振荡起动单相永磁同步电机的设计

hypo_qu

前段时间我发了一个求助贴，问的是如何设计振荡起动单相永磁同步电机，当时会员“标准答案”用了2个晚上的时间为我解答，我在这非常感谢“标准答案”的应助，我也要兑现我的承诺，奖励200西莫币，因这次论坛硬盘损坏，造成这贴的丢失，现我再发此贴，希望能把这个电机的设计过程再现给广大会员，“标准答案”我多汇了100币给你，希望你能把这个电机的设计过程再写一下，我在这再次感谢！

hypo_qu

我也找了一些相关资料

欧阳庆

标准答案的回答,值得商榷? 不过还是要谢谢你的答案.

hypo_qu

标准答案的回答,值得商榷? 不过还是要谢谢你的答案.
欧阳庆 发表于 2009-9-22 09:17

                               
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我听人家说，这种电机你比较在行，能否也写一下这个过程。

标准答案

感谢斑竹信任！我也没留底稿，现凭印象重新写一下：
一、主要尺寸估算
1  根据功率、电压估算电流
   I=P/（U×η×cosφ）－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（1）
   式中：P－－输出额定功率；
         U－－额定电压；
         η－－效率，可暂设一个值如75％，以后会校核该值；
         cosφ－－功率因数，可暂设一个值如0.9（该值与磁钢选择有关，设计时尽量使其为1）。
2  根据电流确定线径
   Scu=I/J－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）
   d=2√Scu/π－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（3）
3  根据窗口面积确定匝数
   略
4  确定叠厚
   U=4.44Ku×f×W×Φ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（4）
式中：Ku－－电势系数(即端电压与电势之比，由于漏抗压降存在，故端电压大于电势，此系数大于1，可暂设一个值如1.03，以后再校核）；
     f－－－频率；
     W－－－总匝数（两个线圈的）；
     Φ－－－磁通。
   根据（4）式算出磁通 Φ。

        Φ＝B×Sfe-----------------------------------------------------------------------------(5)
式中：B－－铁芯臂中的磁密，取B为1.1~1.3；
         Sfe---铁芯臂截面积。
  根据（5）式算出铁芯臂截面积Sfe，又已知铁芯臂宽度即可求出叠厚。


二、磁路计算，确定转子磁钢的尺寸
    1  磁势计算
       知道了磁通，不难根据各段磁路的结构得到各处磁密，通过查磁化曲线可以得到各段磁路的磁压降及气隙磁压降，降其相加即得到总的磁压降。
    2  上述计算得出的总磁压降即为该电机运行时所需磁势。该磁势的建立由两个磁势源提供，一是永磁体，二是定子线圈。若磁钢较薄，磁钢产生的磁势小于总磁势时，定子线圈中就必须有滞后的无功电流，以补充不足的那部分磁势，此状态称为欠励状态，功率因数为滞后，且磁钢越薄定子线圈中滞后的无功电流就越大，功率因数就越低，定子电流也就越大；反之，若磁钢较厚，磁钢产生的磁势大于总磁势时，定子线圈中就必须有超前的无功电流，此状态称为过励状态，功率因数为超前，且磁钢越厚，定子线圈中超前的无功电流也就越大，功率因数同样会越低，定子电流也就越大。为了减小定子电流，我们希望磁钢产生的磁势恰好等于电机所需的总磁势，这样功率因数就等于1，此时定子电流最小。据此计算磁钢厚度。即使磁钢的矫顽力乘以磁钢厚度等于电机所需的总磁势。此时功率因数为1，用（1）式算得的电流较大，设计偏保守，不必重新选线径。至少选择的磁钢厚度应使功率因数大于0.9，否则应重新选线径。

三、参数计算
    1  直流电阻计算
    知道了线圈匝数和线径，不难算出线圈的直流电阻，不再赘述。
    2  主电抗计算
    知道了磁通和总磁势，二者一比（磁通除以总磁势）即为磁路的磁导，磁导乘以匝数的平方即为主电感，再乘以角频率即为主电抗。（计算时注意单位）
    3  漏电抗计算
     漏电抗计算是一个难点，且由于漏电抗计算主要基于漏磁路计算，因此很难算准确。有条件的话建议用有限元法进行漏磁路的数值计算，没有条件可参照变压器的漏抗计算方法计算。实在不行，根据本人的建议取漏抗为主电抗的0.3%，是八九不离十的，完全可以满足工程上精度要求。

四、性能计算
    1  校核功率因数
       a 磁钢的材料和厚度确定后，用其矫顽力乘以厚度即可算出磁钢产生的磁势Fc，用电机运行时所需磁势Fz减去Fc即为定子线圈产生的磁势F,即
          F＝Fz－Fc————————————（6）
         注： F为正时功率因数为滞后，为负时功率因数为滞后。
       b 定子无功电流：
         Iq=F/w——————————————（7）
         式中W为匝数。
       c 定子有功电流：
         Ip=P/U=15/230=0.0652 A————————（8）
        注：定子有功电流的计算是基于15瓦为输入功率计算的，若为输出功率则还应再除以效率。
   
       d 知道了有功电流和无功电流不难求出功率因数。
       e 求出功率因数后与（1）式对照，若求出的功率因数高于0.9，说明实际电流比（1）式估算的电流小，就不要修正了。否则应该调整磁钢厚度，以满足功率因数高于0.9，最好是功率因数等于1 。
    2 定子电流校核
       知道了有功电流和无功电流，则实际的定子总电流即为二者的平方和再开方。
    3 效率校核
        知道了实际的定子总电流和定子电阻即可求出铜耗；知道了铁心磁密、频率和铁心材料及重量可求出铁耗，机械耗可凭经验估计（大约0.15W），附加损耗可按定子铜耗的0.5%估算，这样就可求出总损耗，从而求出效率。若求出的效率高于（1）式中的设定值则不必重新计算线径，否则需重新计算线径。
    4 磁路校核
      知道电流和阻抗参数后，就可以计算出漏阻抗压降，根据相量图可以求出反电势（本人不会编辑图形对不起）。近似算法，若功率因数为1，且忽略电阻压降时，则电压与漏抗压降的平方差再开方即为反电势。求出反电势后，端电压除以反电势即为（4）式中的电势系数Ku，若计算出的电势系数Ku与 （4）式中所设的值不同，则重新设电势系数Ku，并重复（4）式以后的过程，直至二者相差不大为止。
    5 转矩校核
      a 额定转矩  根据效率可求出输出功率，又知道转速即可得到转矩。
      b 启动转矩  启动转矩与转子位置有关，且很难用路的办法算准确，可用场的数值计算求出气隙磁场储能与转子位置的函数，然后求气隙磁场储能对转子位置角的偏导数即是转矩对转子位置角的函数，不同的转子位置角对应不同的启动转矩。若电机启动时负载较轻，可不做此项校核。
      c 最大转矩  用启动转矩校核同样的方法求出气隙磁场储能对转子位置角的偏导函数的最大值即为最大转矩。根据本人经验，近似算法为电压乘以反电势除以主电抗再除以机械角速度就近似等于最大转矩。最大转矩反映了电机的瞬时过载能力。

以上算法仅做抛砖，希望有玉的砸过来！！！

wzguang

4# hypo_qu
我这边也有一些从网上收集的资料，希望对大家有帮助
U型单相自起动永磁同步电机参数计算与起动特性分析.pdf (196.56 KB, 下载次数: 90)

2009-9-22 22:13 上传

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单相自起动永磁同步电动机综述.pdf (174.83 KB, 下载次数: 107)

2009-9-22 22:13 上传

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基于三维有限元法U型单相自起动永磁同步电机涡流场与温度场的分析计算.pdf (321.09 KB, 下载次数: 72)

2009-9-22 22:13 上传

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wzguang

附件是我之前做些类电机有关参数的计算与大家探讨,希望大家多多指教. 新建文件.doc (43.5 KB, 下载次数: 114)

2009-9-22 23:04 上传

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hypo_qu

楼上的附件

renzhiguo

原来是论坛硬盘坏了啊，我说怎么今天一上来又从工人变成学徒了呢。欧阳，期待你的“标准答案”！

wishwxf

最近刚好在做这个电机，用于水泵使用，效率在60%左右。现在在实际过称中主要存在的问题是低于额定电眼20%的情况下很难牵入同步。哪位高手可以指定一下

wishwxf

该电机功率因数较低，在0.4左右。

标准答案

答复楼上：
从你提供的信息看，电磁设计严重不合理，解决的办法有二：一是增加磁钢厚度，二是适当增加叠厚。这种电机应该设计的功率因数较高才合适，至少要达到0.8(滞后）。

wzguang

10# wishwxf
不知楼主电机功率大多大？温升会不会超过40度，如果不会的话可以适当减少匝数或将线径放大一个规格，另外还有就是你的泵腔设计也很重要（这也上影响电机低压起动的一个重要原因）。
如果温升高的话那只有增加矽钢片叠了。
还有此类电机的低压起动相对其它电机是会差，（你们应该也是出口的吧？）

wishwxf

我在设计该电机的时候参考了台湾做的电机，后来向沈阳工业大学的一个教授请教过。台湾的电机功率因数也在0.5左右。由于内部空间的问题，叠厚已经很难增加，泵腔应该如何设计比较合理啊，各位有何高见啊？大家在设计该电机的时候气隙在多少左右啊（大小气隙）？我这个电机输出功率在35W。

wishwxf

我现在是调节安匝，基本可以达到低压启动使用要求。

wishwxf

是出口的，不过这个市场好像前景不好。

wzguang

14# wishwxf
如果你的水泵流量够的话，可以在泵腔出口位置增加一个导流装置，这样低压起动会有明显改善（离叶片不要太远，与外径差不多3MM左右，导流装置可以是活动也可是固定的）希望对你有帮助。

headpig

产品设计重点在于定子形状,确保转子停止位置,避免起动死点,反转或震荡.避开新型专利.
还有省电

wishwxf

定子的形状如何设计比较合理啊，这个电机利用不均匀气隙振荡启动，两边的气隙设计应该比较重要的。

标准答案

标准答案的回答,值得商榷? 不过还是要谢谢你的答案.
欧阳庆 发表于 2009-9-22 09:17

                               
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俺不是搞这种电机的，只是凭着自己的理解用最基础的理论归纳了一下，抛砖引玉而已，欢迎大虾指正！！！