(2021年整理)調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析

1、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對(duì)文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時(shí)也真誠(chéng)的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對(duì)您有幫助請(qǐng)收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快業(yè)績(jī)進(jìn)步，以下為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析的全部?jī)?nèi)容。第1頁共10頁調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析1 引言與傳統(tǒng)

2、的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定;功率密度大；損耗小，效率高；電機(jī)形狀和尺寸靈活多變等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及器件價(jià)格的不斷下降，越來越多的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被由變頻電源和交流電動(dòng)機(jī)組成的交流調(diào)速系統(tǒng)所取代,變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩類,一類是反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是理想矩形波（實(shí)際為梯形波）的無刷直流電動(dòng)機(jī)，另一類是兩種波形都是正弦波的一般意義上的永磁同步電動(dòng)機(jī)。這類電機(jī)通常由變頻器頻率的逐步升高來起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子上可以不用設(shè)置起動(dòng)繞組。本

3、文使用AnsoftMaxwell軟件中的RMxprt模塊進(jìn)行了一種調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了性能和參數(shù)的計(jì)算，然后將其導(dǎo)入到Maxwell2D中建立了二維有限元仿真模型,并在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)的基本特性進(jìn)行了瞬態(tài)特性分析。2 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)2.1額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)主要包括主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定、定子沖片設(shè)計(jì)、定子繞組的設(shè)計(jì)、永磁體的設(shè)計(jì)等。通過改變電機(jī)的各個(gè)參數(shù)來提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率耳、功率因數(shù)cos申、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T和最大轉(zhuǎn)矩T。本例所設(shè)計(jì)永磁stmax同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)及其性能指標(biāo)如下：額定數(shù)據(jù)數(shù)值額定功率P=30kwN相數(shù)

4、m=3額定線電壓U=380VN1額定頻率f=50Hz極對(duì)數(shù)p=3額定效率耳=0.94N額定功率因數(shù)cos申=0.95N絕緣等級(jí)B級(jí)計(jì)算額定數(shù)據(jù)：第#頁共10頁調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析第7頁共10頁(1)額定相電壓：U二U3二220VNN1額定相電流：I=n=50.9ANmU耳cos申NNN同步轉(zhuǎn)速：n=色厶=1000r/min1p額定轉(zhuǎn)矩：T=9.55pNx103=286.5NmNn12.2主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定永磁電機(jī)的主要尺寸包括定子內(nèi)徑和定子鐵心有效長(zhǎng)度，它們可由如下公式估算得到：D2L二C旦i1n16.1KPCP二-NC二耳cos申a'KKABNNpNmdp6式

5、中，D為定子內(nèi)徑，L為定子鐵心長(zhǎng)度，P'為計(jì)算功率，C為電機(jī)常數(shù)。K為i1E額定負(fù)載時(shí)感應(yīng)電勢(shì)與端電壓的比值，本例取0。96；a'為計(jì)算極弧系數(shù)，初選0。p8；K為氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)，當(dāng)氣隙磁場(chǎng)為正弦分布時(shí)等于1.11；Kd為電樞的繞Nmdp組系數(shù)，初選0.92。a為電機(jī)的線負(fù)荷，B6為氣隙磁密,A和B的選擇非常重要，直66接影響電機(jī)的參數(shù)和性能，應(yīng)從電機(jī)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā)來選取最合適的A和B6值，本例初選為A=200A/cm,B=0.7T。6由上式可初步確定電機(jī)的D2L，但要想進(jìn)一步確定D和L各自的值，還應(yīng)選擇i1i1主要尺寸比L兀Di12P2pL兀Di1，其中T為極距通

6、常，中小型同步電動(dòng)機(jī)的九二0.62.5,般級(jí)數(shù)越多，九也越大，本例初選1.4。永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度6一般要比同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大，主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)脑黾託庀堕L(zhǎng)度可以在一定的程度上減小永磁同步電動(dòng)機(jī)過大的雜散損耗,減低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲和便于電動(dòng)機(jī)的裝配。所以設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度時(shí)，可以參照相近的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度并加以適當(dāng)?shù)男薷谋纠?=0.7mm。確定電動(dòng)機(jī)定子外徑時(shí)，一般是在保證電動(dòng)機(jī)足夠散熱能力的前提下，視具體情況為提高電動(dòng)機(jī)效率而加大定子外徑還是為降低成本而減小定子外徑。2.3定子鐵心與繞組的設(shè)計(jì)(1)定子槽數(shù)的選擇當(dāng)相數(shù)和極數(shù)確定時(shí)，定子的槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù),%

7、的值對(duì)電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。般在2丄6之間選取并盡量取整數(shù)，對(duì)于極數(shù)少、功率大的電機(jī)，qi取大值;對(duì)于極數(shù)多的電機(jī)，取小值本例取qi=4.(2)定子繞組的設(shè)計(jì)與感應(yīng)電機(jī)一樣,永磁同步電動(dòng)機(jī)使用的繞組型式有單層繞組、雙層繞組和正弦繞組等。這些繞組型式各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合.本次設(shè)計(jì)的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組是雙層疊繞組，定子Y接。此外采用雙層短距分布繞組可以避免電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生環(huán)流并可以削弱電動(dòng)勢(shì)諧波,定子繞組Y接則可以大大減小電動(dòng)機(jī)的雜散損耗，使定子電流中不含3次和3次倍數(shù)的諧波，定子電流中亦不含偶次諧波。2.4永磁體的設(shè)計(jì)(1) 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)

8、的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同來分類的，永磁體一般有三種排布方式：表面式、內(nèi)置式和爪極式。而內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系又可以分為徑向式、切向式和混合式三種結(jié)構(gòu).轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不同會(huì)使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、制造工藝和運(yùn)行場(chǎng)合也不同。本例采用的是內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，其在一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供的,能夠獲得更大的每極磁通,非常適合多級(jí)電機(jī)。但漏磁系數(shù)較大，因此需要有相應(yīng)的隔磁措施。(2) 永磁體選擇一般常用的永磁材料包括鋁鎳鉆永磁材料、鐵氧體永磁材料以及稀土類永磁材料，但應(yīng)用于調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁材料只有稀土磁體，即汝鐵硼永磁體和釤鉆永磁體。

9、本例采用的是NTP288M的永磁體，20C時(shí)，剩磁為B=1.18T,r20矯頑力為H=898kA/m。計(jì)算剩磁密度B=1+(t-20加(1-IL)B=1.1T，式中B的可逆c20rBrr20r溫度系數(shù)a=-0.12%K-i,B的不可逆損失率IL=0%K-1,預(yù)計(jì)永磁體工作溫度t二75C。Brr永磁體設(shè)計(jì)。永磁體的主要尺寸有三個(gè):永磁體的軸向長(zhǎng)度L、磁化方向長(zhǎng)度h和寬度b。永MMM磁體的尺寸除了影響電動(dòng)機(jī)的性能外，還影響著電動(dòng)機(jī)中的空載漏磁系數(shù)b,也決定0著永磁體的利用率。實(shí)驗(yàn)證明,永磁體尺寸越大，空載漏磁系數(shù)越小。一般來說，永磁體的軸向長(zhǎng)度L就取電動(dòng)機(jī)鐵心的軸向長(zhǎng)度，因此只需要設(shè)計(jì)其他兩個(gè)永磁

10、體的M尺寸h和b通常來講,b的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不能超過T的長(zhǎng)度；設(shè)計(jì)h應(yīng)使永磁體工作在MMMM最佳工作點(diǎn)，因?yàn)橛来朋w的最佳工作點(diǎn)更大程度上取決于永磁體的磁化方向長(zhǎng)度h。M對(duì)于內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，其永磁體尺寸的估算公式為:2KKb8h=ysa平0-m11b丿vm00CBTlb=081fM兀bBKLm0rM式中，K為電動(dòng)機(jī)的飽和系數(shù)，其值為1.051.3；sK為與轉(zhuǎn)子磁路有關(guān)的系數(shù)，其值為0.71.2;ab為永磁體的空載工作點(diǎn),即空載時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)幺值，一般取0。600。m085；C為空載漏磁系數(shù)，是空載時(shí)的總磁通與主磁通之比，本例取1.2;0B8為氣隙磁密基波幅值，B二4Bsin吧；8181兀82

11、K為氣隙磁通的波形系數(shù)，即電機(jī)基波磁通與氣隙總磁通之比，本例初選0。9。3 模型建立和仿真計(jì)算3.1RMxprt電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上述電磁設(shè)計(jì)部分得到的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，在AnsoftMaxwell的RMxprt模塊中建立電機(jī)模型，如圖1所示，并設(shè)定樣機(jī)的仿真參數(shù)仿真參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，這意味著將要計(jì)算前面建立的電機(jī)模型在該狀態(tài)下的工況，一般是將額定工作狀態(tài)設(shè)定為分析對(duì)象.設(shè)定完仿真參數(shù)，在確認(rèn)無誤的情況下，軟件就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行求解計(jì)算。RMxprt電機(jī)分析模塊是基于等效電路和磁路的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行給定的性能指標(biāo)?？蛰d時(shí)的氣隙磁密約為0。63T其他各項(xiàng)指標(biāo)也均滿足要求。此外還可以得到電機(jī)的

12、性能曲線。圖2、圖3、圖4分別給出了電機(jī)輸出功率、效率與力矩角的關(guān)系以及氣隙磁密的波形曲線。力矩角的關(guān)系曲線圖3效率與力矩角的關(guān)系曲線-£首匚毘it山圖4氣隙磁密3。2Maxwell2D中建立電機(jī)的二維有限元模型RMxprt模塊是基于等效磁路法的電機(jī)設(shè)計(jì)模塊,許多參數(shù)均由軟件自動(dòng)查表得到，同時(shí)由于采用了等效磁路，電機(jī)的設(shè)計(jì)精度會(huì)降低.為提高設(shè)計(jì)精度,往往需要調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析將RMxprt模塊中的電機(jī)模型導(dǎo)入變換為AnsoftMaxwell2D模型，然后進(jìn)行有限元計(jì)算仿真，得到電機(jī)的瞬態(tài)特性，從而為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).Ansoft14版本能夠?qū)Mxprt模型

13、一鍵式導(dǎo)入到2D界面中，自動(dòng)完成幾何模型繪制、材料定義、激勵(lì)源添加、邊界條件給定、網(wǎng)格剖分和求解參數(shù)設(shè)置等前處理項(xiàng)，點(diǎn)擊運(yùn)行即可生成瞬態(tài)計(jì)算模型，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算為轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下的恒速運(yùn)行，所模擬的是額定轉(zhuǎn)速下三相繞組電流和轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩。圖5給出的是電磁轉(zhuǎn)矩曲線,圖6給出的是三相電流曲線.由于軟件所給的工況是轉(zhuǎn)子在0時(shí)刻前已經(jīng)被拖至額定轉(zhuǎn)速，然后在0時(shí)刻突然加電，而實(shí)際中電機(jī)均為從0轉(zhuǎn)速升速至額定轉(zhuǎn)速，因此曲線的前半段并無參考價(jià)值，而從轉(zhuǎn)矩曲線的后半段可以看出在額定轉(zhuǎn)速下基本穩(wěn)定，但脈動(dòng)較大.從電流曲線后半段可以看出電流也基本穩(wěn)定。Tarqu*&胡吃口氐刃護(hù)亠DT5D50025McM

14、lngi.TongueSrtJDlTrjnsurt：ioJdd3x1DU30000Timtlmslsaddd圖5額定轉(zhuǎn)速時(shí)瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖6額定轉(zhuǎn)速時(shí)瞬態(tài)相電流曲線圖7和圖8給出的是t=0。2s時(shí)刻的電機(jī)磁力線和磁密分布圖.從圖8的磁密分布圖中可以看出，與磁鋼靠近的定子齒部磁密較小，而定子軛部磁密較大，遠(yuǎn)離磁鋼的定子齒部磁密較大，而定子軛部磁密較小。且定子齒部的磁密最大值約為2T,定子軛部磁密最大值約為1.3T，而定子所用硅鋼片D2350的BH曲線飽和值約為1。6T，由此第9頁共10頁調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析可以看出硅鋼片的利用率較高。Time=02sSpeed=1DClO.O

15、OODOOrpmPosition=157.50DllOOd也200(mm)AMb/nI2.B66B£3fl2N嶼旳沁鴕I2.0M9863021.BML76-Q021.2337e302呂.E55Se03l+17506303A.4172c05-3a93566-003-.0675cH303-1.214-86-902-1.62£9ch30Z-2.0310602-2.4391c2-2.BM72e-902圖7額定轉(zhuǎn)速下t=0。2s時(shí)刻的磁力線分布圖Btosla2.4577£44303N3341e+3D02.1505ct0ffi1,A96gc+0031.84-336+0001.

16、6097e+000I1.53Bl£+003i1.5SZ5e+3001.22Bget0ffil.B752£+G0a9216Me-9017.6803c-0016.143£-0014.03B26-0013.0722C-0011.53Bl£-1301I2./802&-00&Time=02aSpeed=100D.DOOOOOrpmPosition5?.5(XX)DCldEQ圖8額定轉(zhuǎn)速下t=0。2s時(shí)刻的磁密分布圖4 結(jié)論本文通過AnsoftMaxwell軟件比較系統(tǒng)地對(duì)調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度、定子沖片和繞組、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)以及永磁體等

17、參數(shù)的確定進(jìn)行了研究，并調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析說明了電機(jī)形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電機(jī)性能的影響,同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)可以調(diào)整各種電機(jī)參數(shù)得到不同的電機(jī)設(shè)計(jì)方案,對(duì)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)提供有力的手段和指導(dǎo)借鑒意義。參考文獻(xiàn)1唐任遠(yuǎn)等?，F(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002。2陳世坤。電機(jī)設(shè)計(jì)M。北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012。3趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng),楊晟等可控電源供電電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.4戴文進(jìn)，張景明等。電機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社，2010.5王秀和等。永磁電機(jī)M。北京:中國(guó)電力出版社,2007.6王秀和，楊玉波，朱常青異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)一理論設(shè)計(jì)與測(cè)試M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009。7王秀和，楊玉波,朱常青。異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)-理論設(shè)計(jì)與測(cè)試M北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009。8劉慧娟，上官明珠，張穎超等。AnsoftMaxwell13電機(jī)電磁場(chǎng)實(shí)例分析M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014。9AnsoftRMxprt使用手冊(cè)中文版M。10秦新燕，肖鵬程?；贏nsoft的電機(jī)設(shè)計(jì)及瞬態(tài)分析J湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（2）：89-92。11張巍。工頻電源供