永磁电机磁路计算基础

永磁电机磁路计算基础永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的分散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁电机。1在永磁电机内部实际存在的是多种形式的三维交变电磁场，要想准确地弄清它在空间的分布情况和随时间的变化规律，从而求出电机的动稳态性能比较困难。随着计算机技术和电磁场数值解法的迅速发展，目前在某些场合己开始用直接求解电磁场的方法来分析磁场分布和永磁电机的性能。2为了简化分析计算，目前在许多工程问题中仍常采用“场化路”的方法，将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计算，然后用各种系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差。这样可以大大减少计算所需的时间，在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时更为实用。在积累了一定的经验，取得各种实际的修正系数后，其计算精度可以满足工程实际的需要。31永磁电机的等效磁路1．1永磁体等效成磁通源或磁动势源45671.2外磁路的等效磁路81.3永磁电机的等效磁路9101112132等效磁路的解析法142．1等效磁路各参数的标么值永磁磁路中有关物理量的基值选为：磁通基值1516用标么值表示时，直线的回复线(或退磁曲线)可用解析式表示成172．2等效磁路的解析解先分析磁路不饱和情况，此时可以直接用解析法求解电机空载时，电枢磁动势的标么值fa=0外磁路的有关各参数可表示为18联立求解得得出空载永磁体工作点后，可求出空载时各部分磁通为：永磁体提供的总磁通19负载时的联立方程组为20然后用通常的磁路计算方法，根据外磁路尺寸和材质的磁化特性，求出磁路各部分的磁密和磁位差，并用以检查永磁电机设计的合理性和调整磁路设计。2122232.3解析法的应用以上为了推导过程简洁，是从退磁曲线为直线、回复线与退磁曲线重合的稀土木磁材料这一特例着手的。实际上，上述推导结果可以推广应用于所有永磁材料。研究实践表明，在永磁电机运行时，永磁体工作点是变化的，直接决定永磁体的磁密与场强关系的是回复线。或者说，永磁体在电机内的基本工作曲线是回复线，并不是退磁曲线。而所有永磁材料的回复线部近似认为是直线，区别在于它们并不都象稀土永磁那样在第二象限内全部是直线，而是在退磁场强超过一定值后出现拐点；而且，采用不同的稳磁处理引起起始点P的位置不同，导致回复线与纵轴的交点随之改变；这些增加了分析计算的复杂性。经过分析研究可知，只要针对不同情况进行处理，仍可应用上述方法。241)对于铁氧体永磁和部分高温下工作的钕铁硼永磁252)对于铝镍钴类永磁退磁曲线为曲线．但经过稳磁处理后，起始点以上的回复线也是直线，仅是回复线的高低与起始点P的位置有关。26对于有拐点的直线型退磁曲线，如果永磁体的最低工作点低于拐点，则应以最低工作点为起始点P，采用新的回复线。27283等效磁路的图解法采用标么值的解析法的优点是计算简单，适于应用计算机求解，但也存在不足，即不够直观，尤其是当退磁曲线为曲线或具有拐点和磁路饱和程度较高时。而应用图解法直接画出永磁体工作图，则可以清晰地看出各种因素的影响程度和工作点与拐点间的关系。故工程上在应用解析法进行计算机求解的同时，还常采用图解法进行补充分析。2930应用比磁导314永磁体的最佳工作点在设计永磁电机时，为了充分利用永磁料，缩小永磁体和整个电机的尺寸，应该力求用最小的永磁体体积在气隙中建立且有最大磁能的磁场。324．1最大磁能的永磁体最佳工作点33344．2最大有效磁能的永磁体最佳工作点则具有最大有效磁能的永磁体最佳工作点的标么值35364．3永磁体最佳工作点的应用37385永磁体体积的估算设计普通电励磁电机时，通常先根据待设计电机的技术经济性能要求和设计经验选择合适的电磁负荷A、Bδ值，而后计算确定电机的主要尺寸。但是，永磁电机的气隙磁通密度Bδ是由永磁材料性能、磁路结构形式、永磁体体积和尺寸以及外磁路的材质和尺寸决定的，难以象电励磁电机那样进行选择。因此．设计永磁电机时，在选择永磁材料牌号和磁路结构形式后要先确定永磁体的体积和尺寸。而且稀土永磁的价格很贵，单位输出功率所需永磁体体积通常是衡量电机设计优劣的重要指标之一。因此，需要分析永磁体体积的确定与哪些因素有关。39下面以隐极永磁同步电机为例，运用前面介绍的磁路计算方法和概念，具体推导计算永磁体体积的公式。永磁同步发电机的额定容量(kVA)404142可以看出：43444546