永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析畢業(yè)設計報告

1、畢業(yè)設計論文永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析湖南工程學院應用技術學院畢業(yè)設計 （ 論文）誠信承諾書本人慎重承諾和聲明：所撰寫的永磁同步發(fā)電機的設計及磁 場有限元分析是在指導老師的指導下自主完成，文中所有引文或 引用數(shù)據(jù)、圖表均已注解說明來源，本人愿意為由此引起的后果承 擔責任。設計（論文）的研究成果歸屬學校所有。學生（簽名）年月日湖南工程學院應用技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目： 永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析姓名 * 系* 專業(yè)電氣工程及其自動化 班級 * 學號 *矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。指導老師 * 職稱 * 教研室主任 * 聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。一、基本任務及要求：1 、基本數(shù)

2、據(jù)：1） 額定功率： PN =7.5K W2）連接方式：Y3）額定電壓：UN =400V4）額定轉速：nN =1500r min5）相數(shù)：m=36）功率因數(shù)：cos =0.97）效率： = 0.948）冷卻方式：空氣冷卻2 、本畢業(yè)設計課題主要完成以下設計內(nèi)容：（ 1）按所給定技術要求完成永磁同步發(fā)電機的電磁設計方案；（ 2）用 ANSOFT或 ANSYS有限元法對發(fā)電機磁場進行仿真研究；（ 3 ）說明書編制。、進度安排及完成時間：2 月 27 日 3 月 10 日：查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告3月 11 日 3 月 23 日：畢業(yè)實習、撰寫實習報告3月 24 日 4 月 25 日：畢

3、業(yè)設計（電磁設計）4月 26 日 5 月 20 日：畢業(yè)設計（磁場有限元分析）5 月下旬：畢業(yè)設計中期抽查5月 21 日 6月 1日：撰寫畢業(yè)設計說明書（論文）6月 2 日 6月 9日：修改、裝訂畢業(yè)設計說明書（論文） ，并將電子文檔上傳 FTP6月 10 日 6月12日：畢業(yè)設計答辯湖南工程學院畢業(yè)設計論文隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展， 能源的需求量也日益增加。 電能作為現(xiàn)代工業(yè)中 最重要的二次能源， 也發(fā)揮著越來越重要的作用。 而電機作為電能的生產(chǎn)者和主 要的消費者， 它的需求量在工業(yè)制造中占有很大的比例。 電機是以磁場為媒介進 行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。 為了在電機內(nèi)建立進行機電能量轉

4、換所必 需的氣隙磁場，可以有兩種方法：一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場， 例 如普通的直流電機和同步電機， 這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相應的 裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場。由 于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能 在其周圍空間建立磁場，這就是既可簡化結構，又可以節(jié)約能量的永磁電機。 殘 騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。永磁同步發(fā)電機的應用領域廣闊， 功率大的如航空、航天用主發(fā)電機、大型火電機組用副勵磁機，功率小的如汽車、拖拉機用發(fā)電機、風力發(fā)電機、小型水 力發(fā)電機、小型內(nèi)燃發(fā)電機組等都廣泛采用各種類型的永磁同步發(fā)電機。

5、釅錒極額 閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。永磁電機的發(fā)展依賴于永磁材料等相關電機材料， 從最初的永磁電機的誕生 到近年來各種高性能永磁電機的出現(xiàn)， 這正是永磁電機隨著永磁材料的更新?lián)Q代 的過程。 永磁電機的應用從最初的單一領域而發(fā)展到如今的國防、 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和 人們?nèi)粘Ｉ畹雀鼮閺V泛的應用領域； 同時也隨著各種現(xiàn)代化技術的日益成熟向 著大功率化、微型化、多樣化、高性能化等方向不斷發(fā)展。 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。我國稀土資源豐富，“稀土不稀”，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的四 倍左右，號稱“稀土王國” 。我國稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列，因 此充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢， 大力研究和推廣應用以稀土永

6、磁電機為代 表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價 值。 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。摘 要 I 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。 II 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。1 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。1 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨。1 預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2 滲釤嗆儼勻諤鱉調硯錦。3 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。3 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。3 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。3 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。4 蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。4 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。5 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。6 驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。6 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。7 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。8 構氽頑黌碩飩薺齦話騖。8 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。8 堯側閆

7、繭絳闕絢勵蜆贅。9 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。10 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。10 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。10 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。11 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。12 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。12 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。14 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。湖南工程學院畢業(yè)設計論文目錄Abstract 第 1 章 緒 論 1.1 永磁材料發(fā)展概況 1.2 永磁同步發(fā)電機顯著優(yōu)點 1.3 永磁同步發(fā)電機的發(fā)展方向和前景 第 2 章 永磁同步發(fā)電機結構和原理 2.1 永磁同步發(fā)電機結構 2.1.1 轉子結構 . 2.1.2 定子結構 . 2.2 永磁同步發(fā)電機原理及特性 2.2.1 工作原理 . 2.2.2 運行特性

8、 . 2.3 永磁同步發(fā)電機的設計特點 2.3.1 永磁材料和轉子結構的選擇 2.3.2 固有電壓調整率和降低措施 第 3 章 設計方案 3.1 轉子設計 . 3.1.1 永磁材料的選擇 3.1.2 轉子磁路結構 . 3.2 定子設計 . 3.2.1 定子鐵心 3.2.2 定子繞組形式 . 第 4 章 電磁設計程序 4.1 額定數(shù)據(jù)： 4.2 永磁材料的參數(shù)尺寸確定 4.3 轉子結構尺寸 : 湖南工程學院畢業(yè)設計論文4.4 定子繞組和定子沖片尺寸 14 慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。4.5 磁路計算 17 諺辭調擔鈧諂動禪瀉類。4.6 電壓調整率和短路電路計算 23 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。4.7 損耗

9、和效率計算 24 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。第 5 章 磁場有限元分析 . 26 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。5.1 有限元分析法和 Ansoft 軟件介紹 . 26 紂憂蔣氳頑薟驅藥憫騖。5.2 電機的電磁仿真及設計優(yōu)化 26 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。5.2.1 采用 RMxprt進行路的方法計算 26 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。5.2.2 Maxwell2D動態(tài)仿真和相關參數(shù)設置 . 37 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。5.2.3 動態(tài)性能曲線及分析 38 擠貼綬電麥結鈺贖嘵類。5.2.4 結論 42 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。結束語 44 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。參考文獻 45 裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。致 謝 46 倉

10、嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。附錄永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析摘 要：隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定 性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展， 永磁電 機以其優(yōu)越的性能和結構在現(xiàn)代航空航天 . 國防. 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活各個領 域得到了廣泛的應用。 永磁電機采用永磁體勵磁， 電機內(nèi)部的電磁場分布較為復 雜，采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會帶來較大的誤差， 為保證計算的準確， 一般 采用有限元法對電機內(nèi)部電磁場進行數(shù)值計算。 本課題主要是針對永磁同步發(fā)電 機的主要尺寸， 轉子永磁體結構， 定子繞組形式， 定子

11、沖片和槽數(shù)槽型尺寸以及 電磁場的仿真研究，主要做一下工作： 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。首先介紹永磁發(fā)電機的基本原理、 特性、設計特點以及永磁材料的特性和選 擇；其次運用傳統(tǒng)電機設計方法對電機的主要尺寸、 轉子結構、 定子繞組形式以 及相關參數(shù)進行設計和計算；最后基于 Ansoft 磁場仿真軟件對所設計的電機的性能指標進行計算、優(yōu)化 設計和建立二維仿真模型進行二維瞬態(tài)分析 驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。關鍵詞： 永磁同步發(fā)電機 電磁設計 磁場有限元分析- I-永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析Design and finite element analysis of magnetic field of P

12、ermanent magnet synchronous generato瑣r 釙濺曖惲錕縞馭篩 涼。Abstract: In recent years， continues increase and improve the performance of permanent magnetic materials, particularly neodymium-Iron-Boron permanent magnetic materials and improvement of corrosion resistance and thermal stability of prices and grad

13、ually reduced, as well as the further development of power electronic devices, permanent magnet motor with superior performance and structure in modern aerospace. Defense. industrial and agricultural production and has been widely used in all areas of daily life. Permanent magnet motor with permanen

14、t magnet excitation, complexity of the electro-magnetic field distribution inside the motor, using the traditional method of equivalent magnetic circuit analysis will lead to large errors, for the calculation of accurate, within General Motors using finite element method for numerical calculation of

15、 magnetic field. This topic is intended for permanent magnet synchronous generator of main dimensions, rotor of permanent magnet structure, form of stator windings, number of stator laminations and Groove dimensions and the simulation of electro-magnetic fields, mainly: the first describes the basic

16、 principles, characteristics of permanent magnet generator, design features and characteristics and selection of permanent magnet materials; Second using traditional design methods on main dimensions, structure of the rotor, stator of electric motor winding design of forms and the related parameters

17、; Finally motor based on Ansoft design by magnetic field simulation software optimization design and calculation of performance indicators and the establishment of two dimensional simulation model for analysis of two-dimensional transient keyword: simulation of magnetic field of permanent magnet syn

18、chronous generator electromagnetic design Aso鎦ft詩涇艷損樓紲鯗餳類。 Keywords: permanent magnet synchronous generator electromagnetism design 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。finite element analysis for magnetic field- II -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析1.1 永磁材料發(fā)展概況19 世紀 20 年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的永磁電 機。但當時所用的永磁材料是天然鐵礦石（ Fe3O4）, 磁能密度很低，用它制成

19、的電機體 積龐大，不久被電勵磁電機所取代。 20 世紀 30 年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可 達 85KJm3）和 50 年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁材料（最大磁能積現(xiàn)可達 40 KJ m3），磁性 能有了很大的提高，各種微型和小型電機也紛紛使用永磁體來勵磁。這段時期在永磁電 機設計理論、計算方法、充磁和和制造技術等方面也都取得了突破性發(fā)展，形成了以永 磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。但是鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36160KA m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.20.44T ），限制了它們在電機中的應用范圍。一直到上世紀 60年代和 80 年代，稀 土鈷永磁和釹

20、鐵硼永磁 （二者統(tǒng)稱稀土永磁） 相繼問世， 它們的高剩磁密度、 高矯頑力、 高磁能積和線性的退磁曲線等優(yōu)異性能特別適合制造電機， 從而使永磁電機的發(fā)展進入 一個新的歷史時期。 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。稀土永磁材料的發(fā)展大致可以分為三個階段。 1967 年美國 K?J?Strnat 教授發(fā)現(xiàn)的 釤鈷永磁為第一代稀土永磁， 其化學式可以表示成 RCO（5 其中 R 代表釤、鐠等稀土元素）， 產(chǎn)品最大的磁能積現(xiàn)已超過 199KJm3（25MG?Oe）。1973 年又出現(xiàn)了磁性性能更好的第 二代稀土永磁，其化學式為 R2CO7. 產(chǎn)品的最大磁能積現(xiàn)已達 258.6KJ m（3 32MG?Oe）。1983

21、 年日本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（NdFeB）永磁，在實驗室中的最大磁能積現(xiàn)高達 431.3KJm3（54.2MG?Oe），商品生產(chǎn)現(xiàn)已達 397.9 KJ m3（50MG?Oe），稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價 格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資 - 鈷， 因而引起了國內(nèi)外磁學界的和電機界的極大關注， 紛紛投入大量的人力物力進行研究開 發(fā)。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等， 希望能有更大的突破。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。1.2 永磁同步發(fā)電機顯著優(yōu)點永磁同步發(fā)

22、電機的結構與電勵磁同步發(fā)電機的結構大體相似， 其主要結構分別由定子、轉子和機座組成。永磁電機的定子由定子鐵心和定子三相對稱繞組構成，其有別與永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析電勵磁同步發(fā)電機的結構是轉子，轉子主要由轉軸、永磁體及相關支撐部件組成。由于 其采用永磁材料，固其具有以下優(yōu)點： 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。1 體積小，重量輕 轉子部分采用高磁場的永磁體代替電磁線圈，轉子體積要小得多，因此該發(fā)電機的 體積和重量要小于常規(guī)電勵磁發(fā)電機。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。2 效率高，節(jié)能效果顯著 由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場，這樣就省去了勵磁損耗，因此三相永磁同步發(fā) 電機比常規(guī)發(fā)電機明顯節(jié)約能量；其效率

23、能提高 10-15%，是一種典型節(jié)能產(chǎn)品。 鰓躋峽禱 紉誦幫廢掃減。3 電壓波形質量好，適用于各種負載情況 由于采用機電一體化技術，發(fā)電機在各種不同負載（包括感性和容性負載）情況下 都可以使電壓波形畸變率保持在較小的范圍。 稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。4 過載能力強，適合于在各種惡劣環(huán)境下工作5 無電刷，結構簡單，可靠性高，使用壽命長 無電刷和滑環(huán)，同時轉子上既無線圈，也無電子元器件，轉子上的永磁體和鐵心固 成一個剛性整體，結構非常簡單，其可靠性和使用壽命都遠優(yōu)于常規(guī)的電勵磁發(fā)電機。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。1.3 永磁同步發(fā)電機的發(fā)展方向和前景永磁同步發(fā)電機有別于傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機， 其最主要的區(qū)

24、別在于轉子采用永磁 材料來產(chǎn)生磁場；其次永磁同步發(fā)電機與不需要集電環(huán)和電刷裝置，結構簡單，減少了 故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉 速提高到最佳值，提高功率質量比。當代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā) 電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的 150kVA 14 極 12000 r/min21000r/min 和 100kVA6000 r/min 的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為 3KW 20000r/min 的永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機， 80 年 代我國研制成功當時世界容量最大的40 kV

25、A160KVA 稀土永磁副勵磁機，配備200MW600M汽W輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。從永磁電機的已有發(fā)展可以看出其發(fā)展是隨著永磁材料性能的不斷改進而發(fā)展起 來。目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅動發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅動的永磁風 力發(fā)電機正在逐步推廣。 隨著現(xiàn)代的電力電子技術的不斷成熟和機電一體化設備的廣泛 運用，永磁同步發(fā)電機的轉子磁場不可調節(jié)性以及其他相關不理想因素也將不斷改善，永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析微型化、多樣化、其將會隨著永磁材料和電力電子技術等相關技術的發(fā)展向著大功率化、 高性能化等方向發(fā)展。 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。第 2 章 永磁同步發(fā)電機結構和原理2

26、.1 永磁同步發(fā)電機結構2.1.1 轉子結構由于其轉子磁場由永磁材料產(chǎn)生，轉子結構多樣化。永磁發(fā)電機的磁路形式多樣， 有許多不同的分類方法。1) 按永磁體所在位置分類，可分為旋轉磁極式和旋轉電樞式。旋轉磁極式結構，其永 磁體在轉子上，電樞是靜止的，永磁同步電動機，無刷直流電動機都采用該種結構。旋 轉電樞式磁路結構，其永磁體在定子上，電樞旋轉，永磁直流電機采用該種磁路結構。 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團藺。2) 按所用材料分類，可分為單一式結構和混合式結構。在一臺電機中，只采用一種永 磁材料，稱為單一式結構，絕大多數(shù)電機都采用該種結構?；旌鲜浇Y構通常采用兩種性 能特點不同的永磁體(將矯頑力低的永磁體置于磁

27、極的前部，將矯頑力高的永磁體置于 磁極后部)，揚長避短，充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)勢，提高電機的性能，降低制造成本。 懨 俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。3) 按永磁體的安置方式分類，可分為表面式和內(nèi)置式。表面式磁極的永磁體直接面對 空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點，但永磁體直接承受點電樞反應的去磁作用 ; 內(nèi)置 式磁極的永磁體置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復雜，漏磁大，但可以放置較多的永磁 體來提高氣隙磁密，減小電機的重量和體積。 謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。4) 按永磁體的形狀分類，進行永磁體設計時必須保證永磁體在磁路中產(chǎn)生足夠的磁通 和磁動勢，可分為瓦片形、極弧形、環(huán)形、爪極形、星形、矩形磁極。 咼鉉們歟謙鴣餃競

28、蕩賺。5) 按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，可分為切向式、徑向式、混合式和 軸向式。2.1.2 定子結構定子鐵心是構成永磁電機磁通回路和固定定子線圈的重要部件， 它由沖片和三相對 稱繞組以及各緊固件壓緊成一個整體。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減。定子鐵心的基本要求：永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析1）導磁性能好，損耗低；2）剛度好，振動??；3）結構布置上有良好的通風冷卻效果；4）疊壓后鐵心內(nèi)徑和槽型尺寸應滿足設計精度要求。定子繞組的基本要求：1）在一定的導體數(shù)下，有合理的最大的基波電動勢和基波磁動勢；2）在三相繞組中，三相基波電動勢和三相基波磁動勢必須對稱，即大小相等，相位上 互差 12

29、0 度電角度，并且三相的阻抗也要求相等； 麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。3）相電動勢和相磁動勢波形力求接近正弦波，為此要求它們的諧波分量盡可能??；此 外還要求用銅少，絕緣性能和機械強度可靠，散熱條件好，制造工藝簡單，檢修方便。 納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。定子交流繞組主要有以下幾種分類形式：1）按相數(shù)分為單相，兩相和三相繞組；2）按槽內(nèi)層數(shù)分為單層、雙層繞組，其中單層有等元件、交叉式和同心繞組，雙層繞 組有波繞組和疊繞組，它們一般采用短距分布繞組形式； 風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。3）按每極每相槽數(shù)分為整數(shù)槽繞組和分數(shù)槽繞組。2.2 永磁同步發(fā)電機原理及特性2.2.1 工作原理永磁同步發(fā)電機主要電磁結構為定子和轉

30、子，定轉子之間有氣隙。定子上有 AX,BY,CZ三相對稱繞組，相繞組由多匝串聯(lián)的繞組元件連接而成，每相繞組匝數(shù)相等， 在空間上相差 120 度電角度。轉子上有永磁材料產(chǎn)生機械磁場， 其磁通由轉子 N極出來， 經(jīng)過氣隙，定子鐵心，氣隙進入 S 極而構成回路。 滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。在原動機拖動發(fā)電機轉子以恒定轉速 n（同步轉速）旋轉時，磁極的磁力線將切割 定子繞組導體，在定子導體中感應出交變電勢，當定子三相繞組外接三相對稱負載時， 便會在三相繞組中感生出三相對稱電流，從而實現(xiàn)將機械能轉化為電能。 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱 騮。當轉子為一對極時，轉子旋轉一周，相繞組中的感應電勢正好交變一次（稱為交變 了

31、一個周波），實際電機有 P 對極。永磁同步電機和電勵磁同步電機一樣，電機轉速和 定子電流的頻率嚴格遵守 n=60f P的關系。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析2.2.2 運行特性永磁同步發(fā)電機的運行性能的主要三個重要性能指標：固有電壓調整率、短路電流 倍數(shù)、電壓波形正弦性畸變率。1）固有電壓調整率永磁發(fā)電機在空載運行時， 空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生勵磁電動勢 E（0 V）； 在負載運行時， 氣隙合稱基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生氣隙合成電動勢E（V），計算公式為： 趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。（2-1）（2-2） 轉子磁路結構形式 徑向、混合式E0 4.44fNkdp 0

32、kE 4.44fNkdp k空載氣隙磁通和氣隙合成磁通需要根據(jù)所選用的永磁材料性能， 和具體尺寸，運用電磁場數(shù)值解法求出或用等效磁路法求出。對于切向、 結構，可以將永磁材料等效地化為兩個恒磁通源并聯(lián)供應同一條外磁路的等效磁路。 夾 覡閭輇駁檔驀遷錟減。2）短路電流倍數(shù) 永磁同步發(fā)電機的短路狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)短路和瞬態(tài)（沖擊）短路兩種。瞬態(tài)短路電流 通常大于穩(wěn)態(tài)短路電流，但計算比較復雜，工程中通常先求出穩(wěn)態(tài)短路電流，然后利用 經(jīng)驗修正系數(shù)得出瞬態(tài)短路電流倍數(shù)。 視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。短路電流對永磁體去磁作用的大小，除與短路電流倍數(shù)有關外，還取決于轉子磁路 結構形式和空載漏磁系數(shù)的大小。對于軟鐵極靴，極

33、間澆鑄非磁性材料，轉子上安裝阻 尼籠等有阻尼系統(tǒng)的磁路結構，瞬態(tài)短路電流對永磁體的去磁作用大大減弱，并接近于 穩(wěn)態(tài)。短路電流的作用，對于無極靴的轉子磁路結構，由于永磁體的電阻率很大，幾乎 沒有阻尼作用，固瞬態(tài)短路電流的去磁作用很大。為了避免永磁體在發(fā)電機短路過程中 發(fā)生不可逆的退磁，在設計過程中進行最大去磁工作點的校核計算，應保證此工作點在 最高工作溫度時回復線的線性段應高于或者等于回復線的拐點。 偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。3）電壓波形正弦性畸變率在永磁同步發(fā)電機負載運行中，負載對發(fā)電機所發(fā)出的電動勢波形有嚴格的要求， 實際電動勢（通常指空載線電壓）波形與正弦波形之間的偏差程度用電壓波形正弦性畸

34、變率來表示。在國家標準規(guī)定中，電壓波形正弦性畸變率是指電壓波形中不包括基波在 內(nèi)的所有各次諧波有效值平方和的平方根值與該波形基波有效值的百分比。 緦徑銚膾齲轎級永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析鏜撟廟。為了減小電壓波形正弦畸變率，除采用分布繞組、短距繞組、正弦繞組、斜槽等措 施外、還應改善氣隙磁場波形，它不但與氣隙形狀和極弧系數(shù)有關外，還與有無軟鐵極 靴和穩(wěn)磁處理的方法有關。 騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。微型和小功率永磁同步發(fā)電機如對電壓波形要求不高時，通常采用均勻氣隙?？蛰d 氣隙磁場可近似看成寬度為 i ，幅值為 B 的矩形波。當發(fā)電機容量較大或對電壓波形 要求嚴格時，需對極靴形狀進行加工，使氣

35、隙不均勻并選用合適的極弧系數(shù)，從而使氣 隙磁場分布波形盡可能接近正弦。 癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。2.3 永磁同步發(fā)電機的設計特點2.3.1 永磁材料和轉子結構的選擇既然永磁同步發(fā)電機采用永磁材料來建立轉子機械旋轉磁場， 因此永磁材料的合理 選擇在電機設計當中是非常關鍵的 , 一般衡量永磁材料的指標有： 鏃鋝過潤啟婭澗駱讕瀘。（1）退磁曲線永磁材料的磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線， 它是永磁材料的基本特性曲 線。退磁曲線上的兩個極限位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數(shù)。退磁曲線上磁 場強度 H 為零時，相對應的磁感應強度（磁通密度）值稱為剩余磁感應強度，簡稱剩磁 密度或剩磁。退磁曲線上與磁

36、感應強度 B 為零時，所對應的磁場強度值稱為磁感應強度 矯頑力，簡稱矯頑力。 磁場能量密度 m=BH 2，因此退磁曲線上任一點的磁通密度與磁 場強度的乘積可反映磁場能量密度，被稱為磁能積。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。（2）回復線退磁曲線所表示的磁通密度與磁場強度間的關系， 只有在磁場強度單方向變化時才 存在。實際上，在電機運行時受到作用的退磁磁場強度是反復變化的。當對已充磁的永 磁體施加退磁磁場強度時，磁通密度會沿退磁曲線下降。如果下降到最低點時消去外加 退磁磁場強度，則磁通密度并不沿退磁曲線回復。因此保證退磁曲線和回復線重合是非 常重要的設計過程。 邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。（3）內(nèi)稟退磁曲線 內(nèi)稟

37、退磁曲線是描述內(nèi)稟磁感應強度與磁場強度之間關系的曲線。（4）穩(wěn)定性永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析為了保證永磁發(fā)電機的電氣性能不發(fā)生變化和長期可靠運行， 需要保證永磁材料的 熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。 嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。永磁電機磁性材料的選擇直接關系到電機中轉子機械磁場以及定子感應電勢、 電流 等相關參數(shù)的波形。 從以上永磁材料的衡量指標可以清晰認識到在永磁電機的設計過程 中，永磁材料的選擇必須充分考慮到以上這幾個永磁材料的性能指標，這也是永磁電機 設計有別于電勵磁電機設計最主要的設計特點。 該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。2.3.2 固有電壓調整率和降低措施永磁同步發(fā)電機制成

38、后， 氣隙磁場調節(jié)困難。 為了使其能得到大量推廣， 需要對永 磁同步發(fā)電機的固有電壓調整率有嚴格要求。 發(fā)電機的固有電壓調整率是指在負載變化 而轉速保持不變時所出現(xiàn)的電壓變化，其數(shù)值完全取決于發(fā)電機本身的基本特性。 劇妝諢 貰攖蘋塒呂侖廟。從永磁同步發(fā)電機的電壓平衡方程中可以得知， 為了降低電壓調整率必須在給定的空載電勢 E0 的情況下盡量增大輸出電壓 U。為此既要設法降低電樞反應引起的去磁磁通，又要減小電樞電阻 R1 和漏抗 X1。 臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。a ）為了降低電樞反應引起的去磁磁通，首先要增大永磁體的抗去磁能力，即增大永 磁體的抗去磁磁動勢，為此應選用矯頑力大，回復磁導率小的永磁材

39、料；同時增大永磁 體磁化方向長度，使工作點提高，削弱電樞反應影響。其次需減少電樞繞組每相串聯(lián)匝 數(shù)和增加轉子漏磁導以削弱電樞反應對永磁體的去磁作用， 因此選用剩磁密度大的永磁 材料；并且應增大永磁體提供每極磁通的橫截面積，這時磁通明顯增加，可以有效地減 少每相串聯(lián)匝數(shù)。 鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。b）為了減小定子漏抗 X1，需要選擇寬而淺的定子槽型；減小電樞繞組每相串聯(lián)匝 數(shù)，但要注意小的電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)使短路電流增大；縮短繞組端部長度，適當加 大氣隙長度，加大長徑比。 穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。c）為了減少電樞電阻，需減小電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和增大導體橫截面積。 在上述措施中，都將導致耗用更多的

40、永磁材料，所以在滿足規(guī)定的性能指標的前提 下，合理的選擇參數(shù)，盡量減少永磁材料的用量。 隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析第 3 章 設計方案3.1 轉子設計3.1.1 永磁材料的選擇對于永磁材料的選擇原則為：1）永磁體應能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機性能指標；2）在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩(wěn)定；3）有良好的經(jīng)濟性能及加工裝配方便；4）經(jīng)濟性好，價格便宜。 釹鐵硼是現(xiàn)代工業(yè)和民用電機中得到了廣泛的運用，其磁性高于稀土鈷永磁，室溫 下其剩磁感應密度 Br 高達 1.47T，磁感應矯頑力 Hc可達 992KAm,最大磁能積高達 3

41、97.9KJm3是目前磁性能最高的永磁材料。釹鐵硼不足之處在于居里溫度較低，一般 為 320-410 攝氏度左右；溫度系數(shù)較高， Br 的溫度系數(shù)可達 -0.13%K-1， H cj 的溫度系數(shù) 達 （0.6 0.7） k 1 。浹繢膩叢著駕驃構碭湊。綜合考慮電機性能及各方面要求， 本設計采用釹鐵硼永磁材料， 其牌號為 N35H，剩磁密 度為 1.22T 矯頑力 923KA m預計工作溫度為 80oC。鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析3.1.2 轉子磁路結構根據(jù)永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系， 轉子磁路結構有切向式、 徑向式、 混合式和軸向式。本設計采用切向套

42、環(huán)式結構，其結構示意圖（如圖 2-2 ）磁通路徑為： 永磁體 N極, 軟鐵極靴, 套環(huán)的磁性材料段 , 氣隙, 定子鐵心 , 氣隙套環(huán)的磁性材料段 軟鐵極靴 , 永磁體 S 極。愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣熗鍵。切向式磁路結構永磁體的磁化方向為轉子圓周的切線方向；永磁體并聯(lián)作用，由兩 個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可以提高氣隙磁通密度，但是永磁體的磁化方向與 磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠。 為減少永磁體向里側漏磁， 轉軸襯套需由非磁性構成。貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析圖 3.2 轉子截面圖3.2 定子設計3.2.1 定子鐵心電機對定子鐵心的要求：導磁性能好、損耗低、剛度好、

43、振動小，在結構布置上有 良好的通風冷卻效果，疊壓后鐵心內(nèi)徑和槽型尺寸應滿足設計精度要求。為滿足以上要 求本設計的定子鐵心采用 0.35mm厚的冷軋無取向硅鋼片沖制而成，其具體尺寸見（附 錄 1）。 嚌鯖級廚脹鑲銦礦毀蘄。3.2.2 定子繞組形式在本設計中，為滿足電機對定子繞組的各方面要求，采用雙層短距分布式繞組，其 具體結構如下：總槽數(shù) Z=36；- 10 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析極數(shù) 2p=4；相數(shù) m=3；每極每相槽數(shù) q=Z 2mp=3（整數(shù)槽繞組 ）；相帶為 60度（電角度）；槽距角=20 度（電角度）；并聯(lián)支路數(shù) a=1；線圈節(jié)距取 y=8。其繞組展開圖具體詳見（附錄

44、2）表 3.1 繞組分相第一 對極相帶A1C1B1A1C1B1槽號1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二 對極相帶A2C2B2A2C2B2槽號19,20,2122,23,24,25,26,2728,29,30,31,32,33,34,35,36上表中為每匝線圈的上層導體邊，下層導體邊按照短距繞組形式（節(jié)距y=8）放置于各槽的下層。第 4 章 電磁設計程序- 11 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析4.1 額定數(shù)據(jù)1）額定功率： PN=7.5kw2）相數(shù)：m=33）額定電壓（線電壓） ：UN=400V額定相電壓（ Y 型接法）： UUN 40023

45、1V4）額定相電流：PN 103 mU N cos7.5 1033 231 0.912.025A5）效率：N 94%6）功率因數(shù)： cos 0.9 （滯后）7）額定轉速： nN 1500r min8）額定頻率 : f 50Hz9）冷卻方式 : 空氣冷卻10）轉子結構方式：切向套環(huán)式11）固有電壓調整率： U 10%4.2 永磁材料的參數(shù)尺寸確定12）永磁材料牌號： N35H13）預計工作溫度： T 80oC14）剩余磁通密度： Br 1.22T 工作溫度時的剩磁密度：Br BrIL r2 0r10 01 00r2010015）計算矯頑力 H C20 923KA m 工作溫度時的計算矯頑力：-

46、12 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析9231100C2 08 56 . 5KA4 m16）相對回復磁導率：BrHC 010 31.132856.54 4 3.14 10 710 31.052 H m0真空磁導率，0 4 10 7 H m17）在最高工作溫度時退磁曲線拐點位置 bk 0 18）永磁體磁化方向長度： hm 2cm 19）永磁體寬度： bm 4.5cm 20）永磁體軸向長度： Lm 17cm21）永磁體段數(shù)： W 522）極對數(shù)：6 0f 6 0 50p2nN150023）永磁體每極截面積 : 切向結構2Am 2Lmbm 2 4.5 153cm224）永磁體每對極磁化方向長度

47、：hM p hm 2 cm25）永磁體體積 :Vm pAm hMp 22 612c3m26）永磁體質量：釹鐵硼永磁7.3g cm3mm Vm 10 3 7.3 10 3 4.4676Kg- 13 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析4.3 轉子結構尺寸27）氣隙長度 : 均勻氣隙1 0 .05 0 .15 cm0 . 2 1 空氣隙長度（ cm ）: 無緯玻璃絲帶厚度或非磁性材料套環(huán)厚度， cm28）轉子外徑 : D2 14.5cm29）軸孔直徑： Di2 4cm30）轉子鐵心長度：L2LmW 1 L 1 7 0 17c m31)襯套厚度：hh D2 Di2 2bm切向套環(huán)結構214.5 4

48、 2 0.15 0.15 4.5其中 0.150.45cm32)極距：D22p3 .14 1221. 3cm933)極弧系數(shù)：p 0.7734)極間寬度：b2 1 p1 0.77 11.39 2.6197cm4.4 定子繞組和定子沖片尺寸35）定子外徑： D1 22cm36）定子內(nèi)徑：Di1 D2 2 1 14 .5 2 0.0 5 c1m4. 637）定子鐵心長度： L1 17cm38）每極每相槽數(shù)： q 339）定子槽數(shù)： Q 2mpq 2 2 3 3640）繞組節(jié)距： y 8- 14 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析41)短距系數(shù)：雙層繞組K p sin180 sin 180 p

49、2 20.984842)43)分布系數(shù)：180si nK2mKd18 0qsin 2mq斜槽因數(shù)：180sin2 3 0 .95 981 80 0 .95 98 si n232 si nsK sk20.349skDi13.14 14.6361.273cm44）繞組系數(shù)：Kdp kdk pksk0.959 80.9949 0.45）預估永磁體空載工作點： b m0 0.83246）預估空載漏磁系數(shù)：1.12247）預估空載磁通：101.132 15310 412.843 10 3wb48）預估空載電動勢：E01 1U00N1 10 231 254V10049）繞組每相串聯(lián)匝數(shù)：E04 . 4f4

50、K dp 0K98.682544.44 50 0.9404 12.843 10 3 0.96- 15 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析50)每槽導體數(shù)：Ns aN 1 16.44(取 16)pq 2 351)實際每相串聯(lián)匝數(shù)：N pqNs 2 3 16 96 a52)估算繞組線規(guī)：假設 J 3.7A2 mm2IN 12. 0253. 2m5m2aJ 1 3. 7采用兩根直徑為 1.3mm 和一根直徑為 0.9mm 三根并繞，絕緣后直徑分別為1.41mm 和 1.0mm?？偨孛娣e： S 21.3 2223.28mm220.953)實際電流密度：IN54)電負荷：JaNt Acu 1 3.2

51、 83 .66 6A1 mm3.14 14.6A QNSIN 2mNI N 2 3 96 12.025 151.086A cm a Di1Di155)定子沖片槽型設計：圖 4-1 定子槽型- 16 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析bs1 0.72cm,bs2 0.86cm,bs0 0.35cm,hs1 0.13cm,hs2 0.8cmhj D1 2Di1 (hs1 hs222 14.6 (0.13 0.8 0.863) 2.483cm2Di1tQ3.14 14.6 1.273cm36Di1 2hs1bs1 3.14 14.6 2 0.13 0.68 0.616cm3656）槽滿率： 槽面

52、積2 bs2 bs1bs2Ashs2280.86 0.72 0.8 3.14 0.682 0.813cm2槽絕緣占面積：bs2Ai Ci 2hs2b2s2 bs2 bs10.03 2 0.8 0.86 0.86 0.72220.136cm2C j 槽絕緣厚度，取 0.03cm 槽有效面積：2Aef =As Ai 0.813 0.136 0.6775cm2 槽滿率：Sf= NsScu 100% 16 Aef0.67754.5 磁路計算57)計算空載磁通：E02544.44 fNK dpK4.44 50 96 0.9404 0.96 13.2 10 Wb58)計算極弧系數(shù)（均勻氣隙）44i p 4

53、 6 0.82 4 6 0.86431 p 1 0.8259)鐵心有效長度（定，轉子軸向長度相等）- 17 -永磁同步發(fā)電機的設計及磁場有限元分析lef L1 2 17 2 0 . 2 1cm7 . 460)氣隙磁密：B 0 10413. 2 130i l e f 0. 86 43 11. 39107. 74T761)氣隙系數(shù)：t(4.4 0.75bs0)t(4.40.75bs0 ) bs021.273 (4.4 0.2 0.75 0.35) 2 1.0921.273 (4.4 0.2 0.75 0.35) 0.35262)氣隙磁位差：F 2B 0 102 2 0.77 0.2 1.092 1

54、0 2 2677.83A10 763)定子齒磁密：Bt B tlef 0. tbtKFeL177 1. 273 17.0. 616 0. 95 174 1. 7T1 464)定子齒磁位差：Ft 2 Ht ht 2 15 .2 1 .07 3A2 465)66)Ht取 115.2 A cm定子軛磁密：Bj2L1KF0ehj定子軛磁位差：ht 取 1.07313.2 10 3 1042 17 0.951.646T7 . 66 A 20.3267)D1 hj lj4p極靴平均磁密： 0 1 022 2. 4837. 6c6m42Bp104p 2 p Lp1 13.2 10 3 104 0.94T2 0.77 11.39