永磁同步電機(jī)之永磁電機(jī)磁路計(jì)算基礎(chǔ)

    水磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。水磁體的磁性能不僅與生幸廠的制造工藝有關(guān)，還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān)，具體性能數(shù)據(jù)的分散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢(shì)還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。此外，永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路十分復(fù)雜而且漏磁通占的比例較大，鐵磁材料部分又比較飽和，磁導(dǎo)是非線性的。這些都增加了永磁電機(jī)電磁計(jì)算的復(fù)雜性，使計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度低于電勵(lì)磁電機(jī)。

在永磁電機(jī)內(nèi)部實(shí)際存在的是多種形式的三維交變電磁場(chǎng)，要想準(zhǔn)確地弄清它在空間的分布情況和隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而求出電機(jī)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能比較困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電磁場(chǎng)數(shù)值解法的迅速發(fā)展，目前在某些場(chǎng)合已開始用直接求解電磁場(chǎng)的方法來(lái)分析磁場(chǎng)分布和永磁電機(jī)的性能。這將在本書第4章進(jìn)行介紹。

為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，目前在許多工程間題中仍常采用“場(chǎng)化路”的方法，將空間實(shí)際存在的不均勻分布的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成等效的多段磁路，并近似認(rèn)為在每段磁路中磁通沿截面和長(zhǎng)度均勻分布，將磁場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為磁路的計(jì)算，然后用各種系數(shù)來(lái)進(jìn)行修正，使各段磁路的磁位差等于磁場(chǎng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的磁位差。這樣可以大大減少計(jì)算所需的時(shí)間，在方案估算、初始方案設(shè)計(jì)和類似結(jié)構(gòu)的方案比較時(shí)更為實(shí)用。在積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得各種實(shí)際的修正系數(shù)后，其計(jì)算精度可以滿足工程實(shí)際的需要。

在水磁電機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)所用永磁材料的退磁曲線大多是曲線，磁路的解析求解比較困難，因而形成了以永磁體工作圖圖解法為主的磁路計(jì)算方法，近年來(lái)，由于新出現(xiàn)的稀土水磁和鐵氧體永磁的退磁曲線為直線或部分為直線，回復(fù)線與其直線段相重合，也由干計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界的努力，逐步發(fā)展和形成了適于應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解的以等效磁路解析求解為主，用電磁場(chǎng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的各種系數(shù)進(jìn)行修正的一整套分析計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。本章在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于永磁電機(jī)磁路計(jì)算理論和方法的基礎(chǔ)上，先從分析永磁體的模擬模型著手，導(dǎo)出兩種等效磁路；然后建立以標(biāo)么值表示的解析算法和永磁體工作圖法；同時(shí)闡述與磁路計(jì)算有關(guān)的基本概念。這樣建立的磁路計(jì)算方法既適于用計(jì)算機(jī)求解，又概念清楚，與電磁場(chǎng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合后還可大大提高計(jì)算精度。至于各種修正系數(shù)，則在后續(xù)各章中針對(duì)各種永磁電機(jī)分別予以介紹。

1永磁電機(jī)的等效磁路

1 . 1永磁體等效成磁通源或磁動(dòng)勢(shì)源

為了便于分析研究，先從退磁曲線為直線、回復(fù)線與退磁曲線重合的稀土永磁材料的模擬著手，導(dǎo)出磁通源和磁動(dòng)勢(shì)源兩種等效磁源，然后推廣應(yīng)用到其他永磁材料。前面已介紹，在均勻磁性材料中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 、磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H間的關(guān)系為。

進(jìn)一步研究表明，永磁材料的磁化強(qiáng)度M Mr + ZH．式中Mr為剩余磁化強(qiáng)度，對(duì)于特定的永磁材料是個(gè)常量。 x為永磁材料的磁化系數(shù)，一般情況下是磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，與相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率間存在的關(guān)系為躊一1 + x 。由此，上兩式變?yōu)?。因此，永磁體也可以等效成一個(gè)恒磁動(dòng)勢(shì)源F與一個(gè)恒定的內(nèi)磁導(dǎo)A 。相串聯(lián)的磁動(dòng)勢(shì)源，如圖33所示。它與圖32所示的磁通源是等效的，二者可以互換。在應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，從方便出發(fā)進(jìn)行選擇．