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内置式永磁同步电动机设计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.09M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    论文评语： 成绩： 评阅教师： 评阅日期： 内置式永磁同步电动机设计 摘 要: 提出了内置式永磁同步电动机的经验设计方法。应用经验设计方法, 可以 比较简单的计算内置式永磁同步电动机主要设计参数的预估值。用预估值代入性能 校核程序, 根据计算结果适当调整有关参数。样机验证了提出的经验设计方法的可 行性。 关键词: 内置式; 永磁同步电动机 中图分类号：TM351 文献标识码：A 1引言 大多理论研究和分析, 对于指导制造工厂进行研究开发虽有一定的帮助, 但设计工程师往往在阅读学习这样的文章后, 依然对永磁同步电机的开发设计 感到困难。本论文从工程应用的角度, 提出一套针对工厂设计人员的经验设计方 法。设计人员可以很容易根据本文方法预估电机的有关主要参数, 然后代入性能 校核程序进行核算, 并根据计算结果进行适当调整即可完成设计任务。 2 设计的主要任务 内置式永磁同步电动机设计的主要任务是确定电机的主要尺寸和电机的磁 路结构,选择永磁体的牌号,估算永磁体的体积, 设计定、转子冲片和绕组数据等, 然后应用性能校核程序对初始方案进行计算, 调整电动机某些设计参数直至电 磁设计方案符合技术指标。目前经常使用的电磁设计方法是等效磁路法和电磁场 数值解法[2]。不论用何种设计方法,主要尺寸的确定、磁路结构的选择、定、转 子冲片的尺寸等许多重要数据开始总要设计人员根据所设计的电机进行预估。文 献[2][3]尽管对永磁同步电机的设计和优化进行了研究, 但对主要数据的预估 值如何确定没有提及。本文采用等效磁路法编制了基于VB 的永磁同步电机性能 校核程序, 适合内置式永磁同步电动机, 限于篇幅, 略去设计程序框图。本文主 要目的是向工厂设计人员提出一套适合于内置式永磁同步电动机的经验设计方
    法, 据此方法设计人员可方便地计算主要参数的预估值。 3 经验设计步骤 根据电动机的功率和极数, 以及要求的力能指标, 经过预估的电磁负荷, 由文献[ 4 ]可确定电机的D2ilLef, 然后凭经验选取一定的主要尺寸比LeföS, 即 可得到电机的主要尺寸。内置式永磁同步电动机的设计可参照异步电动机的原始 数据来设计。为最大限度的给电机设计人员以借鉴, 本文的内置式永磁同步电机 的经验设计方法以目前最通用的Y 系列和Y2系列异步电机为基本参照, 在Y系 列或Y2系列异步电机上做适当改变。以下的设计认为是标准功率, 即与Y或Y2 系列电机相应规格的功率相同。 3.1 定子的设计 考虑到模具的通用性和产品开发的经济性, 定子冲片可借用Y或Y2系列相 同规格,铁心长度及绕组参数预估值亦与Y或Y2系列相同。定子铁心在叠压时扭 斜一个定子齿距或转子齿距。 3.2 磁路结构的设计 内置式转子磁路结构根据永磁体磁化方向与转子旋转方向之间的相互关系 分为径向式、切向式和混合式三种[ 5 ]。三种磁路结构各有其优缺点, 本文介绍 的经验设计法采用径向式磁路结构, 图1 为这种结构转子的示意图。 1.鼠笼条 2.永磁体 3.永磁体槽 4.轴 图1 内置式永磁同步电机转子 3.3 转子槽数的确定 参照Y 或Y2 系列的定、转子槽配合, 尽可能使转子槽数与电机极数相比为 整数。以4P 电机为例,可供选择的槽配合为: 24ö20、36ö28、48ö44。
    3.4 鼠笼条材料及转子槽形的选择 如果所设计的电机使用工频电源, 而且要求带载起动, 甚至是满载起动, 转子槽形应尽量选择大一点, 以减小转子电阻, 使牵入转矩提高。对于小功率电 机, 由于异步起动完成时转差率比较高, 鼠笼条宜采用电阻率小的铜条, 对于 功率较大的电机, 依然可以使用铸铝。如果对于起动要求不是很高, 或使用变频 器供电, 则不论功率大小, 均可采用铸铝结构, 且槽形相对可以选择得浅一点、 窄一点。 3.5 永磁体尺寸的估算 永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度Lm、磁化方向长度Hm 和宽度Bm。 一般情况下, 永磁体轴向长度取得与电机铁心长度相同。因此, 真正需要确定的 永磁体尺寸只有两个: 磁化方向和长度Hm 和宽度Bm。根据笔者的研究, 对于 工程设计, 可以按以下经验预估永磁体尺寸: Hm 的确定应使永磁体工作 在最佳工作点, 同时考虑电动机的直轴电抗合理; 永磁体的宽度根据所选 永磁体材料(多用钕铁硼) 及牌号, 以电机空载电动势等于(0.7- 1.1)Un为原则来 确定。当选用钕铁硼38SH 时, 按下列经验公式初选永磁体尺寸: Hm = (6-10)D (1)式，Bm= (0.5- 0.8)S (2)式中, D、S分别为电机的气隙长 度和极距。 4 其它 考虑到永磁同步电动机的气隙磁密谐波较为丰富, 为降低杂散耗和装配的 便利, 永磁同步电机的气隙可以在Y和Y2系列电机上适当加大。另外, 转子外圆 在一般情况下可以按Y 或Y2 系列电机同样加工。如果需要进一步提高效率, 转 子外表面可以采用非圆, 而使用曲线槽, 以改善气隙磁密波形[ 6 ] , 降低杂散 耗。同时, 当电机轴向长度较长, 为使得磁钢插入磁钢槽容易进行, 可以采取分 段结构[ 6 ]。永磁体与永磁体槽之间的工艺间隙根据制造厂的铁心叠压水平确 定, 可考虑在0.1mm-0.4mm之间。转子槽底与磁钢槽之间的间隙不宜超过4mm , 在工艺和质量能保证的情况下, 该间隙应尽可能取得小一点。 5 设计举例 应用本文的经验设计方法预估相关数据, 通过校核程序进行微调, 设计了
    一台4P、1.5kW 的内置式永磁同步电动机。下面给出该样机的设计、实验情况。 5.1 样机设计的主要参数 型号: PM 90L-4, 功率: 1. 5kW。借用Y2-90L-4 普通异步电动机的结构, 电 机定子铁心扭斜12.5mm , 其余均按Y2-90L-4 (铁心长105, 线圈1-0. 80, 67 匝ö 圈)。转子槽数为20, 磁钢选用钕铁硼38SH, 尺寸为105mm×32mm ×3.6mm。为 加工方便, 将永磁体分成两段。设计的转子磁钢槽采用了低谐波结构[ 6 ]。 5.2 主要性能数据的设计值与实验对比 电流的波形。图中横轴为时间(m s) , 纵轴n 是速度曲线(400rpmö格) , ia 是电流曲线(2Aö格)。一个运行全过程包括启动(包括自动倒缝)、高速运行、停 车 ( 包 括 自 动 倒 缝 ) 。 在 启 动 阶 段 (0ms ～140ms) 电 机 快 速 加 速 到 倒 缝 速 度 1500röm in, 并在( 160ms～350ms) 稳定以倒缝速度完成启动时倒缝工艺, 倒缝 结束后(350m s～650ms) 电机加速到高速(2700römin ) 进行缝制, 然后电机速 度降至倒缝速度, 完成结束时的倒缝工艺(650ms～1020ms)。当以上工艺完成后, 电机以固定的剪线速度150röm in 运转(1020ms～1150ms) , 剪线动作完成。这 样就完成了一次完整的缝制过程。 图2 运行全过程的转速和电流波形 由于采用了保持倒缝时速度恒定和按规定时间提前发动作命令的控制方法 倒缝控制效果很好, 自动剪线效果也达到设计要求, 具体的实验结果省略。 6 结束语 本论文的系统采用永磁同步电机作为主驱动, 各种功能电磁铁配合主驱动
    完成各种辅助功能。并举例研究了一种全自动高速平缝机驱动控制系统,实验结 果和实际系统运行效果表明本系统达到设计要求, 目前本系统已开始批量生产。 本学期的伺服系统是以小论文形式,老师给出要求，学生可以按自己的兴趣来命 题，趣味性强，同时也可以学到很多东西。虽然课程结束了，在其中难免留下了 很多遗憾,由于时间的紧缺和许多课业的繁忙等各方面原因，并没有做到最好，但 我相信以后会做的更好。 参考文献: [ 1 ] 姚光中. 内置式永磁同步电机的等效电路[J ]. 电机技术, 2002, (1) : 6- 11 [ 2 ] 李晓竹等. 钕铁硼永磁同步电动机的设计及优化[J ].辽宁工程技术大学学报, 2003, 22 (3) : 360- 361 [ 3 ] 陈晨等.差异进化算法在永磁同步电机优化设计中的应用[J ].微特电机,2004, (2)10- 12 [ 4 ] 陈世坤. 电机设计[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1982 [ 5 ] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1997 [ 6 ] 王步来. 一种高效永磁同步电动机[P ]. 实用新型专利:ZL 03210628. 9 [ 7 ] 李永东. 交流电机数字控制系统[M ]. 北京: 机械工业出版社, 2002 [ 8 ] 李志民, 张遇杰. 同步电动机调速系统[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1996 [ 9 ] 姜淑忠等. 工业缝纫机永磁同步伺服电动机系统[J ].
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