Ansoft软件在电机最优化设计中的应用

数，Kw1 为基波绕组系数，B6A 为电磁负荷，
永磁体磁化方向长度 hM 对性能参数的
由公式可以看出再取长径比来确定主要尺寸 影响
和 D。
永磁体磁化方向长度 hM 直接影响到磁
3)绕组参数的计算
体磁动势 Fm、永磁体内磁导 G0 及永磁体虚
在预取了每极每相槽数 q 和并联支路数 拟漏磁通 Ф0 的大小，因而对性能参数中的
发的有限元软件包，包含 2D 和 3D 求解器， 器。
可用来分析电机的静态、稳态、瞬态、正常工
蔡金龙（1978-）男，河北人，大专，研究定
况的特性,通过 Ansoft 软件的辅助,电机的设 向井随钻测量仪器的机械原理及加工制造工
计周期能大大来自百度文库短,性能得到提高.
艺。
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极弧系数 α 对性能参数的影响
社，1983.
保持其它结构参数不变，对一组不同的 [2]唐任远著.现代永磁电机理论与设计.北京：
极弧系数 α 进行计算，计算结果如表 3 所示， 机械工业出版社.2007.
α 和性能参数的关系曲线如图 4 所示。
[3]许实章著. 电机学.武汉：机械工业出版社.
从表和图中可以看出，增加极弧系数 α 1983.
表 3 极弧系数 α 对性能参数的影响
4 分析后确定电机最优化参数 表 5 结构参数
图 2 hM 对性能参数的影响
表 6 定子冲片结构参数 表 7 定子绕组参数
图 3 δ 对性能参数的影响
的影响也很小。从表和图中可看出增加气隙
参考文献
δ 将使空载电动势、电枢反应电抗都减小。 [1]陈峻峰著. 永磁电机. 北京：机械工业出版
设计出的发电机能够满足要求，免不了是要
保持样机定子的结构参数不变，转子有
作性能参数的调节，而性能参数的调节是通 关尺寸会随气隙 δ 变化作相应的改变，对一
过改变发电机的结构参数来实现的。如果不 组不同的气隙 δ 进行了电磁计算，计算结果
知道结构参数对电机性能参数的影响规律， 如表2 所示，δ 与性能参数的关系曲线如图 3
a 后，即可根据公式 计算得电枢绕组的槽数 空载感应电动势和电枢反应电抗都有影响。
Z。绕组中线径的初值可由公式（3）估算得出， 且分析永磁体的长细比 hM/Am 影响着永磁
但是估算得的线径一般来讲并非符合标准线 体最佳工作点。
规的线径，需要进一步根据标准线规表查得
对不同的 hM 计算结果如表 1 所示。
没有目的的修改结构参数，想要得到满意的 所示。
结构参数会浪费很多时间。如果能够掌握了
气隙 δ 对绕组电阻影响很小，对漏电抗
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表 2 气隙 δ 对性能参数的影响
次便设计出完全符合要求的电机，通常要对 加，从而使电机的尺寸增加，另外，由于绕组
几个结构参数值进行反复调整才行。发电机 的重量和线径 dcu 平方及匝数的一次方成正
的性能参数是由结构参数和材料性能决定 比，故增大线径的同时用铜量也将有所增加。
的，在永磁发电机的设计计算过程中，为了使
气隙 δ 对性能参数的影响
使发电机的发热严重，温升过高，大大降低发 结构参数影响性能参数和外特性的规律，就
电机的电气性能。因此，在进行泥浆永磁发电 可以对结构参数进行有目的和有效的调节，
机的设计时，进行整体的性能比较，极对数选 便可以缩短设计周期。
用 4。
永磁电机的结构参数很多，这里主要研
2)电机长径比的确定
究对性能参数影响较大的结构参数进行分析
将使空载电势增加、电枢反应电抗增加从而 [4]刘国强著. Ansoft 工程电磁场有限元分析.
使固有电压变化率增加。
北京：电子工业出版社.2005.
5 结论：
[5]A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr.,
本文利用 Ansoft RMxprt 对永磁电机的 Stephen D. Umans. Electric machinery
4) 定 子 槽 尺 寸
计算
一 般 来 讲 ，要
确定定子槽尺寸首
先需要确定槽面
积，然后再根据槽
面积来计算槽的其
余各个尺寸，常见
的参考资料都会介 绍各种槽形尺寸的计算，这里不再赘述。而槽 形尺寸面积的估算公式为：
应电抗对外特性影响较大，减小电枢反应电 抗可以使外特性的斜率降低，因此 hM 是调 节外特性的一个重要参数。
结构参数进行分析，并最终设确定了 90W 电 Tsinghua University Press, c2003.
机的最优化参数。Ansoft 软件还能够对电机
的电磁场、温度场进行分析,其中 Maxwell 软
作 者 简 介 ：陈景旺(1969-)男，天津人，本
件包是 Ansoft 公司针对机电系统电磁计算开 科，研究方向为石油定向井行业无线随钻仪
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Ansoft 软件在电机最优化设计中的应用
陈景旺 1 蔡金龙 2 （1、中国石油渤海钻探工程公司 天津 大港 300000 2、中国石油渤海钻探工程公司，天津 大港 300000）
摘 要： Ansoft 软件能够对电机工作状况进行模拟，解决了电机模型分析困难的问题。本文作者借助 Ansoft 软件分析各个参数对 发电机性能的影响，并对各参数进行优化设计，最终确定了 90 瓦永磁发电机的最优化结构参数。 关 键 词 ：永磁发电机；最优化；磁路；参数；气隙
线径 dcu 对性能参数的影响
其中，mc 为每槽层数，mz 为绕组并绕根
线径 dcu 只对 性能 参 数中 的电 阻 有影
数,dcum 为每根导体最大线径，Ks 为预取槽 响，增加线径 dcu 显然能有效地降低电枢绕
满率。
组电阻，使外特性的斜率降低或绝对电压降
定子槽形有梨形槽、圆形槽、梯形槽、矩 减小，同时不影响空载电势和电枢反应电抗。
1 引言 本文是在石油钻井行业对井下电力需求 日益增长的的背景下提出的。在无线随钻测 量系统（MWD）中，利用泥浆发电是一种有效 的方法。这种方法是利用钻具中的高速泥浆 驱动脉冲器外围的转子，进而驱动脉冲器内 置的永磁同步发电机的转子转动，达到发电 的目的。如何在有限空间中，充分优化电机参 数，达到电机功率最大化，成了迫在眉睫的问 题。 本文利用 Ansoft 公司系列软件，软件分 析各个参数对发电机性能的影响，，并对各参 数进行优化设计，最终确定了 90 瓦永磁发电 机的最优化结构参数。 2 初步计算永磁发电机结构参数 2.1 极数的确定 永磁机械结构设计是发电机设计中至关 重要的一步。本文所设计电机转子采用钕铁 硼（NdFeB）稀 土 永 磁 ，磁 极 结 构 选 用 表 面 式 磁极结构，如图 1 所示。是在铁心表面粘贴径 向充磁的瓦片形永磁体，在转子外表面套一 个 0.3 mm 的磁性紧圈。这样的结构可以使制 造成本低结构简单。
标准线径 dcu
从表 1 和图 2 中可以看出，增加 hM 将使
电枢反应电抗减小，空载感应电势增加，绕组
（3） 电阻增加，对漏阻抗的影响很小。因为电枢反
图 1 表面式磁极结构 选择好永磁同步发电机转子结构后，需 要利用公式（1）对永磁体的体积进行估计，以 满足功率要求。
（1）
式中 PN -永磁发电机的额定功率（kW）； σ0 -永磁发电机的空载漏磁系数； Kad -将直轴电枢磁势折算到转子磁势的 折算系数； KFd -电机短路时每对极的永磁体磁动 势为直轴电枢磁动势的倍数； f -发电机的频率； Ku-电压系数； Kφ-气隙磁通的波形系数； C -永磁体磁能利用系数； (BH)max-永磁材料最大磁能积； 对于给定额定功率的发电机，增加发电 机的极对数，会减少永磁体的用量，降低发电 机的成本，但发电机的铁耗将会大大增加，致
形槽等，对微型和小容量永磁同步发电机通 故增大线径也是降低固有电压变化率的一种
常采用梨形槽、圆形槽。
手段，特别是对低速小容量发电机比较有效。
3 用 Ansoft 软件分析结构参数对性能参 但线径 dcu 的大小和电流密度有关，并且要
数的影响
保持合理的槽满率，在改变线径时就要相应
众所周知，在电机设计过程中，不可能一 地改变齿槽尺寸，线径增加，齿槽尺寸也要增
根据电机设计原理有：
研究：永磁体磁化方向长度 hM，电枢绕组线
径 dCu、极弧系数 а、气隙长度 δ 等。
（2）
在分析各个结构参数对电机性能参数的
影响时，用到了 Ansoft 的 RMxprt。这里选用
其中，D 为定子内径，Lef 为发电机部分 的分析对象为一个三相八极，径向结构的永
的电枢计算长度，Pt 为计算功率，α 为极弧系 磁电机。