【正文】 ern aerospace. Defense. industrial and agricultural production and has been widely used in all areas of daily life. Permanent mag motor with permanent mag excitation, plexity of the electromagic field distribution inside the motor, using the traditional method of equivalent magic circuit analysis will lead to large errors, for the calculation of accurate, within General Motors using finite element method for numerical calculation of magic field. This topic is intended for permanent mag synchronous generator of main dimensions, rotor of permanent mag structure, form of stator windings, number of stator laminations and Groove dimensions and the simulation of electromagic fields, mainly: the first describes the basic principles, characteristics of permanent mag generator, design features and characteristics and selection of permanent mag materials。 Second using traditional design methods on main dimensions, structure of the rotor, stator of electric motor winding design of forms and the related parameters。 Finally motor based on Ansoft design by magic field simulation software optimization design and calculation of performance indicators and the establishment of two dimensional simulation model for analysis of twodimensional transient keyword: simulation of magic field of permanent mag synchronous generator electromagic design Asoft Keywords: permanent mag synchronous generator electromagism design finite element analysis for magic field永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)有限元分析 1 第 1 章 緒 論 永磁材料發(fā)展概況 19 世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但 當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然鐵礦石（ Fe3O4） ,磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。 20世紀(jì) 30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá) 85KJ∕ m3）和 50 年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁材料（最大磁能積現(xiàn)可達(dá) 40 KJ∕ m3），磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機(jī) 也 紛紛使用永磁體 來(lái) 勵(lì)磁。這段時(shí)期在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性發(fā)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。 但是鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（ 36~160KA∕ m），鐵氧體永磁的剩磁密度 不高（ ~），限制了它們?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到上世紀(jì) 60年代和 80 年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性的退磁曲線 等 優(yōu)異性能特別適合制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。 稀土永磁材料的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段。 1967 年美國(guó) K?? J?Strnat 教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學(xué)式可以表示成 RCO5（其中 R代表釤、鐠等稀土元素），產(chǎn)品最大的磁能積現(xiàn)已超過(guò) 199KJ∕ m3（ 25MG?Oe）。 1973 年又出現(xiàn) 了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化學(xué)式為 ∕ m3（ 32MG?Oe）。 1983年日本住友特殊金屬公司和美國(guó)通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（ NdFeB）永磁，在實(shí)驗(yàn)室中的最大磁能積現(xiàn)高達(dá) ∕ m3（ ?Oe），商品生產(chǎn)現(xiàn)已達(dá) KJ∕m3（ 50MG?Oe），稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價(jià)格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資 鈷，因而引起了國(guó)內(nèi)外磁學(xué)界的和電機(jī)界的極大關(guān)注 ，紛紛投入大量的人力物力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。目前正在研究新的 、 更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，希望能有更大的突破。 永磁同步發(fā)電機(jī)顯著優(yōu)點(diǎn) 永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大體相似，其主要結(jié)構(gòu)分別由定子 、 轉(zhuǎn)子和機(jī)座組成。永磁電機(jī)的定子由定子鐵心和定子三相對(duì)稱繞組構(gòu)成，其有別與永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)有限元分析 2 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸 、 永磁體及相關(guān)支撐部件組成。由于其采用永磁材料，固其具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 體積小，重量輕 轉(zhuǎn)子部分采用高磁場(chǎng)的永磁體代替電磁線圈，轉(zhuǎn)子體積要小得多，因 此該發(fā)電機(jī)的體積和重量要小于常規(guī)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。 2 效率高，節(jié)能效果顯著 由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場(chǎng)，這樣就省去了勵(lì)磁損耗，因此三相永磁同步發(fā)電機(jī)比常規(guī)發(fā)電機(jī)明顯節(jié)約能量；其效率能提高 1015%，是一種典型節(jié)能產(chǎn)品。 3 電壓波形質(zhì)量好，適用于各種負(fù)載情況 由于采用機(jī)電一體化技術(shù)，發(fā)電機(jī)在各種不同負(fù)載（包括感性和容性負(fù)載）情況下都可以使電壓波形畸變率保持在較小的范圍。 4 過(guò)載能力強(qiáng)，適合于在各種惡劣環(huán)境下工作 5 無(wú)電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，使用壽命長(zhǎng) 無(wú)電刷和滑環(huán)，同時(shí)轉(zhuǎn)子 上既無(wú)線圈，也無(wú)電子元器件，轉(zhuǎn)子上的永磁體和鐵心固成一個(gè)剛性整體，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，其可靠性和使用壽命都遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。 永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向和前景 永磁同步發(fā)電機(jī)有別于傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，其最主要的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子采用永磁材料來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)；其次 永磁同步發(fā)電機(jī)與不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了故障率 ，可靠性得到了很大的提高 。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當(dāng)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。其典型產(chǎn)品為美國(guó)通用電氣公司制造的 150kVA 14 極 12021 r/min~21000r/min和 100kVA6000 r/min 的稀土鈷永磁同步發(fā)電機(jī)。國(guó)內(nèi)研發(fā)的第一臺(tái)稀土永磁電機(jī)即為3KW 20210r/min 的永磁發(fā)電機(jī)。 永磁發(fā)電機(jī)也用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)， 80 年代我國(guó)研制成功當(dāng)時(shí)世界容量最大的 40 kVA~160KVA 稀土永磁副勵(lì)磁機(jī)，配備200MW~600MW 汽輪發(fā)電機(jī)后大大提高電站運(yùn)行的可靠性。 從永磁電機(jī)的已有發(fā)展可以看出其發(fā)展是隨著永磁材料性能的不斷改進(jìn)而發(fā)展起來(lái)。 目前，獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電 機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐步推廣 。隨著現(xiàn)代的電力電子技術(shù)的不斷成熟和機(jī)電一體化設(shè)備的 廣泛運(yùn)用，永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)性以及其他相關(guān) 不理想 因素也將不斷改善，其將會(huì)隨著永磁材料和電力電子技術(shù) 等相關(guān)技術(shù) 的發(fā)展向著大功率化、 微型化、 多樣化、高性能化 等 方向發(fā)展。 永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)有限元分析 3 第 2 章 永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 和 原理 永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 由于其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁材料產(chǎn)生 ， 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣化。永磁發(fā)電機(jī)的磁路形式多樣，有許多不同的分類方法。 1） 按永磁體所在位置分類，可分為旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。旋 轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，其永磁體在轉(zhuǎn)子上，電樞是靜止的，永磁同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)都采用該種結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)電樞式磁路結(jié)構(gòu)，其永磁體在定子上，電樞旋轉(zhuǎn)，永磁直流電機(jī)采用該種磁路結(jié)構(gòu)。 2） 按所用材料分類，可分為單一式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)。在一臺(tái)電機(jī)中，只采用一種永磁材料，稱為單一式結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)電機(jī)都采用該種結(jié)構(gòu)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)通常采用兩種性能特點(diǎn)不同的永磁體（將矯頑力低的永磁體置于磁極的前部，將矯頑力高的永磁體置于磁極后部），揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)勢(shì)，提高電機(jī)的性能，降低制造成本。 3） 按永磁體的安置方式分類，可分為表面式和 內(nèi)置式。表面式磁極的永磁體直接面對(duì)空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但永磁體直接承受點(diǎn)電樞反應(yīng)的去磁作用 。內(nèi)置式磁極的永磁體置于鐵 心 內(nèi)部，加工和安裝工藝復(fù)雜，漏磁大，但可以放置較多的永磁體來(lái)提高氣隙磁密，減小電機(jī)的重量和體積。 4） 按永磁體的形狀分類，進(jìn)行永磁體設(shè)計(jì)時(shí)必須保證永磁體在磁路中產(chǎn)生足夠的磁通和磁動(dòng)勢(shì)，可分為瓦片形 、 極弧形 、 環(huán)形 、 爪極形 、 星形 、 矩形磁極。 5） 按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，可分為切向式 、 徑向式 、 混合式和軸向式。 定子結(jié)構(gòu) 定子鐵 心 是構(gòu)成永磁電機(jī)磁通回路和固定定子線 圈的重要部件，它由沖片 和三相對(duì)稱繞組以 及各緊固件壓緊成一個(gè)整體。 定子鐵 心 的基本要求： 1） 導(dǎo)磁性能好，損耗低； 2） 剛度好 ， 振動(dòng)?。? 3） 結(jié)構(gòu)布置上有良好的通風(fēng)冷卻效果； 4） 疊壓后鐵 心 內(nèi)徑和槽型尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)精度要求。 永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)有限元分析 4 定子繞組 的基本要求： 1） 在一定的導(dǎo)體數(shù)下，有合理的最大的基波電動(dòng)勢(shì)和基波磁動(dòng)勢(shì)； 2） 在三相繞組中，三相基波電動(dòng)勢(shì)和三相基波磁動(dòng)勢(shì)必須對(duì)稱，即大小相等，相位上互差 120 度 電角度 ，并且三相的阻抗也要求相等； 3） 相電動(dòng)勢(shì)和相磁動(dòng)勢(shì)波形力求接近正弦波，為此要求它們的諧波分量盡可能小 ； 此外還要求用銅少， 絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度可靠，散熱條件好，制造工藝簡(jiǎn)單，檢修方便。 定子交流繞組主要有以下幾種分類形式： 1） 按相數(shù)分為單相，兩相和三相繞組； 2） 按槽內(nèi)層數(shù)分為單層 、 雙層繞組 ， 其中單層有等元件 、 交叉式和同 心 繞組 ，雙層繞組 有波繞組和疊繞組，它們 一般采用短距分布 繞組形式 ； 3） 按每極每相槽數(shù)分為整數(shù)槽 繞組 和分?jǐn)?shù)槽繞組。 永磁同步發(fā)電機(jī)原理及特性 工作原理 永磁同步發(fā)電機(jī)主要電磁結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子， 定∕轉(zhuǎn)子 之間有氣隙。定子上有AX,BY,CZ 三相對(duì)稱繞組，相繞組由多匝串聯(lián)的繞組元件連接而成，每相繞組匝數(shù)相 等，在空間上相差 120度電角度。轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生機(jī)械磁場(chǎng)，其磁通由轉(zhuǎn)子 N極出來(lái)，經(jīng)過(guò)氣隙，定子鐵 心 ，氣隙進(jìn)入 S極而構(gòu)成回路。 在原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速 n（同步轉(zhuǎn)速） 旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁極的磁力線將切割定子繞組導(dǎo)體，在定子導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電勢(shì)，當(dāng)定子三相繞組 外 接三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，便會(huì)在三相繞組中感生出三相對(duì)稱電流，從而 實(shí)現(xiàn) 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí) ， 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，相繞組中的感應(yīng)電勢(shì)正好交變一次（稱為交變了一個(gè)周波），實(shí)際電機(jī)有 P 對(duì)極。永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)一樣，電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電流的頻率嚴(yán)格遵 守 n=60f∕ P 的關(guān)系。 運(yùn)行特性 永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能 的 主要三個(gè)重要性能指標(biāo)：固有電壓調(diào)整率、短路電流倍數(shù) 、 電壓波形正弦性畸變率。 1） 固有電壓調(diào)整 率 永磁發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) E0（ V）；在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙合稱基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生氣隙合成電動(dòng)勢(shì) Eδ （ V），計(jì)算公式為： 永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)有限元分析 5 dpE fN k k???? （ 21） dpE fN k k? ?? ??? （ 22） 空載氣隙磁通和氣隙合 成 磁通需要根據(jù)所選用的永磁材料性能，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸，運(yùn)用電磁場(chǎng)數(shù)值解法求出或 用 等效磁路法求出。對(duì)于切向 、 徑向 、 混合 式結(jié)構(gòu)，可以將永磁材料等效地化為兩個(gè)恒磁通源并聯(lián)供應(yīng)同一條外磁路的等效磁路。 2） 短路電流倍數(shù) 永磁同步發(fā)電機(jī)的短路狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)短路和瞬態(tài)（沖擊）短路 兩種 。瞬態(tài)短路電流通常大于穩(wěn)