电力系统谐波毕业设计开题报告

华北电力大学

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：张彬班级：电力电子08

所在院系：电力工程系所在专业：电力电子

设计（论文）题目：永磁同步电机的设计编程优化方法研究指导教师：王艾萌

2012年 04月 10日

毕业设计（论文）开题报告

永磁同步电机的设计编程优化方法研究

一.引言

能源是人类生存和发展的重要物资资源，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。中国社会经济持续快速发展，离不开有力的能源保障。最近几年我国的各行各业经历了不同程度的煤、电、油、运的紧张，本世纪以来，石油价格不断攀升，今年年初原油期货价格超过 100 美元每桶，目前煤价已经涨到 400 到 480 元每吨，受煤价上涨的影响发电成本上涨50%～70%。结合我国的实际情况，提升能效和电效是我们的最佳选择。永磁同步电机具有高效节能、体积小以及良好的变频调速性能等优点，符合国家节能环保的指导方向，有广泛的应用前景。

永磁电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、功率因数高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用。我国稀土资源丰富，储量占全球的 75%，号称“稀土王国”。大力研究和推广永磁电机，实现节能降耗，对提高经济效益具有重要的现实意义。

二. 永磁同步电机的优点

稀土永磁材料优良的性能，导致永磁同步电动机具有其他类型电机无法比拟的优点：(1)明显的高效率和节电效果

稀土永磁同步电动机用永磁体取代电励磁，且无励磁损耗；同步运行时，转子绕组中无感应电流，没有铜耗，由于定、转子同步，转子铁心中也没有铁耗，因此效率较电励磁同步电机和异步电机高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大地提高了电机的功率因数。

(2)高效率、高密度电机

高性能的稀土永磁材料—钕铁硼永磁体具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力都较大，用较少的钕铁硼永磁体就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸可以大为减小，成为高效率、高密度电机。

(3)运行稳定

由于转子上不需要电励磁装置，因此大大简化了转子结构，提高了电机运行的稳定性。有数据表明，稀土永磁同步电动机效率比同容量异步电动机提高3%～12%，并且在体积和最高工作转速与异步电动机相同的情况下，输出功率也高出10%～30%

三.永磁同步电动机的研究热点

磁场磁势的计算、合适的仿真计算模型的建立、自起动问题的仿真问题中的算法、精度、非线性的处理等方面一直是稀土永磁同步电动机的研究热点。目前国内外对永磁同步电机设计研究主要集中在以下两个方面：

(1)结构设计研究

稀土永磁同步电动机与其他电机的最主要区别是转子磁路结构的不同，因而稀土永磁同步电动机的设计主要是转子结构的设计。目前国内外都在大力研究永磁电机(包括永磁电动机和永磁发电机)的磁路结构，目的是通过增加磁通密度、减弱电枢反应来提高永磁电机的效率和性能。

(2)优化设计

在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，考虑如何合理地选择永磁体的工作点，使之在满足电机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电机的成本最小或体积最小。由于永磁体尺寸大小可直接影响电机的各项性能指标，因而可直接选用永磁体形状尺寸作为设计变量，而将其他尺寸都用这些变量来表示。在约束条件中，电抗参数、定子齿部和轭部磁密、定子电密以及槽满率等都应限制在一定范围，而效率、功率因数和起动转矩等则应大于某一给定值。

（3）GUI界面设计

用户界面(或接口)是指：人与机器(或程序)之间交互作用的工具和方法。如键盘、鼠标、跟

踪球、话筒都可以成为与计算机交换信息的接口。图形用户界面(Graphical User Interf aces，GUI )则是由窗、光标、按键、菜单、文字说明等对象( Objects )构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化。

四，本文主要研究内容

本课题围绕高效永磁同步电机的设计研究展开工作，通过对参数结构进行优化，提出提高电机效率的相关方法，最终设计出高效率的样机。具体工作分以下几个方面的研究：

(1)高效永磁同步电动机损耗分析和抑制措施。分析电机各种损耗和减小措施，同时通过有限元仿真，分析硅钢片对铁耗的影响和部分参数对杂散损耗的影响。

(2)永磁同步电机的结构设计和不同极槽配合、不同转子结构电机的性能对比。分别从极槽数、定子绕组和转子结构选择方面介绍了永磁同步电机结构的设计。不同极槽配合直接影响电机的性能，因此对不同转子结构的永磁同步电动机进行了仿真对比分析，得到了性能较优的结构。

(3)高效永磁同步电动机的优化研究。对气隙长度进行优化，降低空载和负载杂散损耗，通过优化定、转子冲片，包括齿宽、永磁体大小等来降低电机的铁耗和铜耗，提高电机效率。（4）GUI界面设计。图形用户界面( GU I界面)足衡量测试系统性能的一个综合忤I指标，图形用户界面的性能对整个系统的测试效率有一定的影响，合理地设计图形用户界面，有助于优化整个测试系统的工作性能。

五，电磁设计

（1）主要尺寸比的选择

由于永磁同步电机内部要放置永磁体，因此要尽可能选择小的主要尺寸比，使转子的径向尺寸较大，从而提供较大的空间来安放永磁体［1］

（2）电机气隙尺寸的选择

对于永磁同步电机来说，电机的气隙长度对其性能的影响没有异步电机那么强烈，电机的功率因数可以通过调整永磁体的用量来改变为了便于安装永磁体，也希望电机的气隙能够大一些，因此相比于异步电机，气隙的宽度可以稍稍放大0.1 ～ 0.2 mm

(3)电机定转子的设计

转子槽的选择要综合考虑电机的起动性能牵入同步性能、齿部磁密、轭部磁密和转子机械强度等笼型是电机转子机械强度的重要保证，但是由于该永磁电机的转子槽分布于永磁体之下，如果电机的端环面积小，易于出现断条等故障，由于电机转子上附加有永磁体，电机的转子不能斜槽，故可以考虑在电机的定子上采用斜槽措施来减小电机的杂散损耗，也将减少电机的噪声和振动，提高电机运行的平稳性。

（4）永磁体设计

本文设计的永磁同步电机，其永磁体的形状为矩形，在设计过程中主要考虑的是每极永磁体的总宽度和永磁体的充磁方向厚度在永磁体用量尽可能少的情况下，应当保证永磁体无论工作在何种恶劣的条件之下，不会发生永久性的不可逆去磁，保证永磁体在稳态运行时有合理的工作点，由于永磁体充磁方向的长度会影响电机的直轴磁阻，在设计时应考虑到这一点每极永磁体的宽度决定了每极永磁体产生的磁通量，从而影响了每相绕组的感应电动势，同时保证电机磁密处于一个合理的范围之内。

六.研究永磁同步电机设计编程需要做的工作

1、学习内置式永磁同步电机的结构特点；

2、学习Matlab编程语言；

3、根据电机设计所要达到的高功率密度目标要求提出简易设计方案；

4、基于Matlab设计出永磁同步电动机的工作特性计算程序；

5、设计出永磁同步电动机的GUI界面

6、通过对计算程序的反复修正，确定最优设计方案。