永磁电机最终

一、磁极结构永磁直流电机永磁无刷直流电机永磁同步电机永磁同步发电机有无凹槽小部分有大部分有内置式有，表面式无有有无极靴大部分有部分有一般没有部分有充磁方向圆周方向、平行充磁或径向充磁圆周方向、平行充磁或径向充磁圆周方向或径向圆周方向、平行充磁、径向充磁永磁体形状弧形、矩形、长棒形、圆筒形、瓦片形等弧形、长棒形、圆筒形、瓦片形弧形、长棒形、瓦片形等环形、星形、瓦片形、矩形等磁极结构圆形、方形圆形圆形圆形内置式大部分有有有表面式少数有有有1.永磁直流电机根据所用永磁材料的不同，将永磁直流电动机的磁极结构分为以下4类：铝镍钴永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机、稀土永磁直流电动机、复合磁极永磁直流电动机铝镍钴永磁直流电机铁氧体永磁直流电动机稀土永磁直流电动机复合磁极永磁直流电动机有无凹槽部分有一般没有一般没有一般没有有无极靴大部分有部分有部分有一般没有充磁方向圆周方向或径向圆周方向圆周方向圆周方向永磁体形状弧形、矩形、长棒形、圆筒形矩形、筒形、瓦片形瓦片形、长棒形瓦片形磁极结构圆形、方形圆形、方形圆形、方形圆形1.1铝镍钴永磁直流电动机的磁极结构铝镍钴永磁直流电动机的主要磁极结构如图1所示，其中（a）为两极结构，采用弧形永磁体，沿圆弧方向充磁，两块永磁体并联提供每极磁通，属于并联式磁路结构；（b）与（a）基本相同，不同之处是结构（b）的几何中性线位置开了凹槽，以削弱该位置的磁场，改善换向；（c）为多极结构，为便于永磁体的制造和充磁，采用矩形永磁体，圆周方向充磁；图（d）采用长棒形永磁体，沿径向充磁；图（e）采用圆筒形磁极，圆周方向充磁。1--永磁体2--电枢3--机壳4--极靴图1铝钴镍永磁直流电动机的磁极结构1.2铁氧体永磁直流电动机的磁极结构铁氧体永磁直流电动机的磁极结构如图2所示，其中（a）为瓦片形磁极结构，永磁体直接面对空气隙，电枢反应直接作用在永磁体上，且气隙磁密低，适合于对气隙磁密和电机体积要求不高的场合，设计不当会出现不可逆退磁；（b）在永磁体上安装软铁极靴，交轴电枢反应沿极靴方向闭合，对永磁体影响小，此外极靴还有聚磁作用，可以产生较高的气隙磁密，有利于减小电机体积和重量；（c）为整体圆筒形磁极，可以充为一对极或多对极，结构简单，加工和装配方便，便于大量生产，但极间的部分永磁材料作用很小，材料利用率低，但圆筒形永磁体较难制成各向异性，磁性能较差；（d）为方形结构采用矩形永磁体和聚磁极靴，与（b）相同。1--永磁体2--电枢3--机壳4--极靴图2铁氧体永磁直流电动机的磁极结构1.3稀土永磁直流电动机的磁极结构稀土永磁的特点是矫顽力高、剩磁密度高，在磁极结构上可以做成磁极面积和磁化长度均很小的结构形状，通常做成瓦片形，如图3（a）所示。在对体积重量要求很高的场合，可采用如（b）所示聚磁结构。1--永磁体2--电枢3--机壳4--极靴图3永磁直流电动机的磁极结构1.4永磁直流电动机的复合磁极结构在直流电动机中，电枢反应磁动势对前半极增磁，对后半极去磁。对于单向旋转的永磁直流电动机，前半极的全部或部分采用性能较低而价格便宜的材料，如铁氧体永磁或者实用软件；后半极采用高性能的永磁材料，如钕铁硼永磁，就是所谓的复合磁极结构，如图4所示。复合磁极的优点是：可以保证电机性能的前提下减少永磁材料用量，降低成本，还可使电动机具有复励性质。1--主极；2—辅助极；3—电枢；4—机壳图4复合磁极结构2.永磁无刷直流电机永磁无刷直流电动机中，主磁场由转子上的永磁体产生，常见的转子结构如图5所示。图（a）中两片永磁体形成转子N极，通过转子铁心的凸极形成两个S极。该结构可使永磁转子所需的永磁体片数减少一半，但凸极结构会使定子绕组电感随转子位置而变化，产生附加的磁阻转矩。图（b）中的永磁体切向充磁，可获得较大的气隙磁密，使用铁氧体永磁时多采用此结构，既能降低成本又能获得较高的气隙磁密。但此结构的电枢反应磁场较强，会引起气隙磁场畸变。图（c）中转子永磁磁极之间为铁心，运行时产生一附加磁阻转矩，通过合理设计可以使该磁阻转矩为有用的驱动转矩，提高电机的功率密度。对于多磁极永磁无刷直流电动机，转子多采用图（d）所示的结构，虽然其磁性能较低，但结构简单、工艺性好、成本低。图（e）、（f）、（g）所示转子结构中的永磁体均为表面安装，且一般为平行充磁，永磁体直接面对气隙，气隙磁场较强。由于永磁材料磁导率低，所以定子绕组电感较小，电枢反应磁场较弱，对永磁无刷直流电动机的运行有利。图5永磁无刷直流电机转子结构3.永磁同步电机永磁同步电动机的永磁体放置在转子上，其放置的方式影响到气隙磁通、漏磁乃至电机的性能。根据永磁体放置的位置不同，分为表面式和内置式两种转子磁极结构。3.1表面式转子结构3.1.1结构表面式转子结构如图6所示，永磁体用高强度非导磁圈固定在笼型转子的外部，磁极之间用填充物填充。1—铁芯；2—永磁体；3—导条；4—护环；5—极间填充物；6—轴图6表面式转子结构3.1.2特点磁极之间可以用非导磁材料，如树脂、铝、铜等填充，也可以用导磁材料填充。若采用非导磁材料填充，则交直轴磁路对称，属于隐极电机；若采用导磁材料，则交轴磁阻小于直轴磁阻，为凸极电机，可以利用凸极效应产生的磁阻转矩提高过载能力。当极数较少时，每极永磁体圆弧角度较大，材料利用率低、加工困难，可以采用拼块式结构，由多块永磁体拼成整个磁极。表面式转子结构的缺点是：导条在转子内部，产生的异步转矩较小，仅适合于对起动性要求不高的场合。3.2内置式转子结构3.2.1结构在内置式转子结构中，永磁体位于导条和铁心轴孔之间的铁心中。根据一对极永磁体的磁路关系，内置式转子结构可分为并联式、串联式和串并联混合式。在并联式磁路结构中，相邻两磁极的永磁体并联提供每极磁通，如图7所示，图（a）采用非磁性轴隔磁，而图（b）采用空气槽隔磁，可使用磁性轴。图（c）是并联式磁路结构，主要适用于磁性能较低的永磁材料，如铁氧体，其缺点是电机正反转时电枢反应程度不同，造成运行性能的不同，目前该结构已很少应用。1—铁芯；2—永磁体；3—导条；4—空气槽；5—轴图7并联式转子结构串联式磁路结构如图所示，两个磁极的永磁体串联，每极磁通由一个磁极的永磁体面积提供，磁动势由一对磁极的永磁体提供。其优点是转子轴不需要采用非导磁材料。其中图8（a）为早期结构，目前不再采用；图（b）放置永磁体少；图（c）、（d）、（e）的每极分别为字母“U”、”V”、”W”的形状，分别称为”U”、”V”、”W”结构，它们的优点是可以放置较多的永磁体，每极磁通大，缺点是加工工艺复杂。每当极数较多时，在图（c）、（d）、（e）中，径向磁化的永磁体放置空间很小，且影响切向磁化永磁体的放置空间，此时往往采用图（a）、（b）所示的并联式磁路结构。图（f）、（g）也是相邻两极磁路串联，可以归入这一类，其优点是结构简单。1—铁芯；2—永磁体；3—导条；4—空气槽；5—轴图8串联式磁路结构混合式磁路结构是从串联式磁路结构演化而成的，将图9（c）、（e）中相邻磁极中切向磁化的两块永磁体并在一起，就变成了图（a）、（b）所示混合式磁路结构。与图（c）、（e）相比，混合式磁路结构转子的结构简单，加工更方便，切向磁化永磁体的厚度为径向磁化永磁体厚度的2倍。其特点与”U”、”V”、”W”结构基本相同，也不适用于极数多的场合。1—铁芯；2—永磁体；3—导条；4—空气槽；5—轴图9混合式磁路结构3.2.2内置式、表面式结构的特点及对比1)特点通常交轴磁阻小于直轴磁阻，转子磁路不对称，所产生的磁阻转矩有助于提高过载能力和转矩密度。表面式转子结构永磁体采用非磁性圆筒或无炜玻璃丝带固定在笼型转子的外部,但由于导条在转子内部,产生的异步转矩较小,不适合对起动性能要求较高的场合;在内置式转子磁路结构中,永磁体通常位于转子导条和轴之间的铁心中,笼型转子直接面向气隙,这样起动性能好,广泛应用于要求起动性能好的场合中。内置式结构的缺点是漏磁大，需要采取一定的隔磁措施，转子机械强度差。2)对比两种电机的二维模型如图10所示。电机的基本参数如表1所示永磁同步电机图10电机二维模型表1电机基本参数两种结构永磁电机的空载气隙磁密谐波幅值占基波百分比如图11所示。不同结构的漏磁因数、空载气隙磁密波形正弦畸变率、齿槽转矩的对比如表2所示。图11谐波幅值占基波百分比表2两种电机性能对比（a）（b）4.永磁同步发电机磁极介绍4.1切向式转子磁路结构4.1.1结构切向式转子磁路结构由于永磁体和极靴的固定方式不同，通常分为切向套环式结构（图12）和切向槽楔式结构（图13）。4.1.2特点切向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向和气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比轴向式结构和径向式结构要大。但是，在切向式结构中永磁体并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多情况下更为突出。因此适合于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。图12切向套环式结构图13切向槽楔式结构4.2径向式转子磁路结构4.2.1结构径向式转子磁路结构中永磁体的形状主要有环形、星形、瓦片形和矩形四种。环形永磁体（图14）的结构和工艺最为简单，但永磁材料的利用率不高。目前主要应用于微型和小功率发电机。星形永磁体提高了永磁材料的利用率结构和工艺较为简单，但由于极间漏磁较大，充磁比较困难，容易造成永磁体的不均匀磁化，而且永磁体的形状复杂，永磁材料的磁性能同样偏低，因而发电机的容量容易受到限制。径向星形永磁体转子磁路结构又可分为无极靴和有极靴两种（图15a和b）。为在尽可能小的转子直径中放置尽可能大的永磁体，以提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度可以小，近年来又多采用瓦片形永磁体（图16）和矩形永磁体（图17）。4.2.2特点径向式磁路结构中永磁体的磁化方向和气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小。在一对极磁路中有两个永磁体提供每极磁通，故气隙磁密相对较低。图14环形永磁体图15星形永磁体转子磁路结构图16瓦片形永磁体结构图17矩形永磁体结构二、磁场分析1.磁场分析理论基础由于永磁材料、部件尺寸、电机绕组分布定、转子齿槽的影响,气隙中存在高次谐波磁场。这些高次谐波磁场会影响电动机的性能,如电流中存在谐波分量,转矩产生脉动,随之产生谐波损耗以及振动噪声等。因此磁场一些性能分析是评价一个电机合格与否的准则。2.磁场特性2.1磁场特性指标1)磁场强度磁场强度的大小直接决定电机转速，磁场强度越大转速越快。而磁场强度的大小和永磁体的材料有关。尤其是永磁材料的最大磁能积、剩磁感应强度和磁感应矫顽力。2)磁场空间分布及均匀性磁场的空间分布和均匀性是由电机结构的对称性直接决定的，磁场的空间分布越均匀气隙磁密波形越接近正弦波或方波，进而电机的转矩波动性越小，效率越高，工作噪声越小。3)漏磁漏磁根本上也是由电机结构的对称性决定的，电机结构越不对称，偏心越大，则漏磁因数越大，这将导致电机发热，损耗增大。2.2影响因素2.1.1永磁材料1)永磁材料的选取标准永磁材料的磁性能可以用一些磁参数表示,如剩余磁感应强度Br、矫顽力He、最大磁能积(BH)max等。永磁材料的性能参数是影响着永磁电机的性能的关键参数之一，所以再选择永磁材料时应满足以下要求：永磁电动机能长期稳定的运行；永磁材料的性能能长期应保持稳定性。永磁材料直接决定了电机内的磁场强度等特性。选择永磁体材料有一个衡量标准就是最大磁能积，即为B-H的乘积(B×H)max。当永磁体材料工作于这一点时，就会在气隙中产生同一的磁通密度而所需的使所需的永磁体体积最小。根据以上的描述，为了使所用的永磁体的体积达到最小，尽可能的选择的永磁体材料具有最大可利用的最大磁能积，永磁体材料还有剩磁感应强度Br、磁感应矫顽力Hc这两个参数需要考虑。在选取永磁材料时,通常从以下三方面进行考虑，为获得足够高的单位功率,永磁材料应具有足够大的磁感应强度、足够大的矫顽力及磁能积;永磁材料应具有良好的磁性能,包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性，尤其对于永磁同步风力发电机所