横向磁场永磁电机的发展和研究现状 【摘要】横向磁场永磁电机因其高转矩密度和高效率的优点，吸引各国电机设计人员们对其结构设计、制造工艺、磁场分析及运行性能等方面展开了具体研究。在查阅现有的国内外相关文献资料的基础上，系统介绍了横向磁场永磁电机的主要拓扑结构的特点，分析了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向，最后对其应用前景进行了展望。 【关键词】横向磁场；拓扑结构；自定位转矩；功率因数 1.引言 横向磁场永磁电机（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，简称TFPM）是由德国著名电机专家H.Weh教授率先于1986年提出的一种新型电机结构，与传统电机相比，横向磁场电机具有以下特点[1][2]： （1）电机的每相都完全独立，因此相与相之间没有电磁耦合，可提高电机的容错能力。 （2）电机磁路呈三维分布，磁路与电路（线圈部分）处于不同平面，定子尺寸和线圈尺寸相互独立，从而使TFPM能够同时获得较大的定子齿横截面和线圈横截面，大大提高了电机的转矩密度，其输出大约是标准工业用异步电机的5~10倍。 （3）在保持转速、电机主要尺寸、气隙磁密等参数不变时，TFPM的功率与电机的极对数成正比，适用于低速、大转矩场合。 近几年来，随着电动车、电力直接推进装置和风力发电技术研究的深入，对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更为迫切，于是横向磁场永磁电机因其上述优点成为了新型电机的研究热点之一。许多欧美经济发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和应用研究，丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构，促进了横向磁场电机的发展。本文较系统地介绍分析了当前横向磁场永磁电机的主要拓扑结构，阐述了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向和方法，并对横向磁场电机存在的问题也做了简单介绍。 2.横向磁场电机的拓扑结构形式 按照永磁体的有无及安装方式来分，横向磁场电机拓扑结构可以分为四类：平板式、聚磁式、无源转子式和磁阻式[3]。 图1为德国亚琛的G.Henneberger教授设计的外转子平板式横向磁场永磁电机。这种结构中，永磁体被均匀地平铺于转子表面，相邻的永磁体被充磁成不同的极性，充磁方向一般为径向，U形定子铁心以两倍极距均匀分布在圆周上，其
1.论述永磁电机相对于传统电励磁电机的优缺点 优点： ①取消了励磁系统，降低了损耗，提高了效率； ②取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠； ③稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻； ④电机的尺寸和形状灵活多变； ⑤微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低。 缺点： ①控制问题 由于永磁电机是靠永磁体建立机电能量转换所需，气隙磁场永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。 ②不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。 ③成本问题 铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。 2.画出永磁材料的特性曲线，并列出其主要参数
永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。 永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。 磁能积曲线 (BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。 回复线
第34卷第2期2004年3月 东南大学学报( 自然科学版) JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition) Vol 134No 12 Mar.2004 永磁同步电动机电磁场计算中定转子 空间相对位置确定的研究 刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1 (1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044) 摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置. 关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022******* Investigation in determining the relative position between stator and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation Liu Ruifang 1,3 Yan D engjun 2 Hu Minqiang 1 (1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na) Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222. 作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博 士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.doczj.com/doc/a010753432.html,. 在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号 分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化. 1 定转子空间相对位置的确定问题 根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为
1.内功率因数角：定子相电流与空载反电势的夹角，定子相电流超前时为正。 2.功率角（转矩角）：外施相电压超前空载反电势的角度，是表征负载大小的象征。 3.功率因数角：外施相电压与定子相电流的夹角。 4.内功率因数角决定直轴电枢反应是出于增磁还是去磁状态的因素。 5.实际的空载反电势由磁钢产生的空载气隙磁通在电枢绕组中感应产生，当实际反电势大于临界反电势时，电动机将处于去磁工作状态。空载损耗与空载电流是永磁电机出厂试验的两个重要指标，而空载反电势对这两个指标的影响尤其重大。空载反电势变动时空载损耗和空载电流也有一个最小值，空载反电势设计得过大或过小都会导致空载损耗和空载电流的上升，这是因为过大或过小都会导致空载电流中直轴电流分量急剧增大的缘故。还对电动机的动、稳态性能均影响较大。永磁机的尺寸和性能改变时，曲线定子电流I=f(E)是一条V形曲线。（类似于电励磁同步机定子电流和励磁电流的关系曲线） 6.由于永磁同步电动机的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，因而矩角特性曲线上最大值所对应的转矩角大于90度，而不像电励磁同步电机那样小于90度。这是一个特点。 7.工作特性曲线： 知道了空载反电势、直轴同步电抗、交轴同步电抗和定子电阻后，给出一系列不同的转矩角，便可以求出相应的输入功率，定子相电
流和功率因数，然后求出电动机在此时的损耗，便可以得到电动机出去功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线，即为电动机工作曲线。 8.铁心损耗： 电动机温度和负载变化导致磁钢工作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化。温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，铁耗越小。工程上采用与感应电机铁耗类似的公式，然后进行经验修正。 9.计算极弧系数： 气隙磁密平均值与最大值的比值。它的大小决定气隙磁密分布曲线的形状，因而决定励磁磁势分布的形状、空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。其大小还影响气隙基波磁通与气隙总磁通比值，即磁钢利用率，和气隙中谐波的大小。 10.永磁电机气隙长度： 是非常关键的尺寸。尽管他对于永磁机的无功电流影响不如感应电机敏感，但对于交直轴电抗影响很大，继而影响电动机的其他性能。还对电动机的装配工艺和杂散损耗影响较大。 11.空载漏磁系数： 是很重要的参数，是空载时总磁通与主磁通之比，是个大于1 的数，反映空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度。空载漏磁系数以磁导表示的表达式又正好是负载时外磁路应用戴维宁定理进行等效转换的变换系数，同时由于负载情况的不同，电枢磁动势大小不同，磁路的饱和程度也随之改变，气隙磁导、漏磁导
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 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Ansoft Maxwell 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Maxwell 2D 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。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 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η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
永磁电机转子磁钢退磁 问题分析 The manuscript was revised on the evening of 2021
关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析 于平 2015年7月30日 鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况，经查阅相关资料并结合实验数据，对永磁体退磁原因进行如下分析。 永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点，现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域，特别是伺服行业，几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因，会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。磁钢退磁，会使电机的性能下降，甚至无法使用。所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因，以供后续参考。 一、永磁体的特性 1、永磁体的工作点及回复线 、永磁体的退磁曲线为直线时（图一），k点为退磁曲线的拐点，当电机带载工作点在k点之上是，卸载后磁钢剩磁会沿着直线B r k回到B r点，当电机带载工作点在k点之下，如P点，此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点，此时已造成不可逆退磁。 、永磁体的退磁曲线为曲线时（图二），当电机带载后，工作点为A1,卸载后，回复线不会与曲线A1R重合，而是以A1A2S作为回复线，此时如果电机带载工作点不超过A1，则以A1A2R作为回复线，一旦带载工作点超过A1，假如到了A3点，则会以A3A4P作为回复线，长此下去，不可逆退磁将会越来越严重。
图一退磁曲线为线性时的永磁体工作图图二退磁曲线为曲线时的永磁体工作图 2、温度特性 温度的变化会引起磁钢性能的变化，特别是钕铁硼永磁体，它对温度很敏感（图三），当温度超过一定值，材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低，当温度恢复后，它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复，造成不可逆退磁。而从图四可以看出，常温下，钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线，没有拐点，当温度上升时，永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大，最低工作点也将越来越高。 图三钕铁硼材料的热退磁图四温度对退磁曲线的影响 3、震动特性 永磁体在收到剧烈的震动或者是敲打后，有可能引起其内部畴发生变化，磁畴的磁矩方向发生变化后, 磁钢磁性能会变差, 就会造成磁钢退磁。
第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007 2007年8月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号：TM341 文献标识码：A 学科分类号：470?40 新型横向磁通永磁电机磁场研究 褚文强，辜承林 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074) Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet Machine CHU Wen-qiang, GU Cheng-lin (College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: Firstly，a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced．Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated．Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available. KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation 摘要：简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。 关键词：横向磁通；永磁电机；磁场计算 0 引言 横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine，TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5]；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8]；国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功[9-11]。此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂，加工困难，基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式，简化了电机结构，降低了对制造工艺的要求，使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。本文在文献[16]基础上，利用有限元方法分析了该电机的空载磁场，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了定位力矩，最后对样机的实验数据进行了比较分析。 1 新型横向磁通永磁电机 TFPMM磁路呈三维分布，其拓扑结构变化较为丰富，按其永磁转子结构和磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。文献[16]正是在德国G．Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子)，其定转子结构如图1、2所示，主要结构特点如下： （1）永磁体轴向磁化，相邻磁体极性相反，各相磁体(2p个)沿转子内表面均布，m相磁体轴向分隔，周向对齐。 （2）U形磁轭以两倍极距均布(每相p个)，各相独立，三相定子轴向互错120o电角度被固定在非磁性定子支架上。 （3）电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/a010753432.html, 永磁同步电机内永磁体退磁分析 作者：马博李博 来源：《科学与信息化》2018年第08期 摘要随着国内科技水平的逐渐提高，对于稀土永磁电机的应用也越来越广泛，相比于传统的电励磁电机相比结构更为简单，从整体上减少了应用过程中的加工和装配产生的费用，效率高控制性能也较强。研究与开发高性能的稀土永磁电机能够有效促进国内生产发展，而研究的重点和难点就在永磁磁场的波动与永磁体失磁的问题。 关键词永磁电机；退磁；原理 近年来国内经济科技的迅猛发展使得很多新兴机械应用于生产工作中，稀土永磁电机就是其中一例。稀土永磁电机的效率高、功率密度大，且具有良好的控制性能，相比于老式的电机结构更加简单明了，运行也十分稳定。随着应用和研究的不断深入，人们发现永磁体存在磁场波动和退磁的问题，直接影响了永磁电机的应用和运行。另外，随着永磁体退磁，磁体内部与电机内的电流和升温以及功角存在相互影响的现象，一旦发展没有得到遏制，就会直接影响电机内部使其发热和破坏转矩的性能，这种情况下，电机一旦应用不当或者是管理存在漏洞没能及时发现问题，电机就会直接报废。因而分析永磁体退磁对于永磁体电机的应用于发展具有重要的意义。 1 永磁体的性质概述 简单来说，永磁体实际上就是一种通过外部的磁场饱和或者进行充磁之后能够保持其磁性和磁力的一种磁性功能材料，这种材料具有一定的稳定性，后期对于外部的能量需求较少并且能够持续且较为稳定的提供磁场，因而也被称之为硬磁材料。这种材料的具体分支十分庞大，根据其制造方式与磁体内部组成成分之间的差异，可以分为铸造永磁体、烧结永磁体、可加工永磁体和黏结永磁体。其中烧结永磁体根据成分可分为铁氧体和金属磁体，可加工永磁体可分为锰铝碳永磁和铜镍铁永磁等五种类型。可以说是选择非常丰富的磁性材料了，应用方面相当广泛。对于永磁电机而言，组成磁极的永磁材料是至关重要的，这种材料的磁性能直接关系着永磁电机的各项素质。例如电机内部的磁路尺寸，电机的整体体积以及相关的功能指标都与电机内部的磁性材料密切相关，甚至影响的着电机的运行效果和运行特性。在非铁磁材料中，随着磁通密度与磁场强度之间的变化和饱和度的差异形成了一条具有其变化性质的曲线，一般称之为磁化曲线，根据曲线的发展变化会存在一个使得非磁性物质存在磁滞性，永磁材料的退磁曲线能够描述其应用特性[1]。 2 永磁电机内永磁体的退磁方式和原因 2.1 退磁方式及原因
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 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Ansoft Maxwell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Maxwell 2D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。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 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 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 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： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 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。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm 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；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ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 δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ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 δ。 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。
永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕组反电势的解 析计算 王兴华，励庆孚，王曙鸿 （西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049） 摘要：该文利用许-克变换构造了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数，该气隙相对比磁导函数反映了齿槽效应对气隙磁场分布的影响，且这种影响的程度随气隙中的径向位置而变化。在忽略铁心饱和的情况下，结合偏微分方程的解析算法，提出了一种考虑齿槽效应的永磁无刷直流电机空载气隙磁场分布和相绕组反电动势的解析计算方法。计算结果与二维有限元计算结果对比，其计算波形和大小吻合很好。证明此方法是正确的、可靠的，为永磁无刷直流电机优化设计和性能分析提供了基本分析手段。 关键词：永磁无刷电机；气隙磁场；反电势；解析计算 1 引言 对于永久磁钢表面安装的永磁电机，由于定子铁心开有若干槽，使气隙磁导并非均匀值，从而导致电机气隙磁场并非理想的梯形波，其中含有幅值较大的齿谐波，当电机旋转时会引起相绕组交链磁链的波动，使相绕组反电势出现波动，进而导致绕组相电流的脉动，引起电磁转矩的波动，最终引起电机的振动和噪声。 可见，要准确计算永磁电机的电磁转矩波动，首先应准确计算电机气隙内的磁场分布，从而可以准确计算出电机相绕组的反电动势变化波形和电机的电磁转矩波动，以确定有效的改进措施和控制策略。而准确计算永磁电机气隙内磁场分布的关键是如何考虑齿槽结构对气隙磁场分布的影响。 在气隙磁场的求解方法中，有限元数值计算方法可以准确计算出气隙磁场的分布波形，具有通用性强、适用于各种媒质的特点。但其前处理过程复杂、计算时间较长，对使用者有较高的技术要求，在电机优化设计中不便采用。解析方法可以较准确地计算气隙磁场分布波形，同时可以观察到气隙磁场分布与结构尺寸之间的关系，具有很大的工程实用价值。文献[1]、[2]利用解析方法对气隙磁场进行计算，求解出气隙磁场的分布波形，但文中忽略了齿槽的影响。文献[3]讨论了永磁电机中定子斜槽（或转子斜极）、永磁体磁化方式、气隙长度、转子半径和永磁体极弧系数对气隙磁场分布的影响，给出计算气隙磁场分布的经验公式，由此计算出相绕组反电动势变化波形，可是文中忽略了齿槽的影响，公式的通用性也较差。文献[4]采用等效磁路的方法构造出考虑齿槽效应的气隙磁导分布函数，以此求解电机内气隙磁场的分布，但文中等效磁路法默认为齿槽效应对气隙磁场分布的影响程度与气隙内的径向位置无关，这与实际磁场分布有一定偏差[5]。文献[6]采用部分区域的方法，利用连续边界条件求解齿槽对气隙磁场的影响，但文中忽略了永磁体相对磁导率m r的影响。 本文以许-克变换为基础，构造出考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数，该气隙相对比磁导函数反映了齿槽效应对气隙磁场的影响程度，且这种影响程度随气隙径向位置而变化。在忽略铁心饱和的情况下，本文结合偏微分方程的解析算法，提出了一种永磁无刷直流电机空载气隙磁场分布和相绕组反电势的解析计算方
关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析 于平 2015年7月30日 鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况，经查阅相关资料并结合实验数据，对永磁体退磁原因进行如下分析。 永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点，现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域，特别是伺服行业，几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因，会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。磁钢退磁，会使电机的性能下降，甚至无法使用。所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因，以供后续参考。 一、永磁体的特性 1、永磁体的工作点及回复线 1.1、永磁体的退磁曲线为直线时（图一），k点为退磁曲线的拐点，当电机带载工作点在k点之上是，卸载后磁钢剩磁会沿着直线B r k回到B r点，当电机带载工作点在k点之下，如P点，此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点，此时已造成不可逆退磁。 1.2、永磁体的退磁曲线为曲线时（图二），当电机带载后，工作点为A1,卸载后，回复线不会与曲线A1R重合，而是以A1A2S作为回复线，此时如果电机带载工作点不超过A1，则以A1A2R作为回复线，一旦带载工作点超过A1，假如到了A3点，则会以A3A4P作为回复线，长此下去，不可逆退磁将会越来越严重。 图一退磁曲线为线性时的永磁体工作图图二退磁曲线为曲线时的永磁体工作图 2、温度特性 温度的变化会引起磁钢性能的变化，特别是钕铁硼永磁体，它对温度很敏感（图三），当温度超过一定值，材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低，当温度恢复后，它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复，造成不可逆退磁。而从图四可以看出，常温下，钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线，没有拐点，当温度上升时，永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大，最低工作点也将越来越高。
永永磁电机综述及退磁分析 1能源的重要 1,1可再生能源研究现状及发展趋势 能源是当今社会存在和发展的基础，随着人们生活水平的提高和社会的发展，人类对能源的需求正在逐渐增大，而能源的短缺正成为制约社会发展的重要因素。对传统能源的开发利用不仅受到资源有限的限制，而且在能源使用的过程中还会产生温室效应和环境污染等全球性问题。因此，通过对新型能源的开发，实现资源的持续利用和人类社会可持续发展具有重要作用。目前可以对新型能源进行开发利用的主要有光伏发电、风力发电、潮汐能发电以及生物能和水力能发电等。近年来，随着电力电子技术的发展，风力发电的利用及其优势开始显现，它是可再生能源中技术最成熟、发展速度最快、最具有商业发展潜力的新能源之一；光伏发电技术具有对环境影响小的优点，但是太阳能光伏电池板和逆变器的高成本限制了其在光照强度不强的地区的应用；潮汐能发电具有对地理位置要求高，发电设备需安装在海底，稳定性差等缺点，因此很难进行大规模开发利用；生物能和水能的利用同样受到地域、成本以及环境的影响，因此对生物能和水能的开发利用也较难。 1.1.1 全球可再生能源研究现状及趋势 进入21世纪，世界各国都加大对风能、光伏等可再生能源的研究利用。发展可再生能源己经成为许多国家对能源进行研究和开发的主要内容。2006年3月，欧盟首脑会议确定到2020年风能、光伏等新型能源消费总量要占到传统能源消费总量的20%；2011年美国提出到2030年全美20%的电力供应由风力发电提供，生物燃料消费量要占汽车燃料消耗量的30%以上；印度在2009年风电装机容量已达到1100万千瓦时，装机总容量排在世界第5位；巴西通过利用甘蔗等本地资源大力发展生物能，到2008年底生物燃料总产量已达两千多万吨，并且计划到2030年底生物能年产能达到750亿升，从而将生物能的生产作为巴西经贸的主要资源。 目前，全球己有60多个国家制定了相关的法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障可再生能源战略目标的实现。到2009年底，全球风能和太阳能等可再生能源总共约贡献了1.7%的发电量，占全球能源消费总量的0.7%。风力发电总装机容量增长了31%，生物燃料发电量增长了8%，太阳能发电总装机容量也已达到10000兆瓦以上。总之，目前可再生能源的发展正朝着生产技术逐渐成熟、项目规模逐渐增大、建设快速逐渐加快、投资渠道逐渐增多、生产设备效率逐渐提高、设备维护逐渐便利的方向发展。 1.1.2 我国新能源发展现状及趋势 可再生能源是我国能源资源的重要组成部分，它在环境污染治理、经济社会发展、能源供应和能源结构改造等方面发挥了重大作用。由于政府的大力引导和支持以及市场需求的推动，我国可再生能源的发展具有良好的内外部条件，我国可再生能源开始进入快速发展。2009 年，我国新能源年年产能值相当于2.6亿吨煤的产能，占到我国能源消费总量的8.34%。到2011年底，我国水力发电总装机容量1.97亿千瓦时，居世界第一；风力发电总装机容量达2730万千瓦时，新增装机容量居世界第一，总装机容量居世界第三；太阳能光伏电池年产量达4 千兆瓦时，为全球份额的40%，太阳能热水器总超过1.45亿平方米居世界第一。尽管我国新能源行业各方面发展迅速但其规模化和产业化发展仍然面临诸多问题，主要有：①市场机制成不够熟，使得新能源产业很难和传统能源产业竞争；②能源政策和配套措施不完善，对可再生能源企业扶持力度不够；③企业对新能源的战略地位认识不够，以及对对能源企业发展的衔接性和科学性认识不足；④企业和政府对新能源的研发投入不足；⑤整个产业链体系较薄弱，利润率较低；⑥对我国新能源产业评估不深入，不利于新能源的产业化发展。总之，新能源产品市场竞争力低、成本价格高是我国可再 生能源产业发展面临的主要问题，解决问题的根本途径是大力推进可再生能源的产业化、规模化发展[1]。 能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的30％－40％，我国电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中风机、泵类、
永磁同步电机失磁故障诊断综述 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例 4.2.1 问题描述 三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。该电机的模型示意图如图4-1 所示。 图4-1 4 极24 槽永磁电机结构示意图 通过本问题的分析，读者可以学习掌握Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。 Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下： 1创建项目及定义分析类型 2建立几何模型 3定义及分配材料 4定义及加载激励源和边界条件 5求解参数设定 6后处理 4.2.2 创建项目 Step1. 启动Ansoft 并建立新的项目文件 假设用户计算机已经安装了Microsoft 公司的Windows 操作系统和Ansoft 公式的12 版本Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。
图4-2 Maxwell 12 启动初始界面 执行File/New/命令，或者单击工具栏上按钮新建一个项目文件如图4-3 所示。 图4-3 添加新项目界面 Step2. 重命名及保存项目文件 在项目管理窗口中右键单击项目名称选择Rename 命令，输入PMSM-Magstatic 对项目 文件进行重命名，如图4-4，单击工具栏上按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录 4