電科電子檔科技學(xué)院20屆

第一 緒 永磁電機(jī)及其分 永磁電機(jī)的發(fā)展及應(yīng) 永磁電機(jī)的分 永磁材料的性能及種 永磁材料的主要性能參 永磁材料的種 永磁電機(jī)的控制方 課題研究意 第二章設(shè)計(jì)原 ANSYS介 ANSYS的簡(jiǎn) ANSYS對(duì)磁場(chǎng)分析的基本步 ANSYS在使用須注意的問 ANSYS理論以及在電磁仿真中的應(yīng) 電的基本結(jié)構(gòu)及其工作原 第三 永磁電機(jī)控制系統(tǒng)模型建立及分 三相坐標(biāo)系的永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型建 永磁電機(jī)的矢量控 坐標(biāo)變 電流控制/最大轉(zhuǎn) 電壓、電流限 電流解禍補(bǔ)償模 永磁電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建 永磁材料的確 第四章永磁電機(jī)ANSYS仿 仿真電機(jī)的介 ANSYS仿真前的設(shè) 仿真結(jié) 參數(shù)得計(jì) 第五章總 參考文 致 誠(chéng)信責(zé)任 基于ANSYS永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿開發(fā)和研究新型的高效節(jié)能永磁電，降低用電設(shè)備的耗電量，不僅符合國(guó)家的宏觀，而且具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文首先介紹了ANSYS電磁場(chǎng)在永磁電機(jī)磁場(chǎng)分析中的應(yīng)用由于該的方便性和靈活性，使得電磁場(chǎng)分析變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。所以本文在電機(jī)仿真中也采用該。于三相坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了定子電流矢量的最優(yōu)控制最后，最后，利用ANSYS對(duì)永磁電機(jī)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真，仿真模：ANSYS；永磁電機(jī)；仿真TheDesignandSimulationofPermanentMagnetMotorBasedonANSYSSoftwarePermanentmagnetmotorisapromisingenergyefficientpowerunit,itiswidelyusedinindustrialproductionandmanyfieldsinourdailylife.Underthebackgroundofenergyconservationandemissionreductionwhichisenergeticallyadvocatedinourcountry,thedevelopmentandresearchofnewenergy-efficientpermanentmagnetmotorreducestheconsumptionofelectricalequipment,itisnotonlyconformtothenationalmacropolicyorientation,butalsohasgoodsocialandeconomicbenefits.ly,thispaperintroducestheapplicationofelectromagneticysissoftwareANSYSinpermanentmagnetmotormagneticfieldysis.Owingtotheconvenienceandflexibilityofthissoftware,electromagneticfieldysisbecamequitesimple.Sothispaperalsousesthissoftwareinmotorsimulation.Secondly,inthispaper,permanentmagnetmotorcontrolsystemastheresearchobjecttostudy,at,thispaperyzesandestablishespermanentmagnetmotorbasedonmathematicalmodelofthree-phasestaticcoordinatesystem,onthebasisofittoexplaintheoptimalcontrolmethodofstatorcurrentvectorandthetechnologyprincipleandrealizationmethodofvoltagespacevectormodulation(SV).etc.Finally,makinguseofANSYSsoftwaretosimulatethemodelofpermanentmagnetmotorcontrolsystem,thesimulatingmodelusessimplerandmoreuniversalDCmotormodel,throughtheysisandcalculationofsimulationresultstooptimizethedesignparametersofpermanentmagnetmotor.Keywords:ANSYSsoftware,Permanentmagnet第一 緒永磁電機(jī)及其分18211831年法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后，利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了世界上一個(gè)簡(jiǎn)單的永磁振蕩電模型。1832年斯特金發(fā)明了換向器，并對(duì)亨利的振蕩電進(jìn)行了改進(jìn)制作了世界上第一臺(tái)能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電同年，法國(guó)人發(fā)明了一臺(tái)永磁交流發(fā)電機(jī)。以上電機(jī)均是采用磁鐵建立磁場(chǎng)的由于當(dāng)時(shí)磁鐵是用磁性能很低的天然磁鐵礦石做成的，造成電機(jī)體積龐大、性能較差。1845年英國(guó)的惠斯通用電磁鐵代替磁鐵，并于1857年發(fā)明了自勵(lì)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了電勵(lì)磁方式的新。由于電勵(lì)磁方式能在電機(jī)中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，使電機(jī)體積小、7020了永磁電機(jī)的發(fā)展。1967年釤鈷永磁材料的出現(xiàn)，開截了永磁電機(jī)發(fā)展的新紀(jì)要求高性能而價(jià)格不是主要因索的高科技領(lǐng)域。208061.1MW、230r／min、45kN·m步電，ABB公司生產(chǎn)的用于艦船推進(jìn)的1．5MW永磁同步電和德國(guó)AEG研制的用于調(diào)速系統(tǒng)的3.8MW、4極永磁同步電是國(guó)外稀土鈷永磁電機(jī)的代1983負(fù)載時(shí)的效率相比同規(guī)格的感應(yīng)式異步電可提高2％~8％，且它在磁同步電應(yīng)用比較成功的例子。這類永磁電機(jī)通常在轉(zhuǎn)子上設(shè)置起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力，因而稱為異步起動(dòng)永磁同步電。對(duì)于100kW~1000kW的大功率同步電動(dòng)枧來說，異步起動(dòng)永磁嗣步電省去了勵(lì)柜對(duì)比電勵(lì)磁同步電不僅提高了效率簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)而且成本增加不多，0.9160.15kg／kW。由變頻器供電的無刷直流和調(diào)速永磁同步電加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)后在要求高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合，如航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)設(shè)備和家用電器電)等在電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)、航天工程和要求精確定位控制的場(chǎng)合都得到了300000r／min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r／min，最小電機(jī)外徑只有0.8mm，mmu[1-3]常規(guī)的旋轉(zhuǎn)永磁同步電可以分為以下4類：永磁(有刷)直流電、異步起動(dòng)永磁同步電、永磁無刷直流電和調(diào)速永磁同步電。永磁(有刷)直流電與普通直流電相比結(jié)構(gòu)上取消了勵(lì)磁繞組和磁微型承磁(有刷)直流電。7K磁無刷直流電和調(diào)速永磁同步電在結(jié)于前者是由方波電流驅(qū)動(dòng)的永磁無刷電而后者是由正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁動(dòng)永磁同步電的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上有起動(dòng)繞組或具有起動(dòng)作用的整體鐵心能自調(diào)速永磁同步電的定子一般采用三相對(duì)稱的分布式短距繞組以得到接和噪聲。調(diào)速永磁同步電的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式多樣，主要有永磁體表面凸出式、表面式和內(nèi)置式三種結(jié)構(gòu)。如圖1.1所示。在永磁體采用稀土永磁材料的情況下，由于該材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近于空氣的磁導(dǎo)率，因此圖1.1(a)所示 永磁直線同步電是永磁同步旋轉(zhuǎn)電在結(jié)構(gòu)上的拓?fù)湎鄳?yīng)地也可以和調(diào)速永磁直線同步電永磁材料的性能及種象限部分描述永磁材料的特性，稱為退磁曲線[4-5]1.21.2

（1-0式中=410-7H/mH/mMA/mB的0H和磁化后產(chǎn)生的分量0M0MBi表示。由式0BiB

（1-Bif(H稱為內(nèi)稟退磁曲線。BrB，HHcHcBiHcjHcHcjHcj更能表1.2BD代表一個(gè)磁狀態(tài)該點(diǎn)B和H乘積代表了該磁狀態(tài)下永磁體所具有的磁場(chǎng)能量密Hd的乘積有最大值，稱為最大磁能積，用BH表示。最大磁能積回復(fù)磁導(dǎo)率:當(dāng)永磁體處于外加磁場(chǎng)中時(shí)，工作點(diǎn)A時(shí)，工作點(diǎn)不是沿著退磁曲線變化，而是到一個(gè)新的位置A'，如圖1.2所示

tan

（1-rec0的比值稱為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率r表示。若退磁曲線為直線，則溫度系數(shù)表示。在永磁體允許的工作范圍內(nèi)，其所處環(huán)境溫度每變化1C，剩余度系數(shù)，分別用Br和Hc表示。溫度系數(shù)表征了永磁材料的溫度穩(wěn)定性。度Tc。在臨界溫度以上時(shí)，由于原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列是無序1000h5％的最高保溫溫度，稱退磁曲線的拐點(diǎn):鐵氧體退磁曲線的上半部分為直線例如NdFeB稀土永25001920料分類如下VVVF控制方式是電常見的控制方法，它是一種開環(huán)的控制方式，不直1.31.5研究意電作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域生活的諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。在環(huán)境、全球變暖，同時(shí)世界能源價(jià)格高啟的宏觀背景下，我國(guó)正大力推進(jìn)節(jié)能減排工作的實(shí)施，開發(fā)和研究新型的高效節(jié)能永磁電提高永磁電機(jī)的性能不僅具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，而且符合國(guó)家的宏觀。85%以ANSYS介ANSYS的簡(jiǎn)ANSYSJohnSwanson博士創(chuàng)辦于1970年，著力于計(jì)算機(jī)模擬工程應(yīng)用商業(yè)化的公司。30多年來，ANSYS的這些特點(diǎn)使其在世界各地的各行各業(yè)獲得中，通過人們長(zhǎng)期的使用，得出的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為ANSYS電磁場(chǎng)在通用性和方便性上是比較成功。所以本文在磁場(chǎng)分析上是采用ANSYS。ANSYS程序ANSYS123在后處理中觀察計(jì)算結(jié)果[8]ANSYSSAVE-DB，重新編輯點(diǎn)擊RESUME-DB▲在建模和加載的過程中注意使用中main>plotCtrls>panzoomrotate，單元模型。便于在操作過程中觀察所建立的模型?！緦?shí)例介紹了部分菜單功能和命令很多功能需要自己在使用中摸ANSYSHelp>HelptutorialsANSYS理論以及在電磁仿真中的應(yīng)在ANSYS對(duì)電機(jī)仿真過程中可以依照?qǐng)D2.1的流程著為普遍仿真模型，GUI(圖形用戶界面)方式，也可采用批處理方式(命令流)或ANSYS較為復(fù)雜，但效率更高，GUIANSYS彈出的框(并不總是出現(xiàn))來完成操作這一方式更為直觀比較適合初學(xué)者。因?yàn)锳NSYS是一個(gè)多物理場(chǎng)的有限元在使用GUI模式進(jìn)行分析時(shí)，GUI2.1，類型，在對(duì)所設(shè)計(jì)的磁路中要用到的永磁材料如硅鋼、軟磁材料Fe、空氣等進(jìn)ANSYSAutoCAD對(duì)模型進(jìn)行剖分。剖分成功后處理器中的工作就完成了，接下來就進(jìn)入求立外部邊界上的磁力線平行的約束條件這一加載過程還可以處理器中于剖，電的基本結(jié)構(gòu)及其工作原機(jī)基本結(jié)構(gòu)來介紹工作原理[11]2.22.2采邊永磁體結(jié)構(gòu)比單邊永磁體結(jié)構(gòu)的氣隙磁密高，且改善了極面下氣隙磁密的均勻性。電樞繞組的有效導(dǎo)體在空間沿徑向呈輻射狀分布。由于電樞繞組直接放置在軸向氣隙中，電機(jī)的氣隙較大。為克服單邊磁拉力、減少漏磁，電機(jī)采用了雙邊永磁體采邊永磁體結(jié)構(gòu)比單邊永磁體結(jié)構(gòu)的氣隙磁密高且改善了極面下氣隙磁密的均勻性。因此，電機(jī)具有以下特點(diǎn)：電樞采用無鐵第三 永磁電機(jī)控制系統(tǒng)模型建立及分三相坐標(biāo)系的永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型建普遍范圍的應(yīng)用，將電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立在三相XYZ坐標(biāo)系上[12]。Ux ixUd

(3- y

dty

Rsiy

Lxzix

(3-y

yziy+ybLL i zx zzLL i 式中，U—定子相繞組電壓；i—定子相繞組電流；Rs—定子相電阻；xyz—下標(biāo)，分別表示定子x，y，z三相分量；xa，yb，zc—轉(zhuǎn)x，y，zexeyezex

d ey=dtyb=Ke

（3- zcKeLxx、LyyLzz—定子各相繞組自感；其余的為定子三相繞組間的互感；定子上各繞組的自感和它們間的互感都隨著轉(zhuǎn)子電角度的變化而變化，有L+Lcos2 M+Lcos2+2 M+Lcos2-2 3 3 L

xz

2 2

Lyz=M+L2cos2+3

M+L2cos2-3

M+L2cos2

zz

2

2M+L2cos2-3 M+L2cos2 M+L2cos2+3

3Lq=L0-M-2

3Ld=L0-M+2

（3-L-M=Ld+Lq；L=Ld-

（3- U i e

x x x

dx

（3- y xy y

zcos2 cos2+2 cos2-2 3 3

ix

cos2+2 cos2-2

cos2

x

3 3

（3-y

2

y

2

z cos2-3

cos2

cos2

3

（3- 1ei+ei+ei

（3- mT=

d x

d+ y

d + zi

（3-

m Jdm=T-T-R

（3- s=m

（3-J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量R—阻力系數(shù)；P—極對(duì)數(shù)m—機(jī)械角速度s—電角速度。3.1，以在永磁電機(jī)的控制應(yīng)用中須設(shè)法予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化最基本方法就是坐標(biāo)，首先先考慮三相—兩相的變換，即從三相XYZ坐標(biāo)到兩相AB坐標(biāo)上的變換，簡(jiǎn)稱(3/2變換)。如圖3.2所示，為這兩種坐標(biāo)系間的關(guān)系，且ZB-

ii 2

0-A -

i

（3-i

3-

YB

1i -

2iX i=- -1iA

（3-Y 2ii

BZ 1 至于兩相—兩相旋轉(zhuǎn)變換，即從兩相坐標(biāo)系A(chǔ)B旋轉(zhuǎn)到另外兩相坐標(biāo)ic=-

（3-i

id BiA=-

cosic

（3-i

iB d圖3.23/2變 圖3.32s/2r變c、d -uc

0icu=

d

+

i

（3-d

d

sd

0ic

（3-

0

Ldid duc=-sLdid33Tam=2PLc-Ldicid+fid

（3- 其中，Tam0 PLc-Ld

（3-Mmax

Umax 源。的X點(diǎn)，且電流滿足轉(zhuǎn)矩最大，有dTgm

（3- 把（2-18）和i2i2 iLLi2 i2 i2 ami2 i2

L

（3-22f16Lcd22i 當(dāng)L 4LL ic22f16Lcd22

當(dāng)Lc

（3-i 當(dāng)L 4LL 22 2f4L2f4L2d

當(dāng)L 2LL ic22f4L2d

當(dāng)Lc

（3-i 當(dāng)L 2LL d在控制系統(tǒng)中，根據(jù)檢測(cè)到的速度指令和電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差信號(hào)，通過PI調(diào)節(jié)器輸出d軸電流指令值i*然后根據(jù)電機(jī)端電壓是否達(dá)到逆變器的極限電壓來d3.4在電壓源型的逆變器供電的永磁電機(jī)控制系統(tǒng)中電系統(tǒng)中的逆變器和i2i2 Us

U2U2U

3（3-3其中：Us和is分別是電壓矢量和定子電流，Umax和imax限，UcbLi2L

2Umax

（3-2 c d2

sLcLd時(shí)(即為表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí))，式(3-26)f/Ld0為圓心的圓方程,當(dāng)LcLd時(shí)，式(3-26)是一個(gè)橢圓方程。如圖3.5電流解禍補(bǔ)償模由(3-19)式子可以看出，由于sLdid和sLcic它們之間是相互耦合，使的和Udc、d，種耦合作用采用前饋補(bǔ)償?shù)碾娏髡{(diào)節(jié)器，如圖3-6電流解耦控制器框圖， uPIuc、ud和線性的uc0 u

uuduc0s

ud0sLcicsic、idic、id電流波形較更好，能在較快時(shí)間內(nèi)與指令波形相契合。（a）有電流解耦合時(shí)的i、i、i*、i*的曲線（b）無電流解耦合時(shí)的i、i、i*、i* 永磁電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建 所謂雙閉環(huán)是指內(nèi)環(huán)的電機(jī)電流PI調(diào)節(jié)反饋環(huán)路和外環(huán)的電機(jī)速度PI反饋q能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。由c、d軸電流指令與電機(jī)實(shí)際的從q軸電流的誤差信號(hào)通PIq共同組成了c、d軸電壓指令值U*、U* 其提供三個(gè)反饋信號(hào)。比較常用的傳感器有混合式光電編(適用于無刷永磁多轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編等等。3.3.1主要包括永磁體的設(shè)計(jì)和永磁材料尺寸的確定，下面就分別對(duì)它們作相應(yīng)的介紹：①磁極的結(jié)構(gòu)磁極；對(duì)于內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)，多采用矩形永磁體[6]。LaLM相同，LMBr

永磁體氣隙與充磁方向長(zhǎng)度hM。一般情況先根據(jù)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系估計(jì)hMhM的大小決定了電機(jī)抗hM盡可能小[15]第四章永磁電機(jī)ANSYS仿仿真電機(jī)的介永磁電機(jī)的分類較多本文在 仿真是采用較簡(jiǎn)單普遍的直流電作為對(duì)象進(jìn)行仿真[16]4.11—電 2、4—電35—機(jī) 6—永磁磁ANSYS仿真前的設(shè)在利用ANSYS對(duì)電機(jī)仿真前先要對(duì)ANSYS仿真界面進(jìn)行設(shè)置操作，1、設(shè)置電磁學(xué)預(yù)選項(xiàng)（過濾器4.224.34.334.414.41(MURX4.556Preprocessor>loads>apply>-magnetic-boundary-flux-par’l①選OnLinesOK仿真結(jié)通過ANSYS對(duì)電機(jī)的仿真的到電機(jī)在不同磁場(chǎng)中各種磁場(chǎng)的分布相關(guān)4.6 參數(shù)的計(jì)4.1表4.1兩種規(guī)格電的性能指TYX132S-TYX160M-效率電機(jī)的設(shè)計(jì)中要先通過對(duì)該電機(jī)的性