【正文】 he permanent magnet are concluded. Some effective measures are taken according to the analysis of the waveforms.Keywords: permanent magnet motor；permanent magnets；eddy current loss；finite element method目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 1 永磁體渦流損耗的研究現(xiàn)狀 3 本課題研究意義及內容 5 本課題研究的意義 5 本課題研究的內容 5第2章 永磁電機轉子永磁體內的瞬態(tài)場及其分析方法 7 電機電磁場的基本理論依據(jù) 7 電機電磁場的數(shù)理基礎 7 邊界條件的類型及處理方法 8 二維瞬態(tài)場分析的特點及其數(shù)學模型的建立 9 高速永磁同步電機永磁體內瞬態(tài)場的求解 12 求解電機電磁場問題的數(shù)學方法 12 分析渦流場的具體方法 14第3章 高速永磁同步電機永磁體內渦流損耗的計算分析 15 永磁體渦流損耗的有限元計算分析 15 轉子內永磁體渦流損耗的計算 16 空載情況下永磁體渦流損耗的計算與分析 16 負載情況下永磁體渦流損耗的計算與分析 19 不同極槽配合永磁體渦流損耗對比分析 21 本章小結 23第4章 分析永磁體渦流損耗對永磁電機性能影響 25 永磁體渦流損耗的影響因素 25 減小永磁體渦流損耗的措施 27第5章 總結 29參考文獻 31致 謝 34第1章 緒論永磁電機具有節(jié)能高效、結構簡單等一系列優(yōu)點，在當今世界能源短缺的情況下，備受國內外專家學者和業(yè)內人士的普遍關注，是電機行業(yè)發(fā)展中的熱點話題，其應用領域也正在不斷地擴展。因為內圓磨削。就是這樣，也無法避免帶載就掉速的問題，永磁同步電主軸由于電機特性硬，閉環(huán)響應速度快，主軸吃刀帶載幾乎不調速，對磨削效率和質量都有非常明顯的促進。稀土磁鋼和高性能驅動器的應用則導致永磁同步電主軸的成本遠遠高于異步電主軸。在2006年HanWook Cho等人對于高速永磁電機中轉子永磁體的保護套的材料上進行不同材料的實驗分析，以減小永磁體渦流損耗[2]。東南大學余莉等人研制出額定功率為600kW，額定轉速達到20000r/min的高速永磁同步電機，并對高速電機的鐵心溫升和損耗進行了大量的理論分析和實驗研究。對比結果表明，阻尼條非均勻排列轉子結構可以顯著的減小空載氣隙磁密波形中的諧波含量，負載時電機的功率密度也得到了明顯的提升[6]。 永磁體渦流損耗的研究現(xiàn)狀隨著永磁電機單機容量不斷增大,近些年來永磁體產生的渦流損耗也引起了國內外研究人員的關注。事實上，磁路飽和的程度會對永磁體內渦流分布產生較大的影響，定子開槽會引起氣隙磁導不均勻從而導致永磁體渦流損耗，并且定子的極槽配合會導致時間與空間諧波的含量發(fā)生一定變化，進而對渦流損耗產生影響。2013年張炳義教授等為了研究永磁體渦流損耗發(fā)熱對永磁體磁性的影響， 應用有限元分析軟件對一臺發(fā)生退磁的永磁同步電動機的永磁體進行渦流損耗分析。而與此同時，研究其各方面的性能就是尤為重要的任務，由于其高速運轉，體積小，功率密度高，單位體積內產生的損耗自然也會很大，單位體積產生的熱量也較多，因此溫升較高，而永磁材料的性能隨著溫度的變化而變化，特別是常用的釹鐵硼材料，因此永磁電機的性能和電機內部損耗是密切相關的。希望通過對本課題的研究，能夠進一步了解永磁體渦流損耗相關的知識，對于減小和控制永磁體渦流損耗的大小具有一定的幫助，提高永磁電機的性能，使其更加穩(wěn)定高效地工作，更好地應用于生產實踐中。本課題擬采用商用有限元軟件對高速電主軸永磁電機永磁體的渦流損耗進行分析，以得到永磁體渦流損耗的大小和分布規(guī)律，并研究永磁體渦流損耗的影響因素，從而為減小永磁體渦流損耗提供依據(jù)。而且，由于近幾年電機對計算的精確度要求更高，有些問題必須從電磁場的基本理論入手才可以。為了研究在電磁場中任一點上各個量的關系，必須應用麥克斯韋方程組的微分形式。但如果直接將這一方程組作為控制方程，由于在這個矢量方程組中含有不同的場矢量，從而需要聯(lián)立著幾個方程組進行求解，因此在求解計算中將會含有過多的未知量，代數(shù)方程組后計算量會很龐大的狀況。二者可以完成在不同的需求下對電機內電磁場的計算。不同媒質分界面上的邊界條件的確定：在渦流場中，場矢量在不同媒質分界面上與恒定電流場、恒定電場、恒定磁場所滿足的邊界條件在形式上相同。實際上電流是以體密度的形式存在的。另一分支是便是似穩(wěn)電磁場，似穩(wěn)電磁場內是主要研究頻率較低、滿足似穩(wěn)條件的問題。從另一個角度講，就是在研究分析似穩(wěn)電磁場問題時，只是考慮磁場變化時所產生的電場，而不考慮電場變化時所產生的磁場。本文在求解電機永磁體內的渦流場時需要引入以下幾種假設：不計及位移電流密度在磁場中的影響；磁滯效應帶來的影響由于很弱可以忽略不計；我們所分析的磁場均看作為線性區(qū)域，忽略非線性的存在?？梢员硎境申P于標量電位函數(shù)的梯度，因此可推出 (216)在二維場中，由于沿著z軸方向是不會有變化的，所以，標量磁位便可以消去。本文所研究的永磁電機磁場分布是按規(guī)律沿電機圓周方向呈周期性變化，取一個極的范圍作為計算區(qū)域，在同時考慮了定、轉子之間存在相對運動時，可采用氣隙變動面法的有限元剖分技術來進行分析，此時，二維電機瞬態(tài)電磁場的邊值問題經過解答后可表述如下： (223) (224)綜上所述，二維渦流場分析的特點是：（1）只含兩個分量，和只存在一個分量。在具體的求解中，求解電機電磁場問題時可以使用求解偏微分方程的各種數(shù)學方法，在數(shù)學問題上求解的具體方法很多，大致得到應用的有以下幾種。（2）等效磁路的圖解法等效磁路圖解法可以用來對電機中的穩(wěn)定磁場問題進行近似求解。（3）模擬法模擬法是用某種裝置來對問題進行模擬求解，通過模擬其過程來獲得它的解答。模擬法是需要高精度的模擬裝置和測試裝置的，所以它進行的求解會有較高的精度。由于現(xiàn)代計算機技術飛速發(fā)展，相對于其他算法，它的應用范圍更廣泛，并且還可以達到所要求的精確度。邊界元法是根據(jù)電場邊界積分方程，同樣是將求解區(qū)域的邊界離散化，建立代數(shù)方程組用數(shù)學的方法進行數(shù)值求解。在電磁場問題求解中常用的數(shù)值計算方法有有限元法[13]、有限差分法[14]和邊界元法，其中有限元法還是最有效、應用最廣泛的方法。因此，有限元網(wǎng)格可以很方便地模擬出不同形狀的邊界面和交界面。第3章 高速永磁同步電機永磁體內渦流損耗的計算分析 永磁體渦流損耗的有限元計算分析永磁體渦流損耗采用有限元軟件[15]計算，利用二維建模求解則引入以下假設：不計電機的端部效應帶來的渦流影響；定子繞組電流只有軸向分量，沒有其他方向上分量；永磁材料具有各向同性的電導率和磁導率。表31 永磁同步電機參數(shù)電機參數(shù)　　　 　 數(shù) 據(jù)額定功率/kW 15額定轉速/(r/min) 30000電機相數(shù) 3電機極對數(shù) 2定子槽數(shù) 24表32 永磁體參數(shù)名稱　　　 數(shù)值 單位 電導率 690000 S/m矯頑力 kA/m相對回復磁導率 轉子內永磁體渦流損耗的計算永磁同步電機轉子與定子基波磁勢是同步旋轉的，因此通常忽略轉子內的永磁體渦流損耗[18]。高速永磁同步電機諧波頻率一般都較高，在轉子中產生的渦流損耗也較大，因此轉子渦流損耗的準確計算對于保證電機性能和可靠性工作都顯得尤為重要。永磁體瞬時渦流損耗為 （32）其中，為渦流切面面積，為電機的軸向長度。如圖31與32所示分別為內置式與表貼式兩種永磁體結構的永磁同步電機定轉子模型結構。如圖33與圖34所示。 負載情況下永磁體渦流損耗的計算與分析上面已經計算出空載狀態(tài)下永磁體渦流損耗，這里首先對內置式永磁電機分別進行正弦波供電與變頻器供電。在通入正弦波時，而在變頻器供電時其損耗相對浮動較大，平均值在1W左右，但是浮動較大，最大時會達到5W。下圖為磁感應強度分布圖圖37 磁感應強度分布圖得到內置式永磁同步電機的兩種波形后，再對表貼式永磁同步電機進行正弦波供電與變頻器供電，得到其損耗波形，對比一下兩者不同之處。 不同極槽配合永磁體渦流損耗對比分析針對永磁體渦流損耗，永磁同步電機定子的結構也會對其產生一定的影響，我們將在對內置式永磁同步電機的轉子磁路結構不改變的情況下，改變其定子槽數(shù)來研究分析其永磁體渦流損耗的不同與變化規(guī)律。 本章小結本章主要研究了不同情況下永磁同步電機永磁體渦流損耗的大小。（2）對于不同轉子磁路結構，本文分別使用了內置式與表貼式兩種結構進行對比仿真，表貼式的永磁體渦流損耗相對大很多。對于高速永磁同步電機，其永磁體渦流損耗的大小與許多因素有關，本文主要研究的是永磁體內置式與表貼式，空載情況與負載情況下，正弦波供電與變頻器供電，不同的極槽配合等各種情況下的永磁體產生的渦流損耗的大小分布情況。如果只是在進行正弦波供電時，轉子永磁體內的渦流損耗主要是由于定子槽型結構所決定的，其渦流密度較小，當然產生的渦流損耗也比較小。相對于內置式，表貼式就是將永磁體放置在轉子表面，這樣會使電感變小，時電流響應變快，因為在轉子外側，不會產生磁阻轉矩，轉矩會有好的形式。圖314 內置式與表貼式結構圖還有其他會對永磁體渦流損耗產生影響的因素。經查閱資料，在其材料的電導率小于5000S/mm時，其產生的渦流損耗會隨著材料的電導率的升高而有所增加，而在電導率大于這個值時，其渦流損耗就會隨著他的增加而減小。另外，還有其他一些因素會對永磁同步電機永磁體內渦流損耗產生影響[25]，例如極弧因數(shù)，定子繞組結構等，這里就不一一列舉，我們可以根據(jù)其產生的因素進而改進其結構而減小永磁體渦流損耗。在電機的結構及材料等方面都在進行改進而較小永磁體內渦流損耗，進而提高高速永磁同步電機的工作性能與效率。相對于內置式，表貼式就是將永磁體放置在轉子表面，這樣會使電感變小，時電流響應變快，因為在轉子外側，不會產生磁阻轉矩，轉矩會有好的形式。所以從永磁體渦流損耗的角度出發(fā)，在使用內置式轉子結構時會適當?shù)臏p少一些永磁體渦流損耗，但是針對不同的工作需求還需進行不同的選擇。由于研究水平有限，可能上文提到的一些減小永磁體渦流損耗的措施會有不足之處，希望在以后的研究中進一步鞏固和提高這些研究的內容。JaeDo Park等人在2008年研究了關于在給永磁同步電機供電時采用LC濾波器而減少供電源中的諧波含量，進而減少轉自體內渦流損耗[32]。所以研究有關永磁體渦流損耗就顯得尤為重要。（3）空載狀態(tài)下分析之后，仍然在此轉子結構的永磁同步電機的定子繞組中分別通入正弦波與變頻器電流源。由此可見發(fā)現(xiàn)由于變頻器中含有較多的諧波，所以這些電流諧波導致氣隙磁導分布不均，產生較大的波動，導致永磁體內磁場不穩(wěn)定，發(fā)熱嚴重，損耗就會增加。分別對比與內置式的永磁電機，在空載和負載情況下，表貼式的永磁體渦流損耗都會遠大于內置式的渦流損耗。在這兩種情況下，分別對這種內置式永磁同步電機進行求取永磁體渦流損耗。（7）針對永磁體渦流損耗，本文提出了幾條減小其損耗的有效措施。在為期3個多月的畢業(yè)設計過程中，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析問題的能力、合作精神、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L等方方面面都有很大的進步。 在這里還要感謝佟文明佟老師及各位研究生學長在我設計過程中給與我的大力幫助，幫我熟悉Ansoft軟件的使用，并在我遇到困惑時及時的提醒我和糾正我