毋近似为矩形波。但因转 子漏磁的影响,使两者磁通路径有差别。即磁势波形不同,磁通路径不同。 电磁式同步电动机%为正弦波,与磁势波形不同,磁通路径不同,由 于交轴方向气隙较大,磁阻大,单位‘产生的气隙基波磁感应强度%。相对较小。 而稀土永磁同步电动机名与‘也是磁势波形不同,磁通路径不同,但气隙均匀表 面凸出式转子磁路结构除外.,磁路主要受转子结构的影响,一般交轴方向磁阻小 于直轴方向磁阻,单位交轴磁势产生的%。比单位励磁磁势产生的曰,大。 . ..永磁同步电动机电枢反应电抗 稀土永磁同步电动机直轴磁路因永磁体的存在,磁路一般不会饱和。在计算 电动机的直轴电抗时,可以不考虑勋的非线性,但必须考虑交轴磁路饱和对‰ 的影响。 从电动机向量图出发,可得知电动机直轴内电动势 . 岛磊?厶% 式中,当电动机运行于去磁状态时取“.”号;当电动机运行于增磁状态时取“” 号。由此可得直轴电枢反应电抗 . 厶昂一扇/厶 饬可由下式求得: . 易.胚咖??, 中。?为直轴电枢电流等于厶时永磁体提供的有效气隙基波磁通 啪, . ?。,【‰一一‰凡】,耳×. 式中:‰??直轴电流等于时永磁体的负载工作点。 .所以直轴电枢反应电抗妇为 . :型睑型 . ?气生?坐 』 考虑到交轴饱和时尼口需迭代求解,其步骤如下: 给定某一转矩角口, 假设交轴电流分量‘,则交轴电枢磁动势: . ‘.‰朋%‘/工程硕士学位论文 式中: ??交轴电枢磁动势的折算系数。 由‘求交轴气隙基波磁通?凹,,根据%由预先算得的交轴?凹。一%曲线 查取相应的?舳.; 由西钾。求出交轴电枢反应电动势‰: . 叼.弘咖??钾 计算兄口: . ‘%/‘ 求出交轴电流分量的计算值厶: . 、 : ‘:型娅粤型萼生唑 、。。七醚 比较‘和‘,重复~步,反复进行迭代计算,直至‘与厶间的误差 在容许范围内。 上述步骤中,由?叼。一名曲线查?训的步骤考虑了交轴磁路的饱和,而迭代 过程则保证电动机在一定负载下即一定的转矩角下满足确定的向量关系。 需要指出的是,上面第步所查的?州一,曲线是预先算出的交轴磁路磁化 曲线,并且曲线中的磁通和磁动势均应为正弦量。给定正弦量既,不同转子磁路 结构的电动机产生的电枢反应磁通波形也不一致,鼹存在一个磁通波形系数 ?训/叼。对表面凸出式稀土永磁同步电动机,;对内置式稀土永磁 同步电动机,‰可近似取为;对于表面插入式稀土永磁同步电动机,则‰与 间的偏差较大,此时‰与电动机的极弧系数口有着密切的关系,口越小,则 越接近,实际设计时应加以注意。 上面分析中,计算勘和兄碍时没有考虑以轴磁场的“共磁路”所引起的妇 和兄口的变化。而事实上,、轴磁通在定转子磁路是公共的,因而、轴磁场 之间的相互影响比较严重。因此计算五和疋时,对、轴的“共磁路”问题必 须给予足够的重视。用“负载法”计算五和%口,可即考虑磁路的饱和,又计及、 轴磁场的相互影响。图.为“负载法”的计算流程图。电梯用永磁同步电机的设计 图.“负载法”计算兄和五的流程图 .本章小结 本章采用双反应理论,运用向量图法,推导了永磁同步电机稳态运行特性的 计算公式,分析了永磁同步电机电枢反应特点,提出了交、直轴电枢反应电抗的 计算方法。本章推导出来的结论和公式是下一章进行电磁设计和计算的基础。工程硕士学位论文 永磁电机的电磁设计 第章 本章针对永磁电机电磁设计的一些特殊性,阐述了永磁同步电机的磁路结构 设计与计算方法,齿槽转矩的分析计算,有限元分析方法,并以实例详细分析了 永磁同步电机的电磁计算过程。 .永磁电机的磁路设计与分析 磁路设计是根据对磁场的要求,合理地选择磁路的参数和材料,设计出工艺上 可行、特性满足要求、经济性好、能充分发挥材料性能的磁路。一般的设计过程 是:首先根据磁路特性的要求,初步确定磁路的大致结构,确定各部分磁路的尺 寸和材料,然后采用合适的计算方法计算磁路特性。若计算结果 与性能要求之间 的误差在允许范围内,则磁路设计成功完成;否则要重新调整磁路尺寸或材料, 。 直至得到合理的磁路 电励磁电机的磁路设计已相当成熟,永磁电机与其区别主要在永磁体的设计 . 与计算,因此永磁同步电机磁路设计关键在于永磁材料的选择和工作点的设计。 ..永磁体的选择 由于永磁体及其性能的多样性,如何选择合适的永磁体材料及尺寸直接关系 到电机的性能和经济性。永磁体选择应满足以下要求: 永磁体在规定的工作空间内能产生所需要的磁场; 》永磁体所产生的磁场有一定的稳定性,能承受工作环境温度而不发生不可 接受的变化; 具有良好的力学性能和可工艺性; 价格合理,具有经济性。 电梯用永磁同步电机选用钕铁硼烧结成型,牌号为,剩余磁感应强度 为.~.,矫顽力~ ,最大磁能积~/,最高工作温度 ?。 ..永磁体的设计 永磁体的形状通常与所选择的磁极结构有关,永磁同步电动机的转子磁路结 构不同,则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适应场合也不同。目前有 以下几种结构:表面式转子磁路结构、内置式转子磁路结构、爪极式转子磁路结 构、复合励磁转子磁路结构,考虑电梯设备的特殊情况,我们选用了表面式转子 磁路结构,并将电机结构设计成外转子,这样永磁体位于转子铁心的内表面上,电梯用永磁同步电机的设计 永磁体提供磁通的方向为径向。由于永磁材料的相对回复磁导率接近,所以表 面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构,这种转子结构:具有结构简单、 制造成本较低等优点,表面式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计,使之成 为能使电动机气隙磁密波形趋近正弦波的磁极形状,可以显著提高电动机乃至整 个传动系统的性能。 ..永磁同步电机的磁路分析与计算 磁路计算的目的是在已知永磁体性能和磁路尺寸条件下,求解永磁体工作图 的各项数据,并根据永磁体工作图调整磁路尺寸,以保证磁路的合理设计。 ...永磁体等效成磁通源或磁动势源 永磁材料为均匀磁性材料,其磁感应强度曰,磁化强度肘和磁场强度?之 间的关系为: . 曰‖‖日 内禀磁感应强度为: . 蜀风曰一胁日 图.稀土永磁材料的内禀曲线和退磁曲线 稀土永磁材料的磁化强度肘,‖,式中,为剩余磁感应强度,对于特 定的稀土永磁材料是个常量。为稀土永磁材料的磁