永磁电机永磁体涡流损耗开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告
论文题目：高速电主轴永磁同步电机永
磁体涡流损耗的计算研究
学院：电气工程学院
专业班级：电气工程及其自动化0903班
学生姓名：杨乐
学号：090301087
导师姓名：韩雪岩
开题时间：2013年3月18日
1.课题背景及意义
1.1研究高速电主轴永磁同步电机的背景及意义
永磁同步电动机（PMSM）具有效率高、功率密度高、控制性能好等优点，广泛应用于高性能的驱动领域。

各国机床行业为了提高自己企业的竞争能力,对数控机床和高档加工中心的研制都投入了相当大的精力,如何能进一步提高机床的加工精度、加工效率和自动化水平是各国机床行业都在广泛关注的问题。

主轴单元作为机床的关键部件,直接影响机床的加工精度,效率以及自动化水平,而主轴电机的性能则直接决定了主轴的优劣,因此研究和开发高性能的主轴电机,对提高机床的水平有着非常重要的意义[1]。

当前在数控机床和高精密加工领域中的电主轴仍以感应电机为主,这主要是因为感应电机的设计已经相当成熟,调速范围宽广,但是感应电机作为主轴电机仍然着具有明显的缺点:1)功率因数低效率差,导致需要配备大容量的逆变器装置;2)转子上有励磁绕组导致转子发热,产生的热源直接传至主轴影响主轴加工精度;3)转矩密度低,电机体积大;4)低速运行时,会产生较大的转矩脉动,与之相比永磁同步电机使用永磁体励磁具有转子不发热,效率和功率因数高,转动惯量小,动态响应快和转矩密度高等优点,主轴电机永磁同步化,将是提高数控机床领域竞争能力的重要途径之一。

因此，研究电主轴永磁同步的各部分损耗对有关此领域的发展具有重要的意义。

通过实际测量，永磁体区域的涡流损耗随着槽口的增大而大幅度增加，在一些情况下，不同永磁电机磁极区域的涡流损耗会远远地超过定子铁心损耗与电枢绕组铜耗，因而，忽略此部分损耗是不正确的。

然而，通过查阅国内外文献，发现关于利用有限元分析永磁电机永磁体内涡流场的研究和论文还相对较少，在国内也是鲜有研究。

近年来，虽然有一些关于永磁电机转子内涡流损耗的计算方案和相应的研究论文出现，但是由于永磁电机的结构以及电枢绕组电流加载方式的不同，大多数方案都是简化计算[2-5]，在永磁电机永磁体内，真正意义上的涡流场有限元计算的相关报道还不多见。

所以，如何更真实地反映永磁体内涡流场分布以及准确地计算永磁体内的涡流损耗值，就成为一个很具有现实意义的课题。

而且，通过进一步分析永磁体涡流损耗的影响因素，又可进一步优化永磁电机的设计，使得电机更加稳定、高效地工作。

1.2课题国内外研究现状及发展趋势
国外对电主轴的研究较早,他们生产的电主轴功能部件已经系列化,如瑞士的FISCHER. STEP-TEC>德国的GMN和CYTEC、意大利的CAMFIOR等。

这些专业厂家设计出来的电主轴主轴套筒直径范围可从32毫米到320毫米,转速范围
从l0000r/min到150000r/min,功率范围从0.5kW到80kW,扭矩范围从0.1Nm到300Nm。

高速,高精度,高功率是国外电主轴的主要发展趋势。

20000r/min的主轴传动系统已经相当普遍。

我国的电主轴技术的研发与国外相比相对滞后,在"九五"期间,洛阳轴承有限责任公司,国家重点科技攻关项目的基础上,以国产电机为主轴电机研制出了最高转速为8000r/min、10000r/min、12000r/min、15000r/min的内嵌式电主轴单元,该系列电机的最大扭矩可达129Nm。

直到2005年在国家自然科学基金项目的帮助下湖南大学成功研制出第一台属于我国自主研发的高速高精密永磁同步电主轴,其研究成果已经不输于欧美等发达国家。

该研究成果填补了我国高速加工领域永磁同步化的空白,使我国的数控机床用电主轴取得了较大突破。

该电机的额定功率达到35kW,最高转速18000r/min,回旋精度0.0015mm。

在过去的二十年中,我国应用于数控设备中的电主轴研发虽然取得了令人瞩目的成绩,但是与国外龙头企业相比,在电主轴的生产规模,主轴电机的性能,技术水平上仍然具有较大的差距,远远不能满足日益增长的国内电主轴产品的需求。

高速电主轴单元的研发与多种技术相关,就电机本体设计而言,主轴电机永磁同步化就可以解决感应电机带来的突出问题:1)转子绕组通电发热导致的主轴精度降低。

2)低速运行时转矩输出能力小。

3)效率和功率因数小,体积大,功率密度低,耗能多。

永磁电机采用永磁体励磁,转子不发热,效率和功率因数高,所以开发大功率,宽调速范围的永磁同步主轴电机可以有效的解决当前主轴电机存在的问题。

1.2.2对永磁同步电机涡流损耗的研究概况
在研究永磁电机的转子永磁体涡流损耗问题时，尤其对于高速电主轴永磁同步电机的研究认为转子以同步转速旋转，无须考虑转子损耗。

然而，对于一些电导率较高、耐热性能较差的稀土永磁电机，其永磁体内的涡流损耗却不能忽略，尤其对于高速、大负载、槽口较大的稀土永磁电机，其永磁体内的涡流损耗计算则更为重要[6]。

在国内，至今较少有人对PMSM的转子永磁体内的涡流损耗做进一步的研究[7]，国内研究主要集中在传统电机及其相应部件的涡流损耗问题[8]。

不过近年来在国外，永磁体内涡流损耗问题引起了越来越多研究者的重视，并提出了多种解析表达式来求解永磁体内涡流损耗。

这些解析模型能够确定气隙内与永磁体内磁场的分布，考虑定子绕组分布及非正弦电流引起的电枢磁动势空间及时间谐波对磁极内涡流损耗的影响，并研究了切向分层磁极和极弧对损耗的影响。

但是这些模型都是建立在各种假设条件基础上的，并且只是在二维平面内对涡流损耗进行研究。

文献[10-14]则集中研究了非正弦电流、无刷直流电机三相六态工作方式电枢电流和永磁同步电机PWM调制作用对永磁体内涡流损耗的影响。

文献[15]通过减小槽开口和增加气隙长度的方法来减小气隙磁阻变化产生的涡流
损耗。

文献[16]在空载情况下，推导了气隙磁阻变化引起的转子涡流损耗的解析公式，通过有限元和解析计算的方法对比分析了平行充磁和径向充磁对转子涡流损耗的影响，得出了平行充磁能够降低转子涡流损耗的结论。

虽然，很多学者对PMSM永磁体内涡流损耗进行了大量的研究，但这些研究都主要集中在定子电枢电流所产生的电枢磁动势对磁极损耗的影响以及高速永磁电机的转子损耗问题上，较少有人对高速电主轴永磁电机的永磁体涡流损耗进行研究。

实际上即使是在低速空载运行条件下，PMSM永磁体内也可能产生较大的涡流损耗，因此，有必要对告诉电主轴PMSM的永磁体涡流损耗做进一步研究。

国内学者对永磁电机也进行了大量研究。

我校特种电机研究所的唐任远编著的《现代永磁电机理论与设计》一书采用以等效磁路解析求解为主，结合磁场数值计算的方法对多种永磁电机的原理、结构、设计进行了研究，总结了近年来永磁电机的研究成果。

西北工业大学李钟明、刘卫国等编著的《稀土永磁电机》一书阐述了稀土永磁电机的特殊性，全面介绍了各类永磁电机的理论和设计技术。

总之，国内外对永磁电机电磁场性能计算的研究已经取得了一定的成果，但是各种电机的分析模型还有待完善和改进，对电机电磁参数和运行性能的精确计算也有待继续深入研究。

随着应用领域的不断拓展，对永磁电机的性能会提出新的要求，为满足新的需求将会出现新型的设计，所以关于永磁电机的研究也会不断扩大和深入。

同时，随着计算机计算能力的不断增强，有限元数值计算技术的日益进步，对永磁电机的计算分析研究将会达到更高的水平。

2.毕业设计研究内容及任务
2.1设计思想
目前，高性能永磁电机的永磁体多为性能优异的钕铁硼永磁材料。

但与铁氧体相比，它的电导率较高，所以当外磁场变化时，永磁体内会产生涡流，导致发热。

钕铁硼作为采用最多的永磁体材料，虽然性能令人满意，但耐热性差，为此，精确地分析和计算永磁体内的涡流损耗，具有很现实的意义。

本课题拟采用商用有限元软件对高速电主轴永磁电机永磁体的涡流损耗进行分析，以得到永磁体涡流损耗的大小和分布规律，并研究永磁体涡流损耗的影响因素，从而为减小永磁体涡流损耗提供依据。

2.2设计方案
（1）建立高速电主轴永磁电机有限元模型，对模型进行激励源加载和剖分，为涡流损耗的分析奠定基础；
（2）采用上述模型，计算得到永磁体内涡流损耗的大小和分布；
（3）分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点；
（4）着重研究不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响，提出减小涡流损耗的措施，为提高电机性能奠定基础。

利用Ansoft对电主轴永磁同
步电机建立有限元模型
考虑变频器供电时间谐波与
空间谐波的激励源的加载
采用Ansoft自带的自适应剖
分工具进行网格划分
分析电机内不同因素对电机
内永磁体涡流损耗的影响
分析永磁电机内涡流损耗的
大小与分布规律
研究减小电机涡流损耗的措
施并提高和优化电机的性能
图1 设计方案流程图
2.3毕业设计拟采用方法和手段
毕业设计利用Ansoft软件对已有的永磁同步电机建立有限元计算模型；分析永磁体涡流损耗的大小和分布规律，研究正弦波供电和变频器供电时永磁体涡流损耗的差异；对比不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响，进而为提高电机性能提供依据。

2.3.1电机电磁场模型建立及有限元分析
Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁场领域都得到了广泛的应用。

Ansoft基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，保证了计算的准确性和快捷性[17]。

Ansoft中包含静磁场、涡流场、静电场、恒定电场、交变电场和瞬态场等数种求解器，满足实际工程中的要求。

用有限元法计算电磁场问题，其基本步骤可归纳如下：简化求解物理模型，导出求解的微分方程；根据微分方程及边界条件，对已有的永磁同步电机建立有限元计算模型导出有限元方程组。

2.3.2永磁同步电机涡流损耗的计算与分析
效率是电机的一个重要性能指标，它的高低取决于运行时电机中所产生的损耗，因此损耗分析的意义非常重要。

利用有限元软件，通过构建有限元计算模型，计算得到永磁体内涡流损耗的大小和分布；分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点；着重研究不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响，。

最后，针对减小损耗的措施进一步研究，进而优化电机并提高电机性能。

2.4 预计毕业设计课题的最终目标及达到的水平
通过以上的工作，运用有效的方法计算和分析出电主轴永磁同步电机内涡流损耗。

从永磁电机的实际结构出发，根据永磁电机永磁体内涡流场分析的特点，求解永磁体内的涡流场，分析和讨论了涡流场对永磁电机性能的影响。

分析出其产生的原因和减小损耗的措施并应用到以后的设计或其它领域中。

3.毕业设计工作计划及进度安排
第1周查找与课题相关的文献资料，了解国内外动态
第2周查找资料，翻译外文
第3周修改外文翻译，撰写开题报告
第4周完成开题报告，查阅资料
第5周学习Ansoft软件
第6周建立有限元计算模型分析磁场
第7周对模型进行激励源加载和剖分
第8周分析电机体内涡流损耗大小和分布规律
第9周分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点
第10周研究不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响
第11周大概了解其他一些因素对电机永磁体涡流损耗的影响
第12周研究减小永磁体涡流损耗措施
第13周得出计算结果
第14周整理并汇总计算数据
第15周撰写毕业设计论文
第16周修改并完成毕业设计论文
第17周交论文，答辩
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