内置式永磁同步电动机的设计与分析

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ，ｃｉｒｃｕｉｔ·ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ，ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｌＩ
东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
ｍ Ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ
ａｌＳＯ ｇａｉｎｅｄ ａｎｄ
ｄｉｓｐｌａｙｅｄ． Ｌ罄ｔｌｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆＰＭＳＭ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｅｒｆｏｒｍａｕｃｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
１．２国内外研究进展情况
１８３１年，世界上出现的第一台电机是由Ｂａｒｌｏｗ发明的永磁电机，但是，由于当时采 用的天然磁铁磁性能太著，永磁体的磁能积很低，制成的电机体积庞大而容晕很小，很快 被电励磁电机所取代。到二十１进纪２０年代．美国ＧＥ公司利用铁氧体磁钢研制出一系列微 型永磁同步电动机，但功率很小。到了二二十世纪６０～７０年代，第一代和第二代稀十钐钴永 磁材料ＳｍＣ０５，ＳｍＣ０１７相继问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的、繁 荣的生机，但是钐、钴均为稀有金属，价格昂贵，给实际麻用带来了困难。
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｅｄｅｌ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｉｓｐｌａｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｓｔａｔｏｒｓ，ｒｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
研黜签名：缝盈导师签名：弛型踅 日期问．Ｍ
第一牵绪论
第一章绪论
１．１课题背景及选题意义
钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）稀十永磁材料从２０世纪８０年代中后期产生以来．已经成为国民经 济各产业．尤其是电子和汽车Ｉ：业的一种不可替代的基础材料，属国家鼓励发展的新材料， 被广泛＿｝ｌｊ丁．电子、汽车、计算机、电力、机械、能源、环保、国防、医疗器械等众多领域。 具有很好的应用前景。我国的稀十产量居世界首位，其中，国内＿｝｝ｊ簟约占总产量的ｌ，３。 用丁．电机的比例更低。与传统电机比较，稀十永磁同步电动机无需电流励磁，不设电枢和 滑环，结构简单，可靠性高。同时转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接 触电损耗，效率比电磁式同步电动机高。永磁同步电动机结构多样，可以根据需要选择不 同的转子结构形式。在一定的范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重域。 与异步电机相比，永磁同步电动机运行时无滑筹，转子上无基波铁耗和铜耗，为双边励磁 电机，功率冈数可高达ｌ。功率冈数的提高，一方面减少了无功功率，另一方面也使定子 电流Ｆ降，定子铜损耗减小。效率提高。因而，稀十ｔ永磁同步电动机作为开发重点，是充 分利川本十资源．推进现代化步伐的一个有效措施１…１１ ｎ＂１４ＪＩ”。
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＭＳＭ ｂｙ ｆｉｅｌｄ·ｃｉｒｃｕｉｔ
ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｗｏ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｏｇｒａｍｓ ａｌｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｌ，ｗａｒｅ．Ｏｎｅ ｉｓ ｔｏ ｃｏｎｎｅｃｔ ＡＮＳＹＳ ａｎｄ ｔｏ ｇｅｔ ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，Ａｎｏｔｈｅｒ ｉｓ ｔｏ ｃｏｎｎｅｃｔ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ
ａｐｐｌｉｅｄ ｗｉｄｅｌｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，
ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆＰＭＳＭ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ａ １．５ＫＷ ＰＭＳＭ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ。ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ＰＭＳＭ ｂｙ ｃｉｒｃｕｉｔ－ｆｉｅｌｄ
关键词； 永磁同步电动枧，场路结合法，有限元，ＡＮＳＹＳ软件，仿真
东南人学硕ｉ二学位论文
ＡＢＳＴＩ矾ＣＴ
Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ（ＰＭＳＭ）ｈａｖｅ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｍｐｌｅ
ｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ，ＳＯ ｔｈｅｙ
ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｄｑＯ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ８４＂ｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａ ＦＥＭ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｉｓ ｍａｄｅ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，
近年来，作为宵能产品，稀十永磁同步电动机的应用越来越，“泛。对稀十永磁同步电 机的开发和研究也成为世界各国电机电器相芙产业以及科研院所的研究热点，对稀十永磁 同步电机的设计、控制、精确性能分析成为研究的土要内容。由ｆ永磁同步电机转子中引 入永磁体，其形状和放置位置多种多样，磁路结构复杂，电机的励磁特性也发生了很人的 变化，所以永磁同步电机的分析计算要比酱通电机复杂，研究有效的永磁同步电机分析设 计方法十分必要。
１９８３年，日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功ＮｄＦｅＢ稀十永磁 材料，国际上称为第二代稀十永磁材料。ＮｄＦｅＢ磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料丰 富，价格较便宜。从１９８４年起，各Ｉ：业发达国家竞相研制高性能永磁电机。日本住友公司 和美国通用电气公司分别批量制造用于计算机外存储器的音罔电机及ＮｄＦｅＢ永磁汽车起 动电机。德国【｝ｌｉ门子公司经十多年努力，采刚多种结构，研制成功用于化纤工业的高速永 磁电动机和＿ｆ｛ｊ于交流调速系统的永磁同步电动机。
研究生签名：ｉ＆星ｊ日期：Ｊ塑尘，·万
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此外，稀十永磁电机磁性能优异，结构特殊而多种多样，传统电机的设计理论、计算 方法和设计参数已经不能适应设计研制高性能电机的需求，需要运｝｝｛现代设计方法完善和 发展稀十永磁电机的设计理论、磁路结构和计算方法，在此基础上建立Ｉ：程实用的电磁设 计计算程序和计算机辅助计算机软件包，包括电磁场分析计算、电感参数计算、动态性能 仿真和优化设计等。
ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｏ－ｌｏａｄ ｌｅａｋａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆａｃｔｏｒ，ｐｏｌｅ ａｔｅ ｆａｃｔｏｒ，ｄ－ａｘｉｓ ａｎｄ ｑ－ａｘｉｓ ｒｅａｃｌｍｌｃｅ，ａｒｃ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｍｌ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ—ｆｉｅｌｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．ＡＰＤＬ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｌａｎｇｕａｇｅｓ ｆｏｒ Ｕ，Ｗ ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｄｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｇｅ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ．
１９８６年，Ｔｏｍｙ Ｓｅｂａｓｔｉａｎ发表了永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）建模的文章Ｉ”。 １９８７年，ＴｏｍｙＳｅｂａｓｔｉａｎ义发表了关于永磁同步电动机调速系统的动态建模的文章嗍， 从理论上系统分析了随转子一起旋转的ｄｑ０坐标系卜．永磁同步电动机的ＰＡＲＫ模型，他将 ｄ，ｑ轴等效绕组作为两个无耦合、参数恒定的独立部分来处理。 Ｂ．Ｓｎｅｙｅｒｓ等学者最早提出了在建立ＰＭＳＭ数学模型时。考虑到由电机电枢电流交轴 分鬣引起的交义耦合问题［９１。其中，Ｆ．Ｐａｒａｓｉｌｉｔｉ等采用有限元法研究ＰＭＳＭ的模型，同时 计及磁路交义饱和的影响修正电机模璎，被认为是较为有效的分析研究方法ＩＩ。Ｉ。 在高性能永磁电机产器方面。国外利用稀十永磁材料的优异性能研制开发高性能永磁 同步电动机已有２０多年的历史。１９７８年，法国ＣＥＭ公司推出ＩＳＯＳＹＮ系列０．５５～１８．５ｋＷ 稀十钻永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高２％～８％，功率因数提高０．０５～Ｏ．１５， 但因当时采＿Ｉ｝ｊ钐钴永磁体成本太高，未能推，“应用． 我国许多高校如清华人学，西北一Ｉ：业人学、沈阳丁业大学和科研单位，自１９８０年开始 就进行高性能永磁同步电动机的研制，取得了明显的效果。先后开发了用于纺织行业中织 布机、化纤机械、风机泵类的多种规格和型号的高性能钕铁硼永磁同步电动机产品，取得 了良好的社会经济效益，特别是０．８ｋＷ纺织专用永磁同步电动机，效率高达９１％，功率因 数高ｙ－０．９５．符电率高达１０％以上。 随着永磁电机的Ｊ“泛应用，其研究内容也越来越广。目前。国内外对永磁同步电机的 研究主要有以ＦＪＬ个方面： （１）结构设计研究 由丁．稀’卜永磁材料具有｛挺高的剩磁密度和矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供 较高的气隙磁密和磁势。因此。除了传统的径向磁路结构外，当极数较多时。可采用切向 磁路结构或混合式结构。目前，国内外部在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计 准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高效率和功率密度。 （２）优化设计 在稀十永磁材料价格昂贵的情况下，麻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卜．，所用的永磁材科最少，即电机的成本最低或体积最小。由于永 磁体尺寸大小直接影响电机的各项性能指标，冈而可直接选用永磁体形状作为设计变晕， 而将其他尺寸都只ｊ这些变链来表示。在约束条件中，电抗参数，定子齿部和轭部磁密、定 子电密、起动电流以及槽满率等都虑限制在一定范围内，而效率、功率因数和起动转矩等 则应人于某一给定值。 （３）磁场分析计算和数值方法的研究 永磁电机设计中，除了电机新结构的发明创造外，最重要的发展可说是用有限元方法 进行磁场计算。为了充分发挥永磁材料的优异性能，永磁电机的结构和传统电机有很人的 差别。计算永磁电机性能时．不但不能套用传统的磁路计算方法，而且和一般电机磁场分 析也有很大的不同。永磁电机结构复杂，永磁材料的磁特性为各向异性等，这些都给磁场 分析带来了新的课题。对丁某些人容鼙或特殊结构的稀土永磁电机，为了提高它的设计精 度，不仅要进行二维磁场分析，还需进行三维磁场分析；不但要进行静态磁场分析，还要 进行瞬变磁场分析。 （４）测砖技术的研究 由于永磁电机由永磁体励磁，磁场不能调节。而且有一些永磁电机需要充磁后再装配
ｍａｇｎｅｔｓ ＣＯＩｌ ｈｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｃａｌｖｅｓ ｅａｒｌ ｈｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ
东南大学 硕士学位论文 内置式永磁同步电动机的设计与分析 姓名：张蔚 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：林明耀
20070108
摘要
摘要
永磁同步电动机具有结构简单、效率和功率冈数高等优点，其戍丹｛越来越广泛。本文以 设计一台１．５ＫＷ永磁同步电动机样机为目的．对永磁同步电动机的设计和运行性能分析方法 进行研究，在此基础上编制了基于场路结合法的稀十永磁同步电动机设计分析软件。
８０年代前后，应＿｝ｆｊ ＮｄＦｅＢ材料制造高性能永磁同步电动机的研究发展很快。其中对
东南入学硕ｉ：学位论文
予ｌｉｉ｜定频率下永磁同步电动机的运行特性、自起动特性的研究，发表了较多的论文０－４１，对 电机稳态特性分析．沿＿Ｉ｝ｊ的方法与传统交流电机的分析方法相近。
８０年代期间。国际匕发表了大域永磁电规的论文，对永磁同步电动机的数学模型建立、 稳态特性和动态特性分析进行研究１５－６Ｊ。
首先，建立ｄｑ０坐标卜Ｉ永磁同步电动机的数学模磺，对电机的运行性能进行分析。 然后．论文建立基丁．ＡＮＳＹＳ的永磁电机磁场分析二维模型，使用数值方法计算电机 的空载漏磁系数、计算极弧系数、空载电动势和交、直轴同步电抗等参数，在场路结合法 中代入这些参数进行电机磁路计算。编写以ＡＰＤＬ参数化语言为基础的命令流程序，对ｕ、 ｗ形内置式转子磁路结构电机进行有限元分析。 论文利Ｈ｛Ｖｉｓｍｌ Ｂａｓｉｃ ６．０编制了基丁．场路结合法的稀十永磁同步电动机设计分析软 件。使用该软什调用ＡＮＳＹＳ命令流程序，获取电机电磁场数值计算结果，并且能够方便 调用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立永磁同步电动机模硝，对样机起动特性进行仿真计算。此外， 实现通过设计界面直接修改定、转子及永磁体磁路的形状、尺寸等参数，直接查看场路结 合法磁路计算结果和电机性能曲线，｝ｌｊ图形方式显示电磁场有限元分析的磁场分布图和磁 密分布图等功能。 最后，论文还就电机结构参数对电机性能的影响作了比较详细的分析和研究。