【正文】 .................................................................................... 23 交軸磁化曲線 .................................................................................. 26 工作特性計算 .................................................................................. 26 起動性能計算 ................................................................................ 29 本章小結 ................................................................................................. 32 哈爾濱理工大學學士學位論文 IV 第 4 章 永磁同步電動機的有限元仿真及方案分析 ...................................... 33 永磁同步電動機的有限元仿真 ............................................................. 33 空載仿真結果 .................................................................................. 35 負載仿真結果 .................................................................................. 38 仿真結果分析 ......................................................................................... 40 多方案分析 ............................................................................................. 41 本章小結 ................................................................................................. 41 結論 .................................................................................................................... 42 致謝 .................................................................................................................... 43 參考文獻 ............................................................................................................ 44 附錄 A 常用定、轉子槽比漏磁導計算 .......................................................... 45 附錄 B 外文文獻 .............................................................................................. 47 附錄 C 外文文獻翻譯 ...................................................................................... 59 哈爾濱理工大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 永磁同步電 動 機概述 隨著永磁材料工藝的進步和電子電力技術的發(fā)展，永磁同步電動機逐漸克服技術難點，逐步占領市場。 利用基于有限元 Ansoft 軟件 進行了電機參數(shù)的相關計算，與電機設計的傳統(tǒng)磁路法進行了對比，分析了兩者之間的誤差以及誤差產(chǎn)生的原因，提高了電機設計的準確性。 本文 設計了一臺額定功率 15kW、額定轉速為 1500rpm 的永磁同步電動機。哈爾濱理工大學學士學位論文 I 內置式 異步起動 永磁 同步電動機設計 摘要 隨著永磁材料工藝的進步和電子電力技術的發(fā)展，永磁同步電動機逐漸克服技術難點，逐步占領市場。采用了高性能的釹鐵硼永磁材料提高電機的功率密度。 關鍵詞 永磁同步； 電磁計算 ；有限元仿真 哈爾濱理工大學學士學位論文 II Design of Internal Rotor Line Start Permanent Mag Synchronous Motor Abstract With advances in magic materials technology and electronic power technology development, technical difficulties are gradually being overe。永磁同步電動機與異步電機比較，有效率高、功率因數(shù) 高 、體積小、節(jié)能、 高功率密度、高力矩 /慣量比、結構緊湊等優(yōu)點的極具發(fā)展前景的新型電動機， 在當今強調節(jié)約、綠色概念的社會，節(jié)能和節(jié)約材料的永磁 同步電機 由于具有其他電動機所不可替代的優(yōu)越性 已經(jīng)在國外蓬勃發(fā)展， 國內電機行業(yè)也以驚人的速度在發(fā)展 [1]。 具體說明如下： 在轉子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。如果 37kW永磁同步電機代替 45kW~55kW的 Y系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設備投入費用，提高了系統(tǒng)的運行效能。 便于構成新型磁路。因此，既要研究開發(fā)適用于電機制 造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構型式的抗去磁能力，以便設計和制造時，采用相應措施保證永磁同步電機不失磁。 永磁同步電機不需外界能量即 可維持其磁場，但這也造成從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。 發(fā)展趨勢 根據(jù)反電勢波形的不同，交流永磁同步電動機可以分成兩大類 ： 方波驅動永磁同步電動機和正弦波驅動永磁同步電動機。 永磁同步電機不需要勵磁繞組，結構比較簡單，磁場部分沒有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉速成為可能。運輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動汽車、混合型 (內燃機與電動機并用 )動力汽車、列車、電梯、機床、機器人等，對大功率電動機的需求正在增長。瑞士 ABB公司已經(jīng)建造了超過 300艘的電力推進船舶最大安裝容量達到了192 10 MW? ，其研制的 400kW到 3MW 永磁同步電機用于：“ Compact Azipod”吊艙式電力推進系統(tǒng)。該艦裝有兩臺 21MW 永磁同步電機在巡航或隱身時直接驅動螺旋槳。 在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機，而稀土永磁電機可以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體 )，且體積小，正好能滿足這些特殊要求。對于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就是唯一的。 有限元法是將整個求解區(qū)域離散化，分割成許多小的區(qū)域，稱之為“單元”或“有限元”， 傳統(tǒng)的有限元法以變分原理為基礎，把所要求解的微分方程型數(shù)學模型 — 邊值問題，首先轉化為相可以應的變分問題，及泛函求極值問題；然后利用剖分插值，離散化變分問題為普通多元函數(shù)的極值問題，及最終歸結為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解 [9]。 法拉第電磁感應定律： BE t??? ?? ? (1— 1) 麥克斯韋安培定律： DHJ t??? ? ? ? (1— 2) 高斯電通定律： D ??? ? (1— 3) 高斯磁通定律： 0B?? ? (1— 4) 電荷守恒定律： J t???? ??? (1— 5) 電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機電磁場分析 — 般采用位函哈爾濱理工大學學士學位論文 5 數(shù)表示，位函數(shù)比場量本身更容易建立邊界條件。是不同媒介交界場量的切向和法向邊界條件。 電磁場教科書中常常稱狄利克萊邊界條件為第一類邊界條件，有限元計算領域，常常稱其為約束邊界條件，或本質邊界條件。偶對稱邊界可以模擬一個設備的對稱面，在對稱面的兩側電荷、電位、電流等滿足大小相等、符號相 同。 除此之外，有一些求解器中還有各自“特色”的邊界條件，如交變電場中的電阻邊界、渦流場中的阻抗邊界，主要用來模擬很薄的介質層。 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 第 2章 異步起動永磁同步電動機的 基本原理 異步起動永磁同步電動機式具有自起動能力的永磁同步電動機，兼有感應電動機和電勵磁同步電動機的特點。 稀土鈷永磁材料 稀土鈷永磁材料是 60 年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料。因此這種永磁材料的磁性能穩(wěn)定性最好，很 適合用來制造各種高性能的永磁電機。它的磁性能高于稀土鈷永磁。因而在高溫下使用時磁損失較大。因此需根據(jù)磁體 的使用環(huán)境來選擇合適的保護涂層。 如 圖 2— 1 為 異步起動永磁同步電動機 轉子磁路 結構示意圖。定子繞組通常由圓銅線繞制，為減小雜散損耗，大多采用雙層短距和星形接法，小功率電動機中也有采用單層繞哈爾濱理工大學學士學位論文 8 組的，特殊場合也有采用正弦繞組的。這種結構靠旋轉磁場在轉子鐵心感應的渦流產(chǎn)生的轉矩起動，無需起動繞組。 轉子磁路結構 異步起動永磁同步電動機的永磁體放置在轉子上，其放置的方式影響到氣隙磁通、漏磁乃至電機的性能，是永磁同步電動機設計的核心問題。 (a) (b) 圖 2— 4 表面式轉子磁路結構 (a) 凸出式 ； (b)插入式 1— 永磁體； 2— 轉子鐵心； 3— 轉軸 表面凸出式轉子結構 由于具有結構簡單、制造成本較低、轉動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永 磁同步電動機和恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電動機中得到了廣泛的應用。 總之，表面式轉子磁路結構的制造工藝簡單、成本低，應用較為廣泛，尤其適用于矩形 波永磁同步電動機。 按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系， .內置式轉 子磁路結構又可分為徑向式、切向式和混合式三種。這類結構（圖 2— 5(a)）的優(yōu)點是漏磁系數(shù)較大、并且需采用相應的隔磁措施電動機的制造工藝和制造成本較徑向式結構有所增加。 混合式結構 這類結 構 （圖 2— 5(c)）集中了徑向式和切向式結構的特點，但其結構和制造工藝均較復雜，制造成本也比較高。圖 2— 6 為幾種典型的隔磁措施。在這個過程中，轉子永磁磁場與定子旋轉磁場轉速不同，產(chǎn)生交變轉矩。 永磁同步電動機由于在轉子上安放了永磁體，使得其起動過程比感應電動機更為復雜；在起動過程中既有平均轉矩，又有脈動轉矩， 且這些轉矩的幅值均隨電動機的轉速的變化而變化。設起動某一瞬間電動機的轉差率為 s 電動機轉子以 1(1 )n s n?? 的轉速旋轉，則在轉子起動繞組中感應出頻率為 sf 的交流電流。這相當于又一臺感應電動機，但轉子是初級繞組，定子是次級繞組。 下面再分析轉子中永磁體的作用。 圖 2— 7 異步起動永 磁同步電動機的平均轉矩 — 轉差率曲線 本章小結 本章 首先 概要地介紹了 目前常見常用的幾種永磁材料的特點及使用時的注意事項，其次介紹了 永磁同步 電機基本組成部分 及常見的隔磁措施 ，并且分析了永磁同步電動機的基本工作原理 、 特點 及起動過程，并且詳細的分析了起動過程中的平均轉矩的變化 。 n a NmNn(1 ) 0 .7 5 4 71fb ? ? ????? 式中 a d d p d NaN 0 c M0 .4 5 m K K N If p H h?? ?； dNI 輸出額定功率時定子電流的直軸分量 哈爾濱理工大學學士學位論文 29 N1i12 2 2 4 .8 5 6 A / c mm N IA D??? 211211t1 96 A / m m()2IJ daN??? 2211 / ( c m m m )AJ ? n a d hmhn(1 ) 0 .3 1 3 41fb ? ? ????? 式中 a d d p a 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 13 第 3章 15kW 異步起動永磁同步電動機電磁計