专用稀土永磁同步发电机及其DC-DC稳压系统的研究

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西北工业大学硕士学位论文
前言
前 言
国民经济的发展，科学技术的进步和国防现代化的实现，特别是航空、航 天、航海等方面的新型装备的研制，对电机的性能提出了新的更高的要求。而 新材料，特别是高性能的稀土永磁材料的问世和不断完善，以及电力电子技术 的发展，为满足这些要求提供了可能。 电机内赖以进行机电能量转换的气隙磁场，可以由电流励磁产生，也可以 由永磁体产生。近几十年来，随着铝镍钴、铁氧体、特别是稀土永磁的不断出 现，磁性能有了很大提高，永磁电机的研究与应用得以迅速发展。与电励磁电 机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小， 重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。它不 仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性 能。目前永磁电机的功率小至 mW 级，大至 1000kW 级，在工农业生产、航空 航天、国防和日常生活中得到广泛应用。 与此同时，随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、 优化设计和仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的 共同努力，在永磁电机的设计理论、设计方法、结构工艺和控制技术等方面都 取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的较 为完善的设计方法。 本课题内容主要是进行一种专用特种独立电源的研究与设计。该电源包括 高速永磁发电机和 DC-DC 稳压电源。 由于其特殊的应用场合， 对该电源系统提 出了非常严格的要求：1、体积小，质量轻，功率大；2、电压调整率小；3、响 应速度快；4、耐冲击、耐震动、耐酸、碱气体腐蚀。针对这一要求，采用全新 的设计方法进行设计： 1、采用电机直接设计法， 将该稀土永磁电机作为整个电源系统的组成部分来进 行设计，从而使得整个系统获得可靠的工作特性。 2、在该稀土永磁电机的设计中，采用场、路结合的设计方法，运用先进的电磁 场分析软件，在电磁设计过程中，通过电磁场的分析取得更为精确的计算结果。 3、运用有限元分析软件，进行电机的内部温度场分析，校核电机的工作条件来 确定转子磁钢的工作安全性，从而保证电机的工作状态的安全。 4、DC-DC 稳压电路的设计中，充分利用整机有良好的循环水冷却这一条件， 采用单管电路，运用高频开关技术，实现大功率的双路直流输出，获得稳定的 直流电源。
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第一章
第一章
绪 论
众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为 了在电机内建立进行机电能量转换所必须的气隙磁场，可以用两种方法。一种是 在电机的绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电 励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置， 又需要不断的供给能量以维持电 流的流动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预 先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简 化电机结构，又可节约能量。这种电机称为永磁电机。 1.1 永磁电机的发展概况 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。 我国是世界上最早发现永 磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家。早在两千多年前，我国就已利用永磁 材料的磁特性作成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用。 19 世纪 20 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁 电机。但当时使用的永磁材料是天然的磁铁矿石（Fe3O4） ，磁能密度很低，用它 制成的电机体积庞大，不久被电励磁的电机所取代。 由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的分明，人们对永磁材料的机 理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约
Key words:
REPM(Rare Earth Permanent Magnet) Electrical-magnet fields Thermal analysis FEM Buck circuit
PM generator ANSYS PWM
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前言
目
录
前言……………………………………………………………………………… 1 第一章 绪论…………………………………………………………………… 2 1.1 永磁电机的发展概况……………………………………………………… 2 1.2 永磁电机的主要特点及应用……………………………………………… 3 1.3 永磁电机的总体设计问题………………………………………………… 4 第二章 专用稀土永磁同步发电机总体设计与方案选择………………………6 2.1 专用稀土同步永磁发电机的特殊要求及基本设计内容…………………… 6 2.2 定、转子磁路结构…………………………………………………………… 6 2.3 定子绕组设计………………………………………………………………… 7 2.4 稀土永磁同步发电机电磁设计—总体部分………………………………… 7 第三章 永磁电机的磁路设计与计算………………………………………… 12 3.1 永磁电机的等效磁路…………………………………………………………12 3.1.1 永磁体等效成磁通原或磁动势源………………………………………12 3.1.2 外磁路的等效磁路……………………………………………………15 3.1.3 永磁电机的等效磁路……………………………………………………16 3.1.4 主磁导和漏磁导…………………………………………………………17 3.1.5 漏磁系数和空载漏磁系数………………………………………………17 3.2 等效磁路的解析法……………………………………………………………18 3.2.1 等效磁路参数的标幺值…………………………………………………18 3.2.2 等效磁路的解析解………………………………………………………20 3.3 磁路的图解法………………………………………………………………22 3.4 永磁体的最佳工作点………………………………………………………23 3.4.1 最大磁能的永磁体最佳工作点…………………………………………23 3.4.2 最大有效磁能的永磁体最佳工作点……………………………………24 3.4.3 永磁体最佳工作点的应用………………………………………………25 3.5 永磁体体积的估算……………………………………………………………25 3.6 稀土永磁同步发电机电磁设计—磁路计算…………………………………28 第四章 专用稀土永磁发电机运行性能计算……………………………………35 4.1 稀土永磁同步发电机的运行性能……………………………………………35 4.1.1 励磁电动势和气隙合成电动势…………………………………………35 4.1.2 交、直轴电枢反应和电枢反应电抗……………………………………36 4.1.3 固有电压调整率和降低措施……………………………………………39
关键词：稀土永磁 ANSYS
永磁电机设计 温度场
电磁场 Buck 电路
有限元法 PWM
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ABSTRACT
In this paper a particular power supply system is designed. It includes a high speed REPM(Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets) synchronous generator and two DC-DC switching regulators. In order to get the accurate results, as the electrical-magnetic computational processing, the FEM(Finite Element Method) software---ANSYS has be used to analysis the internal electrical-magnet fields of the PM generator. The thermal analysis acted too to make sure of the PM materials working in the save temperature. The DC-DC regulator is designed as a Buck circuit with a single switch (MOSFET) on the base of the good cooling condition provided by the flowing cold water in the shell. The switch works on a high frequency as 100kHz supplying by a PWM controller UC3840. Through this system two output ±40V(±5%) 2kW can be acquired.
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4.1.4 短路电流倍数计算……………………………………………………40 4.2 专用稀土永磁同步发电机电磁设计—运行计算……………………………41 第五章 永磁电机电磁场的数值计算………………………………… ……… 44 5.1 电磁场有限元法基本原理……………………………………………………44 5.1.1 变分问题及其离散化…………………………………………………52 5.1.2 边界条件的确定…………………………………………………………57 5.2 有限元分析软件 ANSYS 介绍…………………………………………………50 5.3 用 ANSYS 进行电机电磁场数值分析………………………………………51 5.3.1 前处理…………………………………………………………………52 5.3.2 运行处理………………………………………………………………52 5.3.3 后处理…………………………………………………………………53 第六章 永磁电机内温度场数值计算………………………………… ……… 55 6.1 ANSYS 热分析软件简介………………………………………………… 55 6.2 永磁电机内温度场数值分析特点…………………………………………55 第七章 DC — DC 开关稳压电路的设计………………………………… …… 57 7.1 buck 变换器的工作原理与设计………………………………………… 57 7.1.1 串联开关变换器的工作原理…………………………………………57 7.2 电路设计…………………………………………………………………… 61 7.2.1 主电路设计……………………………………………………………61 7.2.2 PWM 控制电路设计……………………………………………………62 7.2.3 驱动电路设计…………………………………………………………63 7.2.4 缓冲电路设计…………………………………………………………64 7.2.5 总电路原理图…………………………………………………………64 7.3 系统总体分析…………………………………………………………… 66 结束语………………………………………………………………………………67 参考文献………………………………………………………………………… 68 致谢……………………………………………………………………………… 70
分类号 TM313
学号 98602507
西 北 工 业 大 学
硕 士 学 位 论 文
（学位研究生）
题目 专用稀土永磁同步发电机及其 DC-DC 稳压系统的研究
作者
王海峰
指导教师 专业技术职称
卢健康 副教授
学科（专业）机械电子工程
二零零一年三月
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摘
要
本文对某特种独立电源系统进行设计和研究。 该系统包括高速稀土永磁同步 发电机和 DC-DC 开关稳压电源。 在高速稀土永磁同步发电机的设计中采用了场、 路结合的设计方法，在进行电磁计算的同时，运用 ANSYS 有限元分析软件进行 电磁场分析以确保计算结果的准确，并对永磁电机内温度场进行有限元分析，以 确保永磁体工作的稳定。充分利用本电源具有强制外水冷的良好的冷却条件，采 用高频单管 Buck 电路， 开关元件采用功率 MOSFET， 开关频率 100kHz 由 UC3840 集成 PWM 控制器控制，获得大功率的稳定的两路直流输出 ±40V(±5%) 2kW。