160kW永磁同步电机设计--赵龙涛
地铁车辆用160kW永磁直驱同步牵引电动机研制
2020.16科学技术创新地铁车辆用160kW 永磁直驱同步牵引电动机研制晏才松张道禄（中车株洲电机有限公司，湖南株洲412001）20世纪90年代随着永磁材料性能的不断完善以及电力电子技术的进步，永磁电机研发逐步成熟，也使永磁电机得到越来越广泛的应用。
永磁同步电机具备体积小、重量轻、功率密度大、低速输出转矩大、效率高、维护简单等优点，电机为全封闭结构，无内部风冷噪声。
永磁同步电机输出特性适用于直驱模式，当其与转向架整合实现直驱后，可取消齿轮箱，减少传动效率损失，降低维护量和传动噪声。
日本、德国等发达国家在永磁直驱技术方面发展得较早，其技术也相对较成熟。
20世纪90年代，日本JR 公司开始研制永磁同步直驱牵引电机，并于2002年在103系列的动车组上载客运行考核，经过20万公里的运行数据对比，系统节能超过10%，噪声也降低越5dB 。
西门子公开发的新型城轨列车用永磁同步直驱牵引电机系统，电机的功率为150kW ，采用封闭式、机壳水冷的冷却方式，与制动系统一起高度集成在转向架上，电机的转速大大降低从而降低噪声约15dB ，电机体积缩小约10%，效率提升了3%[1]。
经过各国过去二十多年的研究，永磁直驱技术已凸显出其优点并显示出强大的生命力，但同时该技术还有地方需要完善，比如永磁直驱电机的研发，如何将永磁直驱电机更好的与转向架相结合而不恶化转向架的固有性能，永磁直驱电机的控制等。
我国轨道车辆的永磁直驱技术尚处于起步阶段，开展轨道交通车辆直驱永磁同步牵引电机研究可促进电机控制理论、电机本体电磁理论、生产制造、试验验证等多学科领域的进步，逐步提升我国在永磁直驱牵引系统领域的设计和应用能力，推动我国轨道交通牵引系统能够产品的升级换代和技术创新。
本文地铁车辆给定的技术指标和要求，研制了一台160kW 永磁直驱同步牵引电动机，从直驱电动机的技术特点、电机关键问题的解决、特殊结构的设计等方面进行了重点研究，并研制了样机进行了测试。
高过载永磁同步电动机设计研究
高过载永磁同步电动机设计研究初振奎，朱龙飞，韩雪岩(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳110870)摘要：永磁同步电动机（P M S M)的过载能力受到铁心饱和、电枢反应的制约，常规设计P M/M无法满足一些高过载应用场合的需求。
分析P M/M过载能力的影响因素，研究和其影响方式，进而分析得出相关于P M/M过载能力的影响规律。
设计了 1台1 k1的高过载能力P M/M，电机可达到5.26过载能力。
关键词：永磁同步电动机；高过载能力；结构参数中图分类号：T M 351文献标志码！A文章编号：1673-6540(2019)02-0072-05Desij+n and Research of High Overload Permanent MagnetSynchronous Motor #CHUZhenkui,ZHU Longfei,HAN Xueyan(National Engineering Research Center for REPM Machine,Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:T h e o v e r l o a d c a p a b i l i t y o f p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r(P M S M) w a s r e s t r i c t e d b y c o r es a t u r a t i o n a n d a r m a t u r e r e a c t i o n. C o n v e n t i o n a l d e s i g n o f P M S M c o u l d n o t m e e t t h i e r e q u i r e m e n t s o f s o m e h a p p l i c a t i o n s. T h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f t h e o v e r l o a d c a p a c i t y o f P M S M w e r e a n a l y z e d. T h e i n f l u e n c e s o f s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s s u c h a s s t a t o r c r a c k r a t i o, p e r m a n e n t m a g n e t t h i c k n e s s a n d a i r g a p l e n g t h w e r e s t u d i e d. T h e i n f l u e n c er u l e s o f r e l e v a n t s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e o v e r l o a d c a p a c i t y o f P M S M w e r e a n a l y z e d. A h i g h o v e r l o a d c a p a c i t yP M S M w i t h r a t e d p o w e r o f 1k W w a s d e s i g n e d. T h e f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t t h i s m o t o r c o u l da c h i e v e 5.26 t i m e s o v e r l o a d c a p ab i l i t y.Key words:permanent magnet synchronous motor (PMSM)%high overload;structural parameters0引言机、、电动 、军的快速发展，于电动机过载能力的要求高。
高速无轴承永磁电机设计与分析
高速无轴承永磁电机设计与分析贾红云;张涛;曹永娟【摘要】High-speed motor had some merits such as high power density,contact volume,smaller weight,and could directly drive load,so it had wide application prospects in the fields of aviation,new energy and precision manufacture.The bearingless permanent magnet motor was used in high-speed drive system.Based on the introduction of mathematical model,the design methods of high-speed bearingless permanent magnet type motor were principally discussed.The electromagnetic and mechanical design of a rated speed 8 000 r/min,speed range 0 ～ 60 000 r/min,2 500 W high-speed bearingless permanent magnet motor was accomplished.Both the electromagnetic and dynamic performances of the motor were optimized based on finite element method.The simulation and experimental research results showed that the design method of high-speed bearingless permanent magnet motor proposed was correct and feasible.%高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景.将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法.通过对一台额定功率2300W、额定转速8 000 r/rain、调速范围0-60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化.仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)012【总页数】6页(P106-111)【关键词】高速电机;无轴承电机;永磁电机;电机设计;有限元法【作者】贾红云;张涛;曹永娟【作者单位】南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏南京210044;南京信息工程大学江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心,江苏南京210044;淮阴工学院自动化学院,江苏淮安223005;南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏南京210044;南京信息工程大学江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TM302由于高转速，相同功率的高速电机体积远小于中、低速电机。
内置式永磁同步电动机的设计与分析的开题报告
内置式永磁同步电动机的设计与分析的开题报告一、选题背景永磁同步电动机（PMSM）是现代电气传动技术中发展最快的一种新型电机之一。
由于该电机具有响应快、效率高、体积小、噪声低等优点，在工业生产、交通运输、家用电器等领域得到了广泛应用。
然而，市场上存在的大部分PMSM仍然是在周转电场中运转，这种机型的缺点是效率的损耗较大。
内置式永磁同步电动机（IPMSM）是一种新型的PMSM，它的磁场由固有的永磁体提供，而不需要使用极对极相对的大型电磁铁。
因此，IPMSM具有轻量化、小体积、高效能、高扭矩密度、高可靠性等优点。
目前，IPMSM已经应用于电动汽车、空调机、洗衣机等消费电器领域。
然而，IPMSM由于结构复杂等原因，设计、分析以及调试难度较大。
二、研究目的和意义本研究的目的是探索IPMSM的设计和分析方法，以提高其在各个领域的应用价值。
具体来说，主要包括以下几个方面：（1）了解IPMSM的基本原理，研究其电磁特性和机械特性。
（2）建立具有较高精度的IPMSM数学模型，考虑多种因素对IPMSM工作特性的影响，如磁场分布、电流、温度等因素。
（3）开发IPMSM设计软件，根据用户需求设计出满足特定功能要求的IPMSM。
（4）通过仿真和实验验证设计的IPMSM的性能指标并进行分析。
（5）为IPMSM的应用提供技术支持和指导，并促进其在市场上的推广。
三、研究内容和进展计划1. IPMSM的基本原理及电磁特性分析在这一部分中，我们将介绍IPMSM的基本原理，分析其电磁特性。
主要内容包括：IPMSM的磁场、转子和定子的结构设计，电枢磁场计算、定子和转子电感计算，电磁分析模型建立，IPMSM的工作原理。
2. IPMSM数学模型建立与优化建立具有精度的IPMSM数学模型，考虑多种因素对IPMSM工作特性的影响，包括磁场分布、电流、温度等因素。
采用有限元法建立IPMSM电磁模型，并进一步应用动态模拟方法进行优化。
3. IPMSM设计软件开发基于不同应用场景的需求，设计基于IPMSM的驱动系统。
永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法[发明专利]
![永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b451e00c5627a5e9856a561252d380eb62942300.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.07.17C N 103208953 A(21)申请号 201210011623.X (22)申请日 2012.01.16H02P 3/22(2006.01)F03D 7/04(2006.01)(71)申请人北京能高自动化技术股份有限公司地址100044 北京市海淀区西直门外北京交通大学西门交大知行大厦六层(72)发明人贾利民 刘展 雷涛(54)发明名称永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法(57)摘要本发明公开永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法。
本发明推导了永磁同步发电机在纯电阻负载的情况下电磁力矩与电机转速、负载阻值的非线性关系解析表达式，结合风力发电机组叶片空气动力学特性，推导出永磁同步风力发电机组采用电阻制动方式在不同工作点可以进行减速的充分必要条件，以及可以实现电阻制动的充分必要条件,并给出电阻制动控制在制动模式和转速控制模式下的控制系统设计方法。
本方法的提出为永磁同步风力发电机组基于电阻制动实现风机安全控制提供了相关设计参考依据。
(51)Int.Cl.权利要求书3页 说明书6页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书6页 附图1页(10)申请公布号CN 103208953 A *CN103208953A*1.永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法，其特征是永磁同步发电机在纯电阻负载情况下，电磁转矩关系可以表述为下式：式中表示风轮转子转速；为定子绕组相电阻；为永磁电机极对数；分别表示定子d、q轴电压；分别表示定子d、q轴电流；为定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；为定子交轴磁链，只包括定子交轴电流产生的磁链；分别为定子绕组d、q轴电感；为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链；式中为空载每相绕组反电动势的有效值（abc坐标系）对于表面式永磁同步电机（隐极机）有，若忽略定子电阻，电磁转矩可简化为：则永磁同步发电机接纯电阻负载时电磁力矩可以表述为：。
用于机械压力机伺服直驱的开关磁通永磁电机的设计与优化
用于机械压力机伺服直驱的开关磁通永磁电机的设计与优化梁锦涛;赵升吨;谢嘉;赵永强【摘要】开关磁通永磁电机由于具有较好的鲁棒性和较高的转矩功率密度,特别适用于机械压力机的伺服直驱来提高压力机运行性能.本文阐述了开关磁通永磁电机的拓扑结构和运行原理,提出一种用于驱动机械压力机的开关磁通永磁电机的设计与优化方法.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2013(048)006【总页数】5页(P23-27)【关键词】机械设计;机械压力机;伺服直驱;开关磁通永磁电机;有限元分析;响应面优化【作者】梁锦涛;赵升吨;谢嘉;赵永强【作者单位】西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;上海海洋大学工程学院,上海201306;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;陕西理工学院机械工程学院,陕西汉中723000【正文语种】中文【中图分类】TG315.50 引言机械压力机是金属成形加工领域广泛使用的锻压设备[1]，目前已发展到由交流伺服电机伺服直驱的第三代机械压力机。
实现机械压力机的伺服直驱能够提高压力机工作效率，降低能耗和噪声，提高滑块运动可控性[2]。
但由于交流伺服电机扭矩和功率密度较低，使得电机造价昂贵；同时传动系统还需要保留大惯量飞轮[3]，不利于实现压力机的柔性化加工。
交流伺服压力机的研制很大程度上取决于直驱电动机的性能参数。
开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，SRM）作为一种结构简单、成本低、鲁棒性好和运行可靠性高的调速电机，在压力机驱动领域得到广泛研究和应用[4-6]。
但由于SRM的输出力矩完全由磁阻转矩构成，其扭矩密度甚至比现行交流伺服电机还低，同时还存在较大的力矩脉动，并不是压力机伺服直驱的理想动力源。
随着现代电机设计与应用技术的发展，出现不同拓扑形式的永磁电机。
开关磁通永磁电机（Flux Switching Permanent Magnet Motor，FSPMM）是一种永磁体安装在定子上的电机[7]，转子上只存在导磁铁心，结构上具有与SRM一致的鲁棒性，有利于承受压力机加工过程中的冲击载荷。
一种基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真实验研究
一种基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真
实验研究
李建超;安群涛;赵克;孙力
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2008(41)4
【摘要】传统的直接转矩控制存在转矩脉动大、开关频率不恒定等问题.为此在分析永磁同步电动机(PMSM)数学模型的基础上,对一种基于SVPWM的PMSM直接转矩控制系统进行了研究,利用Madab/simulink工具软件建立了系统的仿真模型.系统用PI调节器取代了传统DTC方式中的滞环环节,用SVPWM单元取代了开关表.仿真和实验结果表明控制系统的性能得到了显著改善,证明了模型的有效性.【总页数】4页(P9-11,82)
【作者】李建超;安群涛;赵克;孙力
【作者单位】哈尔滨工业大学,电气工程系,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,电气工程系,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,电气工程系,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,电气工程系,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TM341;TM351
【相关文献】
1.永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真 [J], 徐致远;张晗霞
2.基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制 [J], 杨秀芹;邹开凤;张晓杰
3.基于SVPWM的永磁同步电动机控制系统仿真与实验研究 [J], 张金利;景占荣;张玉瑞;白世东;贾歆莹
4.基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制 [J], 朱国昕
5.基于SVPWM永磁同步电动机直接转矩控制技术 [J], 高晗璎;刘国栋;宋博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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参数 极对数 定子槽数 定子外径 D1(mm) 定子内径 Di(mm) 永磁体厚度 hm(mm) 气隙厚度 mm P Z
数值 2 36 470 300 9 3
2.2 MotorSolve 仿真分析
MotorSolve 软件是 Infolytica 公司开发的国际顶尖的专业电机设计软件。 目前主要研究 对象包括有刷电机、无刷直流电机、感应电机和开关磁阻电机，其中无刷直流电机包含无 刷永磁直流电机 bldc、无刷永磁同步电机 pmsm、电励磁同步和同步磁阻电机等。自面世以 来，已经在航空、航天、能源、汽车、电器、电机等领域得到广泛应用。 由表 1 中所得的数据进行电机的仿真建模，并对数据进行分析，其中磁感线分布图 1 所示，图 2 为气隙磁密分布，图 3 为相反电动势分布，图 4 为转矩分布。
1
前言
近年来，工业发展迅猛，特别是在计算机、数控机床、机器人、航空航天、电动汽车 等领域，取得了丰硕的成绩。这些成果的取得使得对高性能、紧凑型电机的要求也不断提 高。同时随着人们生活水平的日益提高，各种家用电器、交通工具、儿童玩具等充实着人 们的生活，给人们生活带来了很大便利。人们对生活质量的要求不断的提高，对小体积、 高性能、低噪声的家用电器的呼声越来越高，对电机的体积和性能要求不断的提高。为此， 对于从事电机设计的工作者，提出了新的要求。电机设计也变得尤为重要，电磁方案的出 据也已成为重中之重。
图 1 气隙磁感线走势
图 3 相反电动势
图 2 气隙磁密 图 4 转矩
3
结论
通过对 PMSM 模型的有限元分析， 得出反电动势曲线， 以及随转子位置变化的转矩及 磁场分布情况。仿真结果为 PMSM 的优化设计及进一步研究提供了理论依据
[参考文献] [1] 参考文献
2
永磁同步电机的设计
永磁电机是比较先进的电机，具有结构简单、体积小、损耗小、效率高等优势，但由 于价格因素，市场占有率仍不如感应电机。
2.1 磁路计算
由于永磁同步电机采用永磁体励磁，首先对永磁体的工作点进行计算，在通过磁路分 析计算磁路中部分的磁密。 1） 计算剩磁密度 Br = 1+(t-20)
对于电磁方案的分析运算，近几十年，一些仿真软件的不断出现，使得电动机设计仿 真趋于简便化。例如 Flux，MotorSolve、Ansoft、Ansys、JMAG、SPEED 等，但是对于电 动机设计中的一些经验参数的选取， 仍然有着很大的难度。 本设计中采用 MotorSolve 软件， 进行电机电磁方案的分析计算与优化设计。
Br IL )B 。 (1 100 100 r (20 C )
式中 Br（20℃）—— 20
。
C
时永磁体的剩磁密度，αBr——可逆温度系数，
IL——Br 的不可逆损失率， T——电机的预测工作温度。 2） 计算矫顽力 H c = 1+(t-20)
Br IL )H 。 (1 100 100 c(20 C )
Design of 160kW permanent magnet synchronous motor
[Zhao Longtao] [College of Information and Electrical Engineering Shandong University of Science and Technology,266590]
[ Abstract ] For permanent magnet synchronous motor 160kW Road, using method of analysis and calculation, relevant parameters need to give the design of motor. Through the MotorSolve software, parametric modeling, and carry on the simulation analysis, and the specific parameter optimization design. Comparative analysis of simultaneous multi scheme, control temperature, heat distribution, magnetic flux leakage and other factors through the analysis results, the best design, provide favorable reference for machine design.. [ Keyword ] MotorSolve, permanent magnet synchronous motor, simulation
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Lef ——定子的有 bt K Fe L
式中 t——定子齿距，
bt——定子齿宽， KFe——硅钢片的叠压系数。 6） 定子轭部磁密 B j
2LK Fe h j
式中 hj——定子轭部厚度。 通过上面上面公式以及大量的计算，得出 160kW 永磁电机的设计方案如表所示
式中 Hc（20℃）—— 20
。
C
时永磁体的计算矫顽力。
3） 空载主磁通
bm 0 Br Am
式中 bm0——永磁体的空载工作点， Am——永磁体提供每极磁通的截面积，
——空载漏磁系数。
4） 气隙磁密 B =
Lef
式中， ——计算极弧系数， = p αp——极弧系数，
160kW 永磁同步电动机设计
[赵龙涛] [山东科技大学，266590]
[ 摘 要 ] 针对 160kW 的永磁同步电动机，采用路方法进行分析计算，给出电机设计中需要的相关尺寸 参数。通过 MotorSolve 软件，进行参数化建模，对其进行仿真分析，并对特定的参数进行优 化设计。同时进行多方案的对比分析，通过分析结果中温升、热量分布、漏磁等因素的对照， 得出最佳的设计方案，为电机设计提供有利参照。 [ 关键词 ] MotorSolve，永磁同步电动机，仿真