同步电机电枢反应的电磁场分析
张帆09291062
1利用Maxwell 电磁场数值计算软件，建立两极同步电机的二维模型。
(1)建立模型
（2）设定材料属性
（3）设定边界条件
2写出三相对称电流的表达式。根据所建立的模型中的定转子相对位置情况，计算出在交轴电流，去磁直轴电流，助磁直轴电流三种情况下，在所建模型中每相电流的数值。
三相对称电流的表达式：
I aa’=I m cos(wt)
I bb’=I m cos(wt-120)
I cc’=I m cos(wt-240)
2单独给转子绕组通电流进行电磁场计算，画出空载时磁力线分布图和气隙磁场的磁密分布波形;
空载时磁力线分布
气隙磁场的磁密分布波形
3单独定子绕组通交轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组通电流，观察交轴电枢反应时磁场的扭斜情况，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
单独定子绕组通交轴电流，电枢磁场
同时给转子绕组通电流，电枢磁场
交轴电枢反应气隙磁密的分布波形
4单独定子绕组通去磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子
通电流，画出磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场是否减小，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
单独定子绕组通去磁直轴电流，电枢磁场的分布
同时给转子通电流，电枢磁场的分布
同时给转子通电流，气隙磁密
5单独定子绕组通助磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组电流，画出电枢磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场的变化，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
单独定子绕组通助磁直轴电流，电枢磁场的分布
同时给转子绕组电流，电枢磁场的分布
永磁同步电机与异步电机性能比较 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/P n）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。 (a) η--( P2/P n) (b) ? cos--( P2/P n) 图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 1. 异步起动永磁同步电动机 2.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率
4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%. 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的沮度升高，影响了电机的使用寿命。 由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。 4.对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足翰出功率的耍求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电两能量的损失，加重了电网负荷。 在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。
同步电机章节作业： 1. 有一台TS854-210-40的水轮发电机，P N =100兆瓦，U N =13。8千伏，9.0cos =N ?，f N =50赫兹，求（1）发电机的额定电流；（2）额定运行时能发多少有功和无功功率？（3）转速是多少？ 解：（1）额定电流A U P I N N N N 6.46489.0108.13310100cos 336=????==? （2）有功功率MW P N 100= 无功功率 var 4.48)9.0tan(arccos 100tan M P Q N N =?==? （3）转速 min /15020 506060r p f n N N =?== 2.同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么？在下列情况下（忽略电机自身电阻），电枢反应各起什么作用？ 1） 三相对称电阻负载； 2） 电容负载8.0*=c x ，发电机同步电抗 0.1*=t x ； 3） 电感负载 7.0*=L x 答： 电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ， 而ψ角既与负载性质有关，又与发电机本身的参数有关。 由等效电路图可知（忽略电枢绕组电阻r a ）： ①当负载阻抗为Z L =R 时，阻抗Z=jx t +R ，其阻抗 角ψ在900>ψ>00范围内，即空载电动势. 0E 和 电枢电流。I 之间的相位角ψ在900>ψ>00范围内， 所以电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应； ②当负载阻抗为Z L =-jx c 时，阻抗Z=jx t -jx c ，由于x t *=1.0>x c *=0.8, 阻抗角ψ=900，即空载 电动势.0E 和电枢电流。 I 之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应； ③当负载阻抗为Z L =jx L 时，阻抗Z=jx t +jx L 的阻抗角为ψ=900，即空载电动势. 0E 和电枢电流。 I 之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应。 3. 试述直轴和交轴同步电抗的意义。X d 和X q 的大小与哪些因素有关？ 直轴（交轴）同步电抗表征了当对称三相直轴（交轴）电流每相为１Ａ时，三相联合产生的直轴电枢反应磁场和漏磁场在一相电枢绕组中感应的电动势。 直轴（交轴）同步电抗是表征对称稳态运行时直轴（交轴）电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。 Xd 正比于频率f,电枢相绕组的串联匝数的平方N ２以及直轴气隙磁导Λd ；
同步电机 一、填空题: 1. 同步电机_____________对_____________的影响称为电枢反应。同步发电机电枢反应的性质取决于 __________________________。 电枢磁动势;励磁磁动势;内功率因数角ψ 2. 同步发电机当?=0°时,除产生____________________电枢反应外,还产生__________________________ 电枢反应。 交轴电枢反应;直轴去磁电枢反应 3. 利用同步发电机的_____________与_____________曲线可以测量同步发电机的同步电抗,利用______ ______与_____________曲线可以测量同步发电机的定子漏电抗。 空载特性;短路特性;空载特性;零功率因数负载特性 4. 利用_________可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗与交轴同步电抗。 转差法 5. 同步发电机与电网并联运行的条件就 是:(1) ;(2) ;(3) ;(4) 。 发电机的频率等于电网的频率;发电机的电压幅值等于电网电压的幅值且波形一致;发电机的电压相序 与电网的电压相序相同;在合闸时,发电机的电压相位与电网电压的相位一样 6. ★同步电机的功率角θ有双重物理含义,在时间上就是 与 之间的夹角;在空间上就是 与 之间的夹角。 励磁电动势0E &;电压U &;励磁磁动势1 f F &;等效合成磁动势F δ'& 7. 同步发电机静态稳定的判据就是___________,隐极同步发电机静态稳定极限对应的功率角 θ= 。 0dT d θ >,90? 8. 同步发电机并联在无穷大容量电网上运行时,要调节输出的有功功率,必须调节___________________ ________;如果只调节其输出的无功功率,可通过调节______________实现。 原动机的输入功率(或输入转矩);励磁(电流) 9. 一台并联在无穷大容量电网上运行的同步发电机,功率因数就是超前的,则电机运行在______状态,此时 发电机向电网发出__________的无功功率;若不调节原动机的输入功率而使励磁电流单方向调大,当发 出的无功功率为零时,励磁状态为 状态;进一步增大励磁电流,电机变化到_____状态,此 时发电机向电网发出_______无功功率。 欠励;超前(或容性);正常励磁;过励;滞后(或感性) 10. 凸极同步发电机功角特性的表达式就是_________________________________________。 20sin sin 22d q M d d q X X E U P m mU X X X θθ-=+ 11. ★凸极同步发电机与电网并联,如将发电机励磁电流减为零,则发电机电磁转矩为 。
极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination. Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force 1引言 永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠，且其调速性能优越，克服了直流伺服电动机机械式换向器和电刷带来的一系列限制[1]。永磁同步电机在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机越来越广泛地应用于高性能、
同步电机 一、填空题： 1. 同步电机_____________对_____________的影响称为电枢反应。同步发电机电枢反应的性质取决于__________________________。 电枢磁动势；励磁磁动势；内功率因数角ψ 2. 同步发电机当?=0°时，除产生____________________电枢反应外，还产生__________________________电枢反应。 交轴电枢反应；直轴去磁电枢反应 3. 利用同步发电机的_____________和_____________曲线可以测量同步发电机的同步电抗，利用______ ______和_____________曲线可以测量同步发电机的定子漏电抗。 空载特性；短路特性；空载特性；零功率因数负载特性 4. 利用_________可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。 转差法 5. 同步发电机与电网并联运行的条件是：（1） ； （2） ； （3） ； （4） 。 发电机的频率等于电网的频率；发电机的电压幅值等于电网电压的幅值且波形一致；发电机的电压相序与电网的电压相序相同；在合闸时，发电机的电压相位与电网电压的相位一样 6. ★同步电机的功率角有双重物理含义，在时间上是 和 之间的夹角；在空间上是 和 之间的夹角。 励磁电动势0E &；电压U &；励磁磁动势1 f F &；等效合成磁动势F δ'& 7. 同步发电机静态稳定的判据是___________，隐极同步发电机静态稳定极限对应的功率角= 。 0dT d θ>，90 8. 同步发电机并联在无穷大容量电网上运行时，要调节输出的有功功率，必须调节___________________ ________；如果只调节其输出的无功功率，可通过调节______________实现。 原动机的输入功率（或输入转矩）；励磁（电流） 9. 一台并联在无穷大容量电网上运行的同步发电机，功率因数是超前的，则电机运行在______状态，此时发电机向电网发出__________的无功功率；若不调节原动机的输入功率而使励磁电流单方向调大，当发出的无功功率为零时，励磁状态为 状态；进一步增大励磁电流，电机变化到_____状态，此时发电机向电网发出_______无功功率。 欠励；超前（或容性）；正常励磁；过励；滞后（或感性） 10. 凸极同步发电机功角特性的表达式是_________________________________________。 20sin sin 22d q M d d q X X E U P m mU X X X θθ-=+ 11. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，则发电机电磁转矩为 。
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：
同步电机习题与答案 6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后] 6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？ [答案见后] 6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？ [答案见后] 6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗 X aq？ [答案见后] 6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？ [答案见后] 6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值？为什么X q一般总是采用不饱和值？ [答案见后] 6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？ [答案见后] 6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？
[答案见后] 6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？ [答案见后] 6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。[答案见后] 6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？ [答案见后] 6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？ [答案见后] 6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式 [答案见后] 6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X′d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？ [答案见后] 6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝2.13。电枢电
永磁同步电动机的分类和特点 一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法
上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状 永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代 原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。 引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因： （1）电枢反应引起的转矩脉动 减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计 磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁 体径向励磁结构等。 （2）电流换相引起的转矩脉动
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。
第六章 同步电机的稳态分析 6-4 同步发电机电枢反应的性质取决于什么？交轴和直轴电枢反应对同步发电 机的运行有何影响？ 答：同步发电机电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置，即激磁电 动势0? E 和负载电流? I 之间的相角差0ψ。交轴电枢反应产生交轴电枢磁动势，与产生电磁转矩及能量转换直接相关；直轴电枢反应产生直轴电枢磁动势，起到增磁或者去磁的作用，与电机的无功功率和功率因数的超前或滞后相关。 6-6 为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？凸极同步发电机负载运行 时，若0ψ既不等于 0，又不等于 90，问电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间是否同相，为什么（不计磁饱和）？ 答：因为凸极电机的气隙不均匀，分析时需用双反应理论。当负载运行时，若0ψ既不等于 0，又不等于 90，电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间的相位不同，因为交、直轴的磁路不同，相同大小的磁势产生的磁通不同，如右图。 6-8 有一台70000KV A ，60000KW ，13.8KV ，(星形联结)的三相水轮发电机， 交直轴同步电抗的标幺值分别为,7.0,0.1==* *q d x x 试求额定负载时发电机的激磁电动势*0E (不计磁饱和与定子电阻)。 解：额定功率因数7 6 cos == N N N S P ? ，∴ 31=N ? 设 01∠=* ?U ，则 31 1-∠=* ?I 8.23486.17.03101∠=?-∠+∠=?+=* * ?*?*?j x I j U E q Q ∴ 8.23=N δ 8.548.23310=+=+=N N δ?ψ ) (sin )(00*********-?+=-+=q d Q q d d Q x x I E x x I E E ψ 731.1)7.00.1(8.54sin 486.1=-+= 6-15 有一台* d x =0.8， .0=*q x 5 的凸极同步发电机与电网并联运行，已知发电机 1 aq ad F ad B 1aq
永磁同步/异步电机的性能，你知道多少？ 时间：2017-03-18 06:25:32 来源：空压机网性质：转载作者：空压机网【推荐给朋友】 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素
异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/Pn）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。
图为永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 a. 异步起动永磁同步电动机 b.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载 率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%。 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升
§2.3负载时直流电机的磁场――电枢反应 直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。具体分析如下： 当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。 一、交轴电枢磁势Faq 电枢磁场如左图，若电枢上半周的电流为流出， 下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动 势建立的磁场如虚线所示。从图可见，电枢磁动 势的轴线总是与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。 左图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成右图。 设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭
合磁力线回路。 据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数： Zaia A=-------（安培导体数/cm) ∏Da 式中： Za――电枢绕组的总导体数； D――电枢外径； ia――电枢电流。 则闭路总磁势为Fa＝2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为Faq＝A×x。
交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是――"马鞍形"波。如上右图ba（x）。 二、直轴电枢磁势Fad 如下图此图当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度β，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。 电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad 即Fa＝Fad＋Fad 三、直轴电枢反应 若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。直轴 电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触 时，此时也存在交轴电枢反应（以后分析），现
同步电机电枢反应 磁场分析 一．课题内容 通过电磁场仿真计算明确同步电机电枢反应概念，仿真，分析和理解在同步电机定子电流为交轴，直轴去磁，直轴助磁情况下电机磁场的
分布情况，并重点分析气隙磁场的分布波形以及电枢反应对磁场大小的影响，总结电机电枢反应的规律。 二．课题背景 在同步电机中，电枢反应既是学习的难点也是重点。当同步电机作为发电机运行时，在空载时只有励磁绕组通有电流，主极磁场为直轴磁场，对称分布。若带三相对称负载，电枢绕组中通过三相对称电流时，会产生相应的电枢磁场。气隙内的磁场由电枢磁场和主极磁场合成。电枢反应的性质取决于电枢磁场和主磁场在空间的相对位置，其变化情况较为复杂，因此，利用仿真软件对同步电机的电枢反应进行分析，有利于加深对电枢反应的理解，并熟练掌握不同的情况下电机内磁场的分布规律。 三．探究方式 利用Maxwell 电磁场数值计算软件，建立两极同步电机的二维模型。通过改变定转子绕组电流，利用软件自带的作图系统，分布绘制电枢磁场分布，气隙磁场分布等图，对比分析得出同步电机磁场分布以及电枢反应影响的规律。 探究步骤 1单独给转子绕组通电流进行电磁场计算，画出空载时磁力线分布图和气隙磁场的磁密分布波形； 2单独定子绕组通交轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组通电流，观察交轴电枢反应时磁场的扭斜情况，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
3单独定子绕组通去磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子通电流，画出磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场是否减小，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形； 4单独定子绕组通助磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组电流，画出电枢磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场的变化，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形； 5比较上述几种情况下的磁力线分布和气隙磁密分布波形，对照电枢电流情况总结同步电机电枢反应规律。 6根据上述结果，分析当发电机负载为阻感性负载时，电枢反应情况.并自己设定电枢电流数值，计算此种情况下的气隙合成磁场分布，画出磁力线图，气隙磁密分布图，比较计算结果与理论分析结果是否相符。 四．仿真结果 交轴电流，去磁直轴电流，助磁直轴电流三种情况下，在所建模型中每相电流的数值如下：（取转子电流1000A定子最大200A） I A I B I C 交轴100 -200 100 直轴去磁173 0 -173 直轴助磁-173 0 173 1.单独给转子绕组通电流 空载时磁力线分布图如下
同步电机
第八章同步电机 8.1 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）结构模型： 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁 磁场（也称主磁场、转子磁场）。除了 转场式同步电机外，还有转枢式同步发 电机，其磁极安装于定子上，而交流绕 组分布于转子表面的槽内，这种同步电 机的转子充当了电枢。图8-1-1给出了 典型的转场式同步发电机的结构模型。 图中用AX、BY，CZ 共3个在空间错 开120°电角度分布的线圈代表三相对称 交流绕组。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕 图8-1-1 同步电机结构模型 组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对 称电流后，会产生高速旋转磁场，随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝4.44f NФf k w （8-1-1） 式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
第六章 同步电机 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 增加 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 答 减小 7. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 δsin2)X 1X 1( mU d q 2 - 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B
4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A q aq d ad X X X X X >>>>σ； B σX X X X X q aq d ad >>>>； C σX X X X X ad d aq q >>>>； D σX X X X X aq q ad d >>>>。 答 D 5. 同步补偿机的作用是（ ）。 A 补偿电网电力不足； B 改善电网功率因数； C 作为用户的备用电源； D 作为同步发电机的励磁电源。 答 B 三、判断 1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。 （ ） 答 错 2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。 （ ） 答 错 3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。 （ ） 答 错 4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。 （ ） 答 错 5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（ ） 答 错 6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。 （ ） 答 错 7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。 （ ） 答 错 8. 同步发电机的稳态短路电流很大。 （ ） 答 错 9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（ ） 答 错 10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。 （ ） 答 对 11. 与直流电机相同，在同步电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。 （ ） 答 错 12. ★在同步发电机中，当励磁电动势0 E &与I &电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。 （ ） 答 错 四、简答 1. ★测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.951n ，对试验结果有什么影
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何
第六章同步电机的稳态分析 6.1同步电机的基本结构和运行状态 一、同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。 旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。 旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。 在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。 隐极式——转于做成圆柱形，气隙为均匀； 凸极式——转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。 对于高速的同步电机(3000r／min)．从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠．对于低速电机(1000r／min 及以下)，转子的离心力较 小，故采用制造简单、励 磁绕组集中安放的凸极式 结构较为合理。大型同步 发电机通常采用汽柁机或 水轮机作为原动机来拖 动，前者称为汽轮发电机， 后者称为水轮发电机。由 于汽轮机是一种高速原动 机，所以汽轮发电机一般 采用隐极式结构。水轮机 则是一种低速原动机，所 以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机．大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长．汽轮发电机均为卧式结构，图6—2表示一台汽轮发电机的外形图。汽