永磁同步电机瞬态启动的有限元分析
基于有限元法的永磁球形电动机三维瞬态分析
基于有限元法的永磁球形电动机三维瞬态分析[摘要]为了分析永磁球形电动机三维瞬态特性，采用有限元法对电机特性进行了相关的研究。
本文介绍了有限元法的基本原理以及Ansoft公司的Maxwell 3D瞬态场计算原理。
建立了永磁球形电动机三维有限元模型，设置运动区域，仿真分析得到转矩，绕组磁链以及电机反电势动态特性。
为了研究相关电机参数对瞬态特性影响，给出不同的绕组电流和转子转速并进行对比，得出不同的电机参数对电机瞬态特性有一定的影响。
[关键词]球形电动机有限元法瞬态分析转矩特性0引言当前应用广泛的机器人、机械手主要靠多台单自由度元件进行配合，这种装置有很大的缺点，比如体积庞大，精密度低，动、静态性能差等。
为了改善系统的性能，国内外学者将研究重点放到了球形电动机的研究上。
球形电动机可以大大简化机构的复杂度，提高定位精度和响应速度，缩小机构体积，从而达到快速定位的目的。
因此，球形电动机的研究有着广阔的前景。
早些年，国内外关于球形电动机的研究主要包括：Laithwaite等人的感应型球形电动机[1]，Kok-Meng Lee等人的变磁阻型球形电动机[2]，Kaneko首先提出的球形直流电动机，华中理工大学提出的双馈型球形电动机等[3]。
但近年来，随着永磁材料的日益发展和在电机中的广泛应用，具有多自由度的永磁式球形电动机由于具有体积小、重量轻、力能指标高、控制简单的优点，已经成为多自由度电动机研究的热点之一。
合肥工业大学对永磁步进电动机进行了一系列的研究[4-6]。
新加坡南洋理工大学研制了一台三自由度永磁球形电动机，并对其进了建模和设计[7-10]。
天津大学将Halbach阵列应用到永磁球形电动机上，来改善电机的电磁场分布，使气隙磁场的波形更接近于正弦波形，提高了电机的运行性能[11-15]。
但目前关于永磁球形电动机磁场和转矩特性的分析基本是围绕其稳态特性进行的分析。
在实际的电磁场问题中，不仅要进行稳态工况和某个暂态时刻工况的分析，有时还需要对某一时间段内的暂态工况进行分析，得到所关心的宏观电气参量或微观电磁参量与时间的瞬时关系。
基于有限元法的永磁直线同步电动机动子瞬态振动预测
基于有限元法的永磁直线同步电动机动子瞬态振动预测宁建荣;夏加宽;沈丽;王成元【摘要】提出在设计阶段进行永磁直线同步电动机动子振动预测的方法.利用有限元分析方法对电动机动子进行动力学计算,获得加速度频响函数;对电动机进行电磁力分析,建立电磁力、电流的关系;利用MATLAB对电动机进行瞬态运行仿真,获得瞬态电磁力;运用加速度频响函数得到动子瞬态加速度响应.仿真结果显示:瞬态比稳态振动更复杂.该方法为永磁直线同步电机的优化设计提供依据.%PMLSM drives the feed table of an ultra-precision CNC machine tool directly, so the vibration of PMLSM's mover affects directly the precision of the machine tool. The method of vibration prediction in the design stage was constructed herein. Firstly, FEM was used to analyze the dynamics of the mover, and the transfer function of magnetic force and acceleration were obtained.Secondly, the connection of current and magnetic force was set up. Thirdly, the transient current was got by MATLAB while the PMLSM was running in transient. Then magnetic forces were calculated by interpolation using the relationship of current and magnetic force. Lastly, acceleration was calculated by the transfer function. It is helpful to vibration analysis and design optimization of PMLSM in the future work.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2011(022)006【总页数】4页(P671-674)【关键词】永磁直线同步电动机;振动;有限元法;超精密机床【作者】宁建荣;夏加宽;沈丽;王成元【作者单位】沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳化工大学,沈阳,110142;沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳工业大学,沈阳,110178【正文语种】中文【中图分类】TM35永磁直线同步电动机(permanent magnet linear synchronicmotor,PM LSM)具有高动态性能、高精度和免维护等特性,越来越广泛地用于直接驱动超精密数控机床的进给工作台。
基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略
基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略刘慧娟;傅为农【摘要】无传感器控制的永磁同步电机在低速和静止时一直存在着转子位置难以检测和估算的问题,本文针对该情况提出了一种基于瞬态有限元分析的转子位置和永磁极极性检测的策略和方法.以两相凸极永磁同步电机为例,通过对永磁同步电机瞬态磁场的有限元分析,考虑铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响,提出一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,并给出基于该组合电感的转子位置和永磁极极性检测的策略和优化转子位置检测的方法.计算结果表明,该方法能在电机静止和低速时,快速准确地判断出转子位置和永磁极极性.%The sensorless control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) at standstill and low speed is very difficult to implement. A methodology to design and optimize the position detection strategy of PMSM using transient finite element analysis (FEA) of magnetic field is presented. It addresses those effects arising both from iron core saturation and the transient characteristics of signals. A combined inductance which is sensitive to the rotor position throughout the complete cycle is proposed for the realization of position detection. The advantage of the proposed novel algorithm is that the rotor's position at low speeds down to standstill can be detected easily. A two-phase PMSM with salient structure is used as an example to demonstrate the method.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】转子位置检测;低速;静止;有限元分析;永磁同步电机;无传感器控制【作者】刘慧娟;傅为农【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;香港理工大学电气工程学院,中国香港【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其高转矩惯性比、高功率密度、高效率,并与矢量控制、直接转矩控制等高性能控制策略相结合的优点,在航空航天、电动汽车、工业控制等领域得到了越来越广泛的应用与发展.在永磁同步电机高性能控制系统中,转子的位置与速度是必须知道的运行参数,而传统的PMSM控制系统通常采用电磁或光电传感器来获取所需的转子位置和转速信号.由于位置传感器存在成本增加、体积增大、可靠性降低和使用条件限制等问题,无传感器控制技术已经成为永磁同步电机驱动控制领域中的研究热点,其中,转子初始位置检测是实现永磁同步电机无传感器控制需要解决的关键问题之一[1-2]. 无传感器控制技术可以简化系统结构,降低系统成本,提高系统运行的可靠性,其基本思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,实现转子位置的自检测.常用的基波激励检测方法是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息,该方法实施虽然简单,但在零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,因此只适用于高转速运行,另外,由于该方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度,它们对电机参数的变化很敏感,鲁棒性较差.而高频信号注入法与转子转速没有直接关系,能有效克服上述利用反电动势检测转子位置的缺陷.该方法的主要思想是利用电机固有的空间凸极或凸极效应实现对转子位置的检测,即：向电动机定子绕组注入高频电压信号,使其产生幅值恒定的旋转磁场或者产生沿着某一轴线脉动的交变磁场,当转子具有凸极性时,这些磁场会受到凸极转子的调制作用,在定子电流中呈现与转子位置或速度相关联的高频载波信号,从这些载波中即可提取出转子的位置或速度信息以用于系统控制的实现[3-8].高频信号注入法可分为旋转高频信号注入法和脉动高频信号注入法.文献[9-11]提出了一种基于d-q轴电路模型的转子位置检测分析方法,该方法的最大缺点是没有计及铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响.为此,本文作者提出了一种利用能计及铁心饱和,以及时间与空间高次谐波[12-13]影响的瞬态有限元分析计算结果,在永磁同步电机低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的方法.为提高转子位置检测的准确性,还给出了一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法.最后,以一台两相凸极永磁同步电机为例,实施所提出的转子位置检测策略.1 电机静止时转子位置检测图1(a)为一台4极两相永磁同步电机一极距范围内横截面示意图.定子槽数为24,定子上有A和B两相绕组,每槽导体数为60,A相与B相绕组轴线互差90°电角度,定子绕组排列如图1(a)所示;转子的凸极结构使电机在d轴和q轴的磁阻不同,转子PM(永磁材料)的矫顽力H c=738 113 A/m,相对磁导率为0.999 971,其磁化的方向从图1(b)可知为非径向方向.这种具有各向异性磁路结构与磁特性的电机将易于进行转子位置的检测.图1 PMSM示意图(转子初始位置θ=0°时)Fig.1 Cross section of PMSM(being studied θ=0°)1.1 转子位置与EMF的关系转子位置检测的机理是在定子某一相(如A相)绕组中注入高频载波电压信号,然后测量另一相定子绕组(如B相)中的感应电势.当A相绕组轴线与转子d轴或q轴重合时,如图2(a)所示,B相绕组中的感应电势将为零;当转子d轴与A相绕组轴线不重合时,由于转子凸极结构的影响,电机中高频电流产生的磁场将发生畸变,因而在B相绕组中产生感应电势,如图2(b)所示.图2 定子绕组电流产生的磁场分布示意图Fig.2 Flux distribution produced by stator current在瞬态有限元的计算中,假设将转子PM矫顽力 H c置为0,在定子A相加电流激励i A=sin(2π×(1/180)t)A,B相绕组开路,转子以很低的转速1°/s旋转,利用瞬态有限元模型计算出定子绕组A相与B相的感应电势波形如图3所示,其中幅值较大的波形为A相绕组的感应电势e A,而幅值较小的波形为B相绕组的感应电势e B.观察图3中感应电势波形还发现,当转子位置θ=45°、135°、225°和315°时,B相感应电势的达到其最大值.为在实际中能准确检测转子位置,有限元计算绕组感应电势时必须考虑磁路饱和的影响.因此,在以下的有限元计算模型中将同时考虑转子PM产生的磁场与定子A相电流产生的磁场共同存在的情况,即将计及铁心饱和的影响.计算模型中将转子PM 的H c恢复为738 113 A/m,在A相绕组中加幅图3 低速时定子绕组感应电势随转子位置变化的波形Fig.3 EMF for rotor position detection when rotor rotating slowly值 V m=1 V和频率 f=1 000 Hz的正弦交流电压v A=V msin(2πft),B相绕组开路,转子静止,瞬态有限元计算出A相感应电势e A、B相感应电势e B,A相电流i A 随时间变化的波形曲线分别如图4和图5所示.图4 当θ=45°转子静止时定子绕组感应电势波形(e A◦e B＜0)Fig.4 Induced emf when at standstill(θ=45°)图5 当θ=45°转子静止时定子A相绕组电流波形Fig.5 Current in phase A at standstill(θ=45°,f=103 Hz)从图4可得到如图6所示的B相感应电势幅值随转子位置变化的关系;从图5可得到如图7所示的A相电流幅值随转子位置变化的关系.利用图4和图5的仿真结果,根据式(1)可以计算出A相绕组的自感L A及A相绕组与B相绕组之间的互感M AB为图6 B相感应电势幅值随转子位置变化的曲线Fig.6 Amplitudes of induced emf of phase B vs rotor position图7 A相电流幅值随转子位置变化的曲线Fig.7 Amplitudes of current of phase A vs rotor position将计算出的绕组自感与互感分别绘成曲线,即得到如图8和图9所示的L BA与M BA随转子位置变化的关系曲线.可见,由于 i A随转子位置不同而变化,且有限元计算时计及了磁路饱和的影响,此时e B的最大幅值出现在θ=30°而不再是如图3所示的45°时,但 M AB却在45°时达到最大值.观察图8与图9可知,L A与 M AB的波形随转子位置的变化是对称的,因此,利用L A与 M AB随转子位置的变化曲线,将比利用i A与e B随转子位置的变化曲线更容易实现转子位置的检测.图8 两相绕组互感 M AB随转子位置变化曲线Fig.8 Mutual inductanceversus rotor position同时应注意,在图8中,当转子位置接近45°时,M AB曲线较平滑,对转子位置的敏感度较小,而此时L A曲线却显示对转子位置较为敏感,因此,构造一个组合电感L Combined如下其中：w 1和 w2分别是由 M AB和L A的幅值决定的权重系数;L Average是 LA的平均值.当0°≤θ＜45°和135°≤θ＜180°时,d sign=+1;当45°≤θ＜135°时 ,d sign=-1.图9 A相自感 L A随转子位置变化曲线Fig.9 Self inductanceof phase A versus rotor position图10 为组合电感 L Combined与转子位置的关系曲线.从图10可知,在整个圆周范围内,组合电感L Combined对转子位置均非常敏感,因此,利用L Combined来进行转子位置检测将提高检测的精确度.图10 组合电感 L Combined随转子位置变化曲线Fig.10 Combined inductance versus rotor position1.2 转子位置检测策略根据图3中A相、B相绕组感应电势波形,图10中组合电感 L Combined的变化曲线,以及图9中A相自感 L A的变化曲线,即可实现转子位置的精确检测,为说明简洁,这里设定转子在45°和90°时,L A1) 首先判定 e A与 e B的乘积,当e A◦e B＜0时,可确定转子位置为0°≤θ＜90°;当e A◦e B＞0时,可确定转子位置为90°≤θ＜180°.2) 若由1)判断出转子位置在0°≤θ＜90°时,则结合 e A、e B的幅值变化趋势,以及L A与L A45°、置在0°≤θ＜45°还是在45°≤θ＜90°.① 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均判定转子位于0°≤θ＜45°区间,再根据组合电感② 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐增大,而B相绕组感应电势e B的幅值逐渐减小,且L A≥L A45°,L Combined ＜L Combined45°时 ,可判定转子位于45°≤θ＜90°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度. 3) 若由1)判断出转子位置在90°≤θ＜180°时,则结合e A、e B的幅值变化趋势,以及 L A与L A135°、L Combined与L Combined135°的大小比较来判定转子的位置在90°≤θ＜135°还是在135°≤θ＜180°.① 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐减小,90°≤θ＜135°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.② 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均可判定转子位于135°≤θ＜180°区间,再根据组合电感L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.1.3 负载电流的影响当给定子绕组施加电压时,绕组中将会有电流流过,该负载电流将影响电机铁心的饱和程度,进而影响绕组的电感值.图11和图12表示在转子位置为22.5°时,利用瞬态有限元计算的绕组互感 M AB与自感L A随电流 i A变化的曲线.图11 绕组互感 M AB与电流 i A的关系曲线(θ=22.5°)Fig.11 Mutual inductance versus load current i A atθ=22.5°图12 A相自感L A与负载电流的关系曲线(θ=22.5°)Fig.12 Self inductance versus load current i A atθ=22.5°2 电机静止时永磁极极性检测2.1 永磁极极性检测的方法永磁极极性检测是通过给定子绕组顺序注入如图13所示的极性相反的两个脉冲电压信号,然后分析定子绕组中的电流信号来实现的.图13 转子静止时施加的一对电压脉冲信号波Fig.13 A pair of voltage pulses applied to windings施加的脉冲电压信号必须满足以下条件：两相绕组产生的磁场轴线必须与d轴重合.因为转子位置已经确定,所以,很容易计算出外加电压的空间矢量角度.当给定子绕组施加如图13所示的两个脉冲电压序列时,其中一个脉冲电压将降低电机铁心的饱和程度(对应S极)而另一个将增加铁心的饱和程度(对应N极),由此可判断出转子的N极与S极.因为当定子绕组电流产生的磁场与转子磁场同向时,磁路的饱和程度增加,磁路中的阻抗减小,定子电流增大;反之磁路饱和程度减小,磁阻增大,定子电流减少.图13和图14分别表示施加的电压波形和瞬态有限元计算出的电流波形.应注意：所施加电压脉冲的间隔应确保在绕组中的电流衰减到零之后,再加第2个电压脉冲.2.2 电压脉冲幅值的确定利用脉冲电压注入法来检测永磁极极性时,应确保所加电压脉冲的幅值足够大,以能改变转子磁图14 转子静止时定子绕组中产生的电流波形Fig.14 Current responding to a pair of voltagepulses场的饱和情况.为分析电压的脉冲幅值对定子电流变化的影响,利用瞬态有限元模型,给定子绕组施加如图15所示的幅值逐渐增大的一对方波脉冲电压序列,计算出定子电流波形如图16所示,从图16可见,相同幅值的正、负电压脉冲所产生的正、负电流的幅值大小不相等,正电压脉冲产生的电流幅值约为负电压脉冲产生的电流幅值的2倍.该方法通过检测电压脉冲的电流响应,将不受电机参数变化的影响.图15 转子静止时施加的电压脉冲序列Fig.15 Voltage pulses applied to winding图16 转子静止施加电压脉冲序列后定子绕组电流波形Fig.16 Current responding to series of voltage pulses因此,当给定子绕组注入两个幅值相同极性相反的脉冲电压,检测并比较相应的定子电流波形,若电流幅值较大时表明定子磁场轴线与N极轴线重合;若电流幅值较小时,表明定子磁场轴线与S极轴线重合.3 结论本文提出一种利用瞬态有限元计算与分析,在PMSM低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的策略和方法.通过对1台2相PMSM的分析表明：1) 基于对定子A相绕组施加高频载波电压,可以利用B相绕组感应电势和A相绕组电流来检测转子位置的机理,文中提出的对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,能提高转子位置的检测精确度.2) 基于脉冲电压注入法,通过对瞬态有限元计算结果的分析,能准确地判断转子永磁极的极性.3)利用瞬态有限元法对PMSM进行各种注入信号的分析计算时,能自动计及电机铁心饱和的影响和注入信号瞬态特性的影响,瞬态有限元法可作为PMSM无传感器控制系统转子位置检测和永磁极极性判断的有效分析工具.4) 本文所用的瞬态有限元分析方法完全适用于不同于本文示例的2相PMSM,对于三相或其他的PMSM,只要进行如文中所述的各项计算,即可分析总结出转子初始位置检测和永磁极极性判断的策略和方法,应用于PMSM 的实际控制系统.5) 本文作者将在后续论文中进行三相或其他PMSM的分析研究.参考文献(References)：[1]Holtz J,Pan H.Acquisition of rotor anisotropy signals in sensorless position control systems[J].IEEE Trans on Ind Appl,2004,40(5)：1379-1387.[2]Jansen PL,Lorenz RD.Transducerless position and velocity estimation in induction and salient AC machines[J].IEEE on Trans Industry Application,1995,31：240-247.[3]Wang L M,Lorenz R D.Rotor position estimation for permanent magnet synchronous motor using saliency：tracking 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基于有限元的U型单相永磁电动机起动分析
基于有限元的U型单相永磁电动机起动分析摘要：u型单相永磁同步电动机是一种特殊结构的单相自起动永磁同步电动机。
其永磁体转子与u型定子铁芯之间气隙设计成不均匀结构，使电动机通电后能够自行起动。
应用ansys有限元分析软件建立了电动机的二维仿真模型，分析不同气隙结构的空载磁场分布、定位转矩波形，验证了不均匀气隙结构u型单相永磁同步电动机是具有自起动能力的。
根据永磁体n、s极的磁性特点，使用ansys 软件确定电动机转子的初始位置，沿着位置方向在定子铁芯上开槽并放置永磁体对转子进行定位，并设计了一种简单的电源电路来控制电动机的旋转方向，对该电动机的研究具有一定的指导作用。
关键词：u型铁芯；单相永磁同步电动机；不均匀气隙引言随着永磁材料的出现，一种具有自起动能力的u型单相永磁同步电动机引起了人们的普遍关注[1]。
u型单相永磁同步电机是一种采用单相交流电源供电的具有特殊结构的单相永磁同步电动机，电动机采用不均匀气隙结构，不需要外加控制装置，也不需要起动电容和起动绕组就可自行起动，由于不均匀气隙结构产生的起动力矩有限，u型单相永磁同步电动机适用于起动力矩要求不高的场合，另一方面定子绕组通电后产生的磁场是脉振磁场，而脉振磁场可以分解为两个方向相反、速率相同的圆形旋转磁场，适用于旋转方向不定的场合，如：风机、泵类等[2-3]。
与同容量的传统单相异步电动机相比，u型单相永磁同步电动机具有效率高、结构简单、制造容易等优点，在小功率家用电器中有着广阔的应用前景。
针对以上情况，本文在u型单相永磁同步电动机结构特点的基础上，基于有限元磁场分析了均与气隙与不均匀气隙结构的空载磁场分布和空载磁阻转矩，验证了不均匀气隙结构能够有效产生起动力矩。
通过软件的辅助仿真确定了不同均匀气隙结构的转子初始位置角，并设计了一种能够控制电动机转向的方法，该方法是在电动机能够有效起动和运转的前提下，利用简单控制电路和转子结构定位结合来确定电动机的初始旋转方向。
永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型是通过将电机分割成许多小的单元，
每个单元都可以用数学模型来描述电磁和机械特性。
具体而言，有限
元模型主要包含三个方面的内容：电磁方程、磁路方程和机械方程。
其中，电磁方程用于描述电机的电磁特性，磁路方程用于描述电机的
磁场分布，机械方程用于描述电机的机械特性。
电磁方程主要包括磁场方程、电场方程和运动方程。
其中，磁场
方程描述了磁场的生成和变化，电场方程描述了电势的分布和变化，
运动方程描述了电机的运动状态和电势之间的关系。
磁路方程主要针
对电机的磁路结构，通过磁通量连续性条件和磁动势平衡条件，求解
出电机中各个磁路单元的磁通量和磁动势分布。
机械方程则包括动力
学方程和转矩方程，用于描述电机的机械性能，包括加速、减速、转
矩和扭矩等物理量。
通过对这些方程进行数值求解，可以得到各个单元的电磁、磁路
和机械状态参数，进而得出整个电机的电磁、磁路和机械性能。
这样，就可以用有限元模型来模拟和分析永磁同步电机在不同工况下的性能
表现，如转速、转矩、效率和功率因数等，为电机的设计和优化提供
基础和参考。
电机设计中的电磁场仿真与性能分析
电机设计中的电磁场仿真与性能分析摘要：电机的启动特性对于确保电机的可靠启动、减少对电力系统的冲击、提高生产效率等方面都至关重要。
设计良好的电机启动特性需要合理控制起动电流，尽量缩短启动时间，并选择适合的启动方式。
这样能够确保电机可靠运行并达到额定工作状态。
为进一步探究电机的电磁特性，使汽车获得更高的输出转矩，对电机进行三维建模。
本文结合电机设计中的电磁场仿真与性能进行分析，并提出一些个人观点，以供参考。
关键词：电机;电磁场仿真;性能1电机设计中的电磁场仿真在电机设计中，电磁场仿真是一种重要的工具，用于预测和分析电机中的电磁现象。
它可以帮助工程师更好地理解电机的工作原理、优化电机设计以及进行性能评估。
电磁场仿真是通过使用计算机模拟数值方法来解决电磁场问题的过程。
它基于麦克斯韦方程组和其他相关物理方程，利用数值方法（如有限元方法、有限差分方法等）来离散化问题并求解。
通过电磁场仿真，可以预测电机中的磁场分布情况。
这对于电机设计来说非常重要，因为它可以帮助工程师确定磁场的强度、方向和分布，从而选择适当的磁性材料和优化设计以获得所需的性能。
电机中的磁路是电流在铁心中的路径。
通过电磁场仿真，可以分析磁路中的磁通分布、磁阻、饱和效应等。
这有助于评估电机的磁路特性，并确定可能的损耗和效率改进方法。
电磁场仿真可以用于计算电机中的功率损耗，包括铜损耗和铁损耗。
这可以帮助工程师评估电机的热效应，并优化设计以提高能效。
电磁场仿真可以模拟电机在不同负载情况下的动态响应。
1.1空载状态仿真分析永磁同步轮毂电机的空载状态指的是电机在没有负载设备的情况下运转。
电机的空载电磁场是在电动机定子没有电流的情况下，在永磁铁附近产生磁回路。
因此，在本节分析中需要将定子电流设定为0A。
在分析电机性能时，气隙磁场密度是一个必不可少的因素。
通过数值模拟，得出空载条件下气隙的径向和切向磁密的波形如图所示。
由图可知，空载时径向磁通密度峰值为0.6003T，切向磁通密度为0.1684T。
基于Maxwell 14.0的永磁同步电动机有限元分析
第 一 作 者 简 介 ：邓
姬 ，女 ， １８ ９ ４年 生 ，江 西 金 溪 人 ，硕 士 ，工
程师 。研究领域 ：机电装备及其热电分析。
（ 辑 ： 飞６ 运 动 ００ ｓ 的 磁 力 线 分 布 ．１ 时 图 ９ 永 磁 同步 电机 三 相 感 应 电压 曲 线
图 ７ 运 动 ０ １ 时 的磁 密 云 图分 布 ．ｓ ０
参考文献 ：
图 １ 绕组 磁 链 随运 动 关 系 曲线 图 ０
图 ８１ ～ ０分 别 为 永 磁 同 步 电机 转 矩 ，感 应 电 势 和 绕 组 磁 链 随 时 间 的 变 化 曲 线 。 从 分 析 结 果 可 以直 观 的 看 到 电 机
制造 业信
３４电 机 瞬 态 电 磁 场 分 析 结 果 ．
３ ． 态模 型 的 建立 ． １瞬 ４
ＸＹ ｏ ＰＩｔ１
２。 。
ｌ
ｅ ． １ 番 。
＇５ 。
瞬 态 分 析需 分 离 静 止 与 运 动 部 分 ， 因此 ，需 建 立 一 个
包 含 整 个 电机 转 子 求 解 域 的 内层 域 面 和 一 个 Ｂ ｎ ａ ｄ模 型 。 ３４２激 励 源 和 边 界条 件 ．．
内部 的 电磁 场 分 布 情 况 和 电 机 的 运行 特性 。
［ ］唐 任 远 ． 代 永磁 电 机 理 论 与 设 计 ［ ］ ． 京 ：机 械 工 业 出 １ 现 Ｍ 北
版 社 ．１ ９ ９ ７．
［ ］ｈｔ： ｗｗ ｇ ｏ ． ｎ．ｋ ． ２ ｔ ／ ｗ． ｓｅ ｏ ｈ ／ 三相永磁 同步 电动机 的建模 与分 ｐ／ ｏ ｃ
析 ［Ｂ ＯＬ ． Ｅ ／ ］ ［ ］ 赵 博 ， 张 洪 亮 ， 等 ．Ａ ＯＦ ２ 在 工 程 电 磁 场 中 的 应 用 ３ ＮＳ Ｔ１ ［ ］． 京 ： 中 国水 利 水 电 出版社 ，２ １ ． Ｍ 北 ００
基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析
永磁磁极数 ／ 对
４
投稿时 间 ：２ １—６ ２ ００ ０ —５ 作者简 介 ：王振 （ ８一 ）男 ，南 昌大学 电机 与电器 专业研 究生 ，研究 方向 永磁 电机及其 控制 。 １６ ９
研究与探讨
能 源研 究 与 管 理 ２ １（ ） ０ ０ ３
・ ７・ ２
在 确 定 好 电机 的 冲 片 后 ，在 操 作 界 面 上 选 择 ＭＡ ＷＥ Ｌ２ Ｘ Ｌ Ｄ，开始 进行 电机模 型 的 建立 。在 建模 过 程 中 ，需 要 利 用 到模 型 绘 制 快 捷 按 钮 上 的 Ｄａ ｒｗ
．
ｏ ｎ ＡＮＳ ＦＴ Ｏ
Ｗ ＡＮＧ Ｚ ｅ ｈ ｎ， Ｌ Ｕ Ｊａ — ｕ ， Ｗ ＡＮＧ Ａｉ ￣ｎ Ｉ ｉｎ ｇ ｏ － ｇ
（ｅ ａｔ ｅ ｔ ｆ ｌｃ ｉ ｌ ｎ ｕｏ ａ ｃ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ｎｈ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｎ ｈ ｎ ３ ０ Ｃ ｉ ） Ｄ ｐ ｒ ｎ ｏ ｅｔｃ ｄＡ ｔｍ ｔ ｇ ｅｉ ａ ｃａ ｇ ｉ ｓｙ ａｃ ａ ｇ ３ ０ ３ ｈ ａ ｍ Ｅ ｒ ａａ ｉＥ ｎ ｎ Ｕ ｅ ｉ １ ｎ
ｍｏ ｅ ｉｇ ｍｅｈ ， ｎ ｌｓｓ ｓ ｐ ｎ ｒｃ ｓ ｅ ｒ ｎ ｒ ｕ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｅ ｐ ｃｉｅｙ Ｅ ｒ ｓ ｌ ｆｔ ｎ ｉｎ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｄ ｌ ｔｏ ａ ａｙ ｉ ｔ ｓａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓａ ｅ ｉ ｔ ｎ ｄ ｅ ｄ ｏ ｃ ｄ ｉ ｅ ａｌ ｓ ｅ ｔ ｌ．Ｆ Ａ ｅ ｕ ｔ ｏ ａ ｓｅ ｔｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ，ｒ ｖ ｓ ｒ ｃ ｉ ｄａ ｅａ ａｙ ｅ ． ｆ ｌ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ ｐ ｒ ａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｅ ｉ ｅＡＮＳ ｌ ｅｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ ｙｗｏ ｄ ： ｅ ｍ ｎ ｎ ｎ ｔ ｍａ ｍａ ｈ ｎ ； ＯＦ ＇ ｌｅｒ ； ｏ ｇ ｅ ｉ ｆ ｌ ｃ ｉ
高速永磁电机设计与分析技术综述
高速永磁电机设计与分析技术综述一、概述高速永磁电机，作为现代电机技术的杰出代表，正以其高效率、高功率密度以及优秀的控制性能，在多个领域展现出广阔的应用前景。
随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，对高速永磁电机设计与分析技术的研究显得尤为重要。
本文旨在对高速永磁电机的设计与分析技术进行综述，以期为相关领域的研究者提供全面的技术参考和启发。
高速永磁电机的设计涉及电磁设计、结构设计、热设计、强度设计等多个方面，其关键在于如何在高速运转的条件下保证电机的性能稳定、安全可靠。
电磁设计方面，需要优化绕组布局、磁路设计以及永磁体的选择，以提高电机的效率和功率因数。
结构设计则着重于提高电机的刚性和强度，防止在高速运转时产生过大的振动和噪声。
热设计则关注电机内部的热传递和散热问题，防止电机因过热而损坏。
强度设计则要求电机在承受高速运转产生的离心力时，能够保持结构的完整性。
高速永磁电机的分析技术则涵盖了电磁场分析、热分析、结构分析等多个方面。
电磁场分析可以预测电机的电磁性能，为优化设计提供依据。
热分析则用于评估电机在不同工况下的热状态，为散热设计提供参考。
结构分析则关注电机在高速运转时的动态特性，为强度设计提供支撑。
随着计算机技术和数值分析方法的快速发展，高速永磁电机的设计与分析技术也在不断进步。
通过采用先进的电磁仿真软件、热仿真软件以及结构仿真软件，可以更加精确地预测电机的性能，为设计优化提供有力支持。
1. 高速永磁电机的定义与重要性高速永磁电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）是一种特殊类型的电机，其核心特点在于使用永磁体来产生磁场，以及能够在高转速下稳定运行。
与传统的电励磁电机相比，HSPMSM具有更高的功率密度、更高的效率以及更低的维护成本，因此在许多现代工业应用领域中具有显著的优势。
HSPMSM的重要性体现在以下几个方面：随着全球能源危机的日益加剧和环境保护需求的不断提升，节能减排、提高能源利用效率已成为工业生产中的重要目标。
内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析
第29卷第6期中国电机工程学报V ol.29 No.6 Feb.25, 20092009年2月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 61 文章编号：0258-8013 (2009) 06-0061-06 中图分类号：TM 351 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析陈益广，仲维刚，沈勇环(天津大学电气与自动化工程学院，天津市南开区 300072)Finite Element Analysis of Interior Composite-rotor Controllable FluxPermanent Magnet Synchronous MachineCHEN Yi-guang, ZHONG Wei-gang, SHEN Yong-huan(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China)ABSTRACT: A new kind of flux-controllable permanent magnet synchronous machine (PMSM) with interior composite-rotor structure was proposed. Both NdFeB and AlNiCo permanent magnets are embedded in the rotor. It makes full use of the high remanent flux density, high coercive force of NdFeB, and the high remanent flux density, low coercive force of AlNiCo. By imposing a d-axis current pulse whose direction and amplitude are controllable on the stator windings, the control system can change the magnetization direction and remanent flux density of AlNiCo, control the air-gap PM-flux, and rise speed by flux weakening. The working principle of this machine was introduced. The magnetic field was analyzed by finite-element method. Internal magnetic field distribution and air-gap magnetic field waveforms in different motor conditions were demonstrated. The results show the necessity of increasing q-axis magnetic reluctance. The rule of the influence of magnet size on the number of times of flux weakening was summarized.KEY WORDS: interior composite-rotor; finite element analysis; controllable-flux; permanent magnet synchronous machine; memory motor摘要：提出一种转子内同时放置钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的内置混合式转子磁路结构的可控磁通永磁同步电机。
车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析
第13卷 第1期2009年1月电 机 与 控 制 学 报EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROLVol 113No 11Jan .2009车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析郭 伟, 张承宁(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)摘 要:为了提高车用永磁同步电机的短时过载能力和功率密度,利用有限元方法进行了综合考虑电磁、热和控制策略的损耗和瞬态温升的非线性仿真分析。
损耗分析指出了铁耗由于弱磁的原因在基速附近就达到了最大;峰值工况下的铜耗在整个速度范围内基本不变;连续工况下的铜耗最大值也同样因弱磁的需要而出现在最大工作转速。
瞬态温升分析表明绕组端部温度最高而成为薄弱环节;短时工作时永磁体的温度比绕组低但连续或循环工作时两者温度相差不大;增加水流量对绕组温升的影响有限,特别是短时峰值工作的影响就更小,水冷电机加强散热能力的方法在于加强材料应用和工艺改进。
关键词:永磁同步电机;铁耗;温升中图分类号:T M35文献标识码:A文章编号:1007-449X (2009)01-0083-05I ron losses and transi ent te mperature analysis of the per manentmagnet synchronous motor for electr i c vehi clesG UO W ei, ZHANG Cheng 2ning(School of Mechanical Vehicular Engineering,Beijing I nstitute of Technol ogy,Beijing 100084,China )Abstract:T o extre mely i m p r ove short 2ter m overl oad capability and high po wer density of the mot ors f or elec 2tric vehicles,the l osses and transient te mperature rise were thor oughly si m ulated with finite ele ment method considering the electr o 2magnetic,ther mal and contr ol strategy .Losses analysis indicated that the maxi m u m i 2r on l oss occurred at the base s peed due t o the field 2weakening .The copper l osses were al m ost constant f or peak po wer operati on .The maxi m u m copper l oss f or continuous operati on mode occurred at maxi m u m opera 2ti on s peed because of the field 2weakening require ment as well .The te mperature rise analysis sho wed that the winding end was the vulnerable area where the highest te mperature occurred .The te mperature in the per ma 2nent magnet was l o wer than in the winding at short 2ter m operati on and there was fe w difference bet w een the t w o at continuous operati on or po wer l oop .I ncreasing water fl o w has very li m ited i m pact on winding te mpera 2ture,es pecially at short 2ter m peak po wer operati on .The key techniques t o enhance the heat dissi pati on ability of water 2cooled mot or were the i m pr ove ment of material and p r ocessing technol ogies .Key words:per manent magnet synchr onous mot ors;ir on l oss;te mperature rise收稿日期:2008-09-24基金项目:国家“八六三”高技术基金项目(2007AA11A105)作者简介:郭 伟(1972-),男,博士,讲师,主要研究方向为特种电机设计及控制;张承宁(1963-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为电力电子与电气传动、电动车辆电池监控系统。
永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析
湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)诚信承诺书本人慎重承诺和声明：所撰写的《永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析》是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。
设计(论文)的研究成果归属学校所有。
学生(签名)年月日湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）任务书题目：永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析姓名 ***** 系************ 专业电气工程及其自动化班级 **** 学号 ************ 指导老师 ******* 职称 ****** 教研室主任 ******一、基本任务及要求：1、基本数据：1）额定功率：P N =7.5K W2）连接方式：Y3）额定电压：U N =400V4）额定转速：n N =1500r∕min5）相数： m=36）功率因数：cos =0.97）效率：η= 0.948）冷却方式：空气冷却2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1）按所给定技术要求完成永磁同步发电机的电磁设计方案；（2）用ANSOFT或ANSYS有限元法对发电机磁场进行仿真研究；（3）说明书编制。
二、进度安排及完成时间：2月27 日—— 3月 10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月11 日—— 3月 23日：毕业实习、撰写实习报告3月24 日—— 4月 25日：毕业设计（电磁设计）4月 26日—— 5月 20日：毕业设计（磁场有限元分析）5月下旬：毕业设计中期抽查5月21 日——6月1日：撰写毕业设计说明书（论文）6月2 日——6月9日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月10 日——6月12日：毕业设计答辩前言随着现代工业的高速发展，能源的需求量也日益增加。
电能作为现代工业中最重要的二次能源，也发挥着越来越重要的作用。
而电机作为电能的生产者和主要的消费者，它的需求量在工业制造中占有很大的比例。
永磁电机的有限元仿真分析
永磁电机的有限元仿真分析姚光久（广东电网公司中山供电局，广东中山528400）摘要：本文利用Ansfot公司的Maxwell2D瞬态模块，建立了永磁电机模型，加载激励源构成一个完整的仿真系统。
通过对永磁电机模型瞬态有限元分析，得到了电机五种状态磁力线与反电动势。
仿真结果精确地反映了电机运动过程，为永磁电机优化设计、减少转矩脉动、提高效率提供了理论依据。
关键词：永磁电机；五种状态；瞬态分析中图分类号：TM3文献标识码：A1引言永磁电机是把永磁电机本体、电子技术和控制技术融为一体的电磁机械装置，早期用于军事和航天领域，如卫星姿态控制、导弹测试用转台等，稍后被应用于工业加工领域，用作高性能机床的驱动[1]。
由于构成这类电机驱动系统的成本太高，在民用领域没有得到推广。
近年来，随着构成永磁同步电动机主要成本的永磁材料、电力电子器件、微处理器价格的不断降低，技术的进步使得研究永磁电机成为当代电气传动界的热门课题之一[2-3]。
永磁电机具有体积小、功率高、无转子损耗、转动惯量小和较高的转矩密度、转矩平稳性良好及振动噪音低等优点。
2静态分析软件由于永磁同步电动机的非线性特性，在运行过程中必然有一些参数发生非线性变化，以固定参数带入方程进行求解的方法会带来很大的误差，而且由于永磁同步电动机结构的特殊性，其参数也很难由传统的参数计算方法来精确确定。
随着计算机辅助设计技术的飞速发展，涌现出了许多用于电磁场有限元数值计算的软件。
静态场对动态元件迭代次数要求低，静态分析有限元软件占多数。
然而仅仅静态分析，不能分析计算电机的模型。
但是其他软件在涡流场和瞬态场分析方面较为欠缺，存在后处理功能薄弱、3D图像渲染能力缺失等缺点，给电机运行的计算带来困难。
Ansoft公司推出的Maxwell2D电磁场分析软件不仅具有完善的静态电磁场分析功能，对瞬变电磁场的分析同样卓越，具有强大的后处理功能，为永磁电机参数的计算提供了一个快捷、方便、准确的计算工具[4]。
永磁同步电机设计参数-概述说明以及解释
永磁同步电机设计参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:永磁同步电机作为一种高效、节能的电机类型，在各种应用领域备受关注。
其设计参数的选择对电机性能和效率有着重要影响。
因此，本文旨在探讨永磁同步电机设计参数的优化方法，以提高电机的性能和效率。
首先，我们将介绍永磁同步电机的工作原理和结构特点，包括永磁材料的选择、定子和转子的设计等方面。
然后，我们将重点讨论永磁同步电机设计中的关键要点，如磁场分布、转矩性能、效率等方面，以帮助读者深入了解设计参数的重要性。
接着，我们将介绍设计参数优化的方法，包括仿真分析、实验验证、优化算法等方面。
这些方法将有助于工程师们更好地设计永磁同步电机，提高其性能指标。
最后，我们将总结本文的主要观点，并展望未来研究的方向，以期为永磁同步电机设计和应用提供有益的参考。
通过对设计参数的深入研究和优化，我们有信心能够进一步提升永磁同步电机的性能和效率，推动其在各个领域的广泛应用。
1.2 文章结构：本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将对永磁同步电机设计参数进行概述，介绍文章的结构以及研究目的。
在正文部分，将详细讨论永磁同步电机设计参数的概述，关键设计要点以及设计参数优化方法。
最后在结论部分，对全文进行总结，分析设计参数对性能的影响，并展望未来研究方向。
通过这样的结构，读者将对永磁同步电机设计参数有一个更深入的了解，为相关领域的研究工作提供参考和指导。
1.3 目的：本文旨在探讨永磁同步电机设计参数对其性能影响的关键因素，通过对设计参数的优化方法和关键设计要点的详细分析，帮助读者更好地了解永磁同步电机的设计过程，提高电机的性能和效率。
同时，通过对设计参数对性能的影响进行总结和展望未来研究方向，有助于推动永磁同步电机在工业和汽车领域的应用和发展，促进清洁能源技术的进步和普及。
2.正文2.1 永磁同步电机设计参数概述永磁同步电机是一种高效、节能且性能优越的电动机，在现代工业生产中得到广泛应用。
永磁同步风力发电机的有限元分析
永磁同步风力发电机的有限元分析张 兆 强（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）[摘 要]选择内转子直驱永磁的电机系统结构进行风力发电机设计。
采用等效磁路的方法进行了初步设计。
使用有限元方法分析了电机在空载、额定负载和三相短路情况下的工作特性。
结果表明电机齿槽转矩小、工作点合理，且短路状态下不会发生永磁材料的永久去磁。
[关键词]风力发电机设计；有限元分析；永磁[中图分类号] TM313 [文献标识码]A [文章编号] 1000-3983（2007）05-0018-04Finite Element Analysis for Permanent Magnet Synchronous GeneratorZHANG Zhao-qiang（Department of Electronics Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China）Abstract: Inner-rotor direct-coupled structure is adopted in wind generator design. Pre-design of the generator is carried out with equivalent magnet circuit method. The generator characteristics in the states of no load, rated load and short circuit are analyzed with finite element method. The result shows that the cogging torque is small and working points are reasonable, and irreversible demagnetization will not happen in short circuit state.Key words: wind generator design; finite element analysis; permanent magnet1概述目前风力发电中使用较多的是双馈电机变速恒频风力发电系统，这是因为其控制风力机在一个较宽的转速范围内运行，能最大限度地捕捉风能，又能调节有功功率和无功功率，起到补偿功率因数的作用。
永磁直线同步电机解析分析及有限元验证
要 尺 寸参数 对 气 隙磁 场和 性 能的影 响 ， 出 了永 久磁 极 的设 计原 则和计 算公 式 ， 析 了考虑饱 和影 提 分
响 、 及边 端效 应 时分段 式永磁 直 线 同步 电动机 的非 线性 、 对 称 、 计 不 变化 的 自感和 互 感参 数 的 解析
计算 方 法 ， 到 了定 子绕 组 自感 和 互感 系数 随动子 位 置 不 同时 的 变化 曲线 。 有 限元 数值 计 算 结 果 得 表 明 ， 出的分段 式 永磁 直线 同步 电动机 永 久磁 极 的设 计 计 算公 式 以及 电机 变 电感 参数 解析 计 算 导
公 式是 适 用的 。
关键 词 ： 永磁 直线 同步 电动机 ；气 隙磁 场 ；永 久磁 极 ； 数 ；有 限元 参
中图分 类号 ：Ｎ９ １２ Ｔ １．２ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ７ ４ ９ ２ １ ） ７ ０ ０ — ６ １０ — ４ Ｘ（０ １０ — ０ ８ ０
Ａｎ ｌ ｓ ｓ ｏ ｅ ｍ ａ ｅ ｔ ｍ ａ ｎ ｔ ｌ ｅ ｒ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ａ ｙ ｅ ｆ ｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｉ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｎ ｍ ｏ ｏ ｎ ａ ｉ ａ ｅ ｙ ＦＥＭ ｔｒａ ｄ ｖ ｌ ｔｄ ｂ ｄ
永磁直线电机的有限元分析及计算
永磁直线电机的有限元分析及计算永磁直线电机（Permanent Magnet Linear Motor，简称PMLM）是一种将电能转化为直线机械能的装置，它由永磁体组成的固定子和线圈组成的动子构成。
与传统的旋转电机不同，PMLM能够直接输出直线运动，并且具有大力密度、高效率和较低的噪音。
在永磁直线电机的设计和优化过程中，有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）和计算是非常重要的工具。
在有限元分析中，将电机内部的磁场、电流、力等物理量划分为有限数量的元素和节点，并使用数值方法求解模型的行为。
通过FEA方法，可以定量地评估永磁直线电机的性能指标，如功率、力矩、效率等。
有限元分析通常包括以下步骤：1.建立几何模型：将永磁直线电机的各个组成部分，如永磁体、线圈、铁心等，准确地建模为几何实体。
2.网格划分：将几何模型划分为有限数量的单元和节点，常用的划分方法包括四面体划分、六面体划分、三角形划分等。
3.求解磁场分布：根据电机的电流和永磁体的磁性，使用麦克斯韦方程和安培定律求解磁场分布，并获取磁力密度分布、磁场线轨迹等。
4.计算电机的力矩和力：通过磁场和电流之间的相互作用，计算电机在工作状态下的力矩和力。
5.评估性能指标：根据有限元分析结果，评估永磁直线电机的性能指标，如功率、效率、力矩密度等。
有限元分析不仅可以用于永磁直线电机的静态分析，还可以用于动态分析。
在动态分析中，需要考虑电机的运动状况和电机响应的时间变化。
通过有限元分析，可以评估电机在不同速度、不同负载情况下的性能。
在计算方面，可以使用有限元软件，如ANSYS、COMSOLMultiphysics等，进行永磁直线电机的有限元分析。
这些软件提供了强大的模拟和计算功能，可以帮助工程师快速准确地分析电机的力学和电磁特性。
总之，有限元分析和计算是永磁直线电机设计和优化的关键工具之一、通过使用有限元分析，可以定量地评估电机的性能，指导电机的设计和优化，并提高电机的效率和可靠性。
Ansoft有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析
Ansoft有限元分析软件对永磁同步发电机进⾏磁场分析⼀、概述此⽂档介绍了利⽤Ansoft Maxwell2D 11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进⾏磁场分析的⽅法，读者应先了解Ansoft软件的基本使⽤⽅法后阅读本⽂，Ansoft软件的基本使⽤⽅法可参阅《Ansoft⼯程电磁场有限元分析》（刘国强著，电⼦⼯业出版社）。
永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。
图1 磁场分析的基本流程⼆、求解空载磁场1.绘制有限元模型（Define Model）Ansoft Maxwell2D 有限元建模的⽅法主要有三种，⼀是直接在Maxwell2D 中绘制，选择Define Model-Draw Model 进⼊后在软件提供的绘图界⾯上绘制电机模型。
⼆是利⽤Ansoft RMXpert导⼊，点开Maxwell 11 3D的界⾯，选择Project-Insert RMxpert Design，然后逐项输⼊电机各项数据。
输⼊完各项数据后，点击RMxpert-Analyze all，求解电机模型。
求解完成后，点击RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project，⽣成⼀个Maxwell 2D模型。
在弹出的对话框中，Project Name中填写模型的名字，Location填写模型存放的路径。
三是⽤AutoCAD绘制后导⼊。
将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式，在Ansoft Maxwell2D 绘图界⾯中点击File-Import，选中*.dxf⽂件在出现的设置转换参数对话框中，将Number of segments for poligonalization of a circle 和Number of segments between control points of a spline 后的数量设置得⼤⼀点，点击ok，将AutoCAD图形转换为Maxwell 2D模型图形*.sm2。
同步电机瞬态和超瞬态电抗
根据第 1 节中的分析，笔者提出一种基于磁场 分析的同步电机瞬态和超瞬态电抗的有限元计算方 法。新方法采用瞬态电磁有限元，对同步电机直线 部分的整个二维横截面进行建模、分析，通过输入端 部漏电抗来模拟端部效应。
磁 路 分 析 方 法 的 结 果 对 照 ，验 证 新 方 法 的 有 效 性。 3． 1 直轴超瞬变电抗
按照 2． 2 节提出的新方法，直轴超瞬变电抗的 计算结果如下，各波形参见图 2。
图 2 直轴超瞬变电抗有限元分析结果
定子机端相电压有效值： 3 810． 6 V 定子稳态相电流有效值： 7 355． 5 A 直轴超瞬变电抗实际值： 0． 518 1 Ω 直轴超瞬变电抗标幺值： 0． 089 2 从 图 2 （ c ） 可 以 发 现 ，在 超 瞬 态 瞬 变 时 刻 ， 由 于 阻 尼 绕 组 和 励 磁 绕 组 维 持 其 磁 链 不 变 ，于 是 这 两 个 绕 组 里 要 感 应 电 流 ，产 生 各 自 的 反 磁
2011． No． 3
同步电机瞬态和超瞬态电抗的有限元计算
3 瞬变、超瞬变电抗计算结果对比
以 一 台 6 000 kW，6 600 V，4 极 隐 极 同 步 电 机 为 例 ，采 用 笔 者 提 出 的 新 方 法 ，计 算 直 轴 瞬 变 、超 瞬 变 电 抗 ，并 将 新 方 法 的 计 算 结 果 与 传 统
链 ，去 抵 消 电 枢 磁 通 ； 从 磁 力 线 图 上 来 看 ，电 枢 磁 通 就 像 无 法 进 入 这 两 个 绕 组 ，只 能 沿 着 这 两 个绕组的边缘（ 两个绕组本身的漏磁通磁路） 通 过。 3． 2 直轴瞬变电抗
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异步启动时 , 电网加在定子的三 相 220 V 电压 将在气隙中产生一个以同步转速旋转的磁场 , 此旋 转磁场与笼型绕组中的感应电流相作用 , 产生一个 驱动性的异步 电磁 转矩 TM 。另 一方面 , 转子 旋转 时 , 永磁体在气隙内将形成另一个转速为 = ( 1- S ) n s ( 7) 并在定 子绕 组内 感应 一 组电 动 势, 这 组 电动 势经过电网短路并产生一组三相电流 ; 这组电流与永
[ 3] [ 4] [ 5] [ 6]
图 8 电机起动过程中的转矩 - 时间关 系
4 结
语
通过 M axw ell 有限元分析软 件强大功能 , 对永 磁同步电机空载起动时的性能进行分析, 可大大提 高电机设计精度 , 同时可以很容易得到改变电机参 数对电机的影响 , 对于优化电机设计提供了科学有 力的手段。
参考文献
[ 1] [ 2] 严登俊 , 刘瑞芳 , 胡敏强 , 等 . 处理电磁场有限 元运动问题的 新方法 [ J] . 中国电机工程学报 , 2003( 8) : 163- 167 . H o S. L. , L i H. L. , Fu W. N. . I n clus ion of inter b ar cu rren ts in anetw ork field coup led ti m e stepp ing fin ite element m odel of skew ed rotor indu ct ion m otors [ J ]. I EEE T ran s . on M agn et ics , 1999, 35 ( 5 ) : 4218- 4225. 李泉凤 . 电磁场数值计算与电磁铁设计 [ M ] . 北京 : 清华大学 出版社 , 2002. 张宝强 . 基于有限元方法的永磁 同步电动机等效 电路参数计算 与试验的研究 [ J] . 电气技术 , 2008 ( 4) : 11 - 14. 史乃 . 电机学 [ M ] . 2版机械工业出版社 . R ahm an . M. A, p ingzh ou . Field basedA n alysisforper m anen M t ag netsyn ehronous M otor [ J ] . I EEE T ran sactionson M agn et ies . 1994 , 30 ( 5) : 3664 - 3667 .
第 44 卷 2011 年
第 2期 2月
M ICR OM OT OR S
V ol 44. N o 2 F eb 2011
永磁同步电机瞬态启动的有限元分析
郑超迪, 杨向宇, 兰志勇
( 华南理工大学 电力学院 , 广州 510640) 摘 要 : 该文利用 M axw ell对永磁同步电机的瞬态启动进行了设计 和分析建 立了电机 的二维 有限元模 型并对 电机进 行了瞬态磁场和动态性 能分析 , 分析证明此设计参数是可以采用的。 关键词 : 永磁同步电机 ; 瞬态启动 ; 二维有限元模 型 ; 瞬态 磁场分析 中图分类号 : TM 351 ; TM 341 文献标志 码 : A 文章编号 : 1001 6848( 2011) 02 0013 03
2 永磁同步电机的有ຫໍສະໝຸດ 元分析M axw ell软件的有限元分析计算过程包括一下三 [ 1- 4] 个步骤: 前处理、磁场计算、后处理三个部分 。 为建 立 永 磁 同 步 电机 数 学 模 型, 可 做 如 下 假 设: 忽略电动机铁心的饱和; 不计电动机中的涡流
收稿日期 : 2010 03 10 作者简介 : 郑超迪 ( 1985) , 男 , 研究方向 为电气传动及其智能控制 。 E m a i:l 89524429 @ qq . com
1 电机的结构和尺寸
本文对一台额定功率为 P n = 550 W 的永磁同步 电机瞬态启动进行分析, 电机为典型的 4 极 24 槽结 构 , 绕组为双层交叉 , 接形式 , 内置切向型永磁 体 , 采用冲片类型为 D23 。电机定转子的主要尺寸 如表 1 所示。
表 1 电机的主要尺寸 定 子内径 /mm 75 转 子内径 /mm 26 定子外径 /mm 120 气隙 /mm 0 5 定子齿宽 /mm 4 6102 转子铁心 长度 /mm 65 定子铁心长度 /mm 65 端环宽度 /mm 4
0 引
言
交流电机分为异步电机和同步电机。异步电机 转子结构简单、可靠 , 在工业中被大量应用 , 但功 率因数低、效率也受影响。电励磁同步电机转子结 构较复杂 , 但功率因数高、效率也高。如果用永磁 体励磁构成永磁同步电机, 则可兼顾两者优点, 因 此永磁同步电机及其高性能控制的研究己成为当前 的研究热点 , 本文基于有限元场的计算对其运行原 理和特性进行了剖析 , 为永磁同步电机的进一步研 究与深入提供了参考。
F inite E le m ent Analysis of Transient State Start for PM SM
ZHENG Chaod,i YANG X iangyu, LAN Zh iy ong ( College of E lectric P ow er, South China University of T echnology, Guangzhou 510640 , Ch in a) Abstract : Th is paper designed a transien t state start o f PM S M, analysed its perfor m ances based onM axw e l,l and then estab lished its tw o di m ensio na l finite e le m ent m ode, l analysed the transient m agnetic field and dy nam ic perfor m ances. The results show th at the design can be put in to practice . K ey w ord s : PM S M; capacito r run ; transient state star; t tw o di m ensional finite elem ent m odel transient m agnetic field analysis 根据电机的尺寸在 Rm xprt中进行设计得到电机 的截面、绕组分布、定子槽 和转子槽图 , 如图 1图 4 所示。
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44卷
2期
郑超迪等 : 永磁同步电机瞬态启动的有限元分析
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磁体的磁场作用 , 在转子上产生一个制动性质的电 磁转矩 TG。启动时的合成电磁转矩 T e 是 TM 与 TG 的 叠加 , 电机将启动起来。在电机转速稳定的情况下 电机的转矩也接近稳定, 由于分析的是电机空载的 瞬态 , 所以电机转矩接近于 0 。对应的转矩 的曲线 如图 8 所示。