永磁同步电动机的设计及结构研究毕业论文

第1章 绪 论

永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同。但它以永磁体提供的磁通替

代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性，又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。

1.1 永磁性材料简述

永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大，只有全面了解后才能做到设计合理，使用得当。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造永磁电机的材料需要出发，扼要介绍电机中最常用的几种主要永磁材料。

1.1.1 稀土永磁材料

稀土永磁体的磁能积比电磁铁高得多，其磁能量密度已接近超导装置的水平。它的主要用途是用于同步或无刷直流电机。将磁体放入感应电机的转子内，其电机具有很高的效率和功率因数，可作为同步电机使用，也可以作为速度、转矩和效率可控的直流无刷电机使用。现在许多型号的电机，都有自己的功能和用途。在工业先进的国家，使用永磁体占20%左右，我们国家刚刚起步，稀土永磁电机的应用，主要取决于磁体的价格。

近几年来，钕铁硼永磁材料的磁性能大幅度提高，热稳定性和抗腐蚀性也有了较大的进展，价格也相对有所减低，国内外都出现一个新的应用高潮。我国稀土资源丰富，稀土储存量为世界其他各国存量之和的4倍，稀土矿石和钕铁硼永磁烧结的产量已居世界前列。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用稀土永磁电机，具有重要的意义。

在永磁电机产品结构方面，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场，钕铁硼永磁材料则以优异的磁性能得到迅速发展。铁氧体永磁以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场所占有的比例将相对减少，现有的大部分将被钕铁硼取代。但由于铝镍钴温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类型微电机中仍然会占有一席之地。

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永磁同步电动机由于取消了励磁绕组、集电环和励磁柜，与普通电励磁同步电动机相比，不仅提高了可靠性和维护性，其效率也有了较大提高；与异步电动机相比，不但效率提高，功率因数也大大改善。因此，研制中型高效稀土永磁同步电动机替代普通异步电动机和电励磁同步电动机，可改变目前我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。

我国是稀土大国，稀土储量占世界的80%，研究和开发中型高效稀土永磁同步电动机还可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，变资源出口为高附加值产品出口，并促进稀土永磁材料行业、电机行业、风机水泵行业和石油化工行业的产品结构调整和更新换代，产生以科技为先导的新的经济增长点，并促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造。

稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段:

(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发的重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因数的高科技领域。

(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的铝铁硼永磁后，国 内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。

(3)进入90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铝铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段。目前，稀土永磁电机的单台容量已经超过1000kW，我国己制成了110kW和250kW的永磁同步电动机，其效率高达95%。德国制成的6相变频电源供电的1095kW稀土永磁同步电动机，与过去使用的直流电动机相比，体积减少到60%左右，总损耗降低了20%左右。

从上叙述不难看出，稀土永磁材料各方面的性能和特点都优于其它的永磁材料。所以，本课题设计的永磁同步电动机中永磁体选用稀土永磁材料。

1.1.2 其它永磁材料

1.2.2.1 铝镍钴永磁

铝镍钴（AINio）永磁是20世纪30年代研制成功的。当时，它的磁性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用得最多、最广。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴（AINio）永磁在电机中的应用被取代，所占比例呈下降趋势。

按加工工艺的不同，铝镍钴（AINio）永磁分铸造型和粉末烧结型两种。前者的磁性能较高。后者的工艺简单。可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。

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铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小，

?Br 仅为-0.02% K?1 左右，因此，随着

温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。

这种材料的剩余磁感应强度较高，最高可达1.35T，但是它的矫顽力很低，通常小于160KA/m。它的退磁曲线呈现非线性变化。由于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理，即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点P的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不再下降。铝镍钴永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆嫒辜勤辜通颁的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。

1.2.2.2 铁氧体永磁材料

铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种。钡铁氧体

（BaO?6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO?Fe2O3）。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。

铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，Hc为128 ～ 320KA/m，抗去磁能力较强，密度小，只有4 ～ 5.2g/cm3,质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。

铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，Br仅为0.2 ～0.44T，最大磁能积?3BH?max仅为6.4 ～40 kJ/m。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大，环境温度

??0.18?0.20?%K?1对磁性能的影响大，剩磁温度系数为，矫顽力温度系数Hci为?0.4?0.6?%K?1。必须指出，铁氧体永磁的?Hci为正值，其矫顽力随温度的升高而增

?大，随温度降低而减小，这与其化几种常驻用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温度时产生不可逆退磁。另外，铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工，通常彩软质砂轮，最好选用R3碳化硅砂轮，并且磨削速度要适当，磨削中要用水充分冷却，这样既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁体。

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