【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(nèi)容 5 本課題研究的意義 5 本課題研究的內(nèi)容 5第2章 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)的瞬態(tài)場(chǎng)及其分析方法 7 電機(jī)電磁場(chǎng)的基本理論依據(jù) 7 電機(jī)電磁場(chǎng)的數(shù)理基礎(chǔ) 7 邊界條件的類型及處理方法 8 二維瞬態(tài)場(chǎng)分析的特點(diǎn)及其數(shù)學(xué)模型的建立 9 高速永磁同步電機(jī)永磁體內(nèi)瞬態(tài)場(chǎng)的求解 12 求解電機(jī)電磁場(chǎng)問題的數(shù)學(xué)方法 12 分析渦流場(chǎng)的具體方法 14第3章 高速永磁同步電機(jī)永磁體內(nèi)渦流損耗的計(jì)算分析 15 永磁體渦流損耗的有限元計(jì)算分析 15 轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體渦流損耗的計(jì)算 16 空載情況下永磁體渦流損耗的計(jì)算與分析 16 負(fù)載情況下永磁體渦流損耗的計(jì)算與分析 19 不同極槽配合永磁體渦流損耗對(duì)比分析 21 本章小結(jié) 23第4章 分析永磁體渦流損耗對(duì)永磁電機(jī)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(jié) 29參考文獻(xiàn) 31致 謝 34第1章 緒論永磁電機(jī)具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今世界能源短缺的情況下，備受國內(nèi)外專家學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注，是電機(jī)行業(yè)發(fā)展中的熱點(diǎn)話題，其應(yīng)用領(lǐng)域也正在不斷地?cái)U(kuò)展。因?yàn)閮?nèi)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(jī)特性硬，閉環(huán)響應(yīng)速度快，主軸吃刀帶載幾乎不調(diào)速，對(duì)磨削效率和質(zhì)量都有非常明顯的促進(jìn)。稀土磁鋼和高性能驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用則導(dǎo)致永磁同步電主軸的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于異步電主軸。在2006年HanWook Cho等人對(duì)于高速永磁電機(jī)中轉(zhuǎn)子永磁體的保護(hù)套的材料上進(jìn)行不同材料的實(shí)驗(yàn)分析，以減小永磁體渦流損耗[2]。東南大學(xué)余莉等人研制出額定功率為600kW，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min的高速永磁同步電機(jī)，并對(duì)高速電機(jī)的鐵心溫升和損耗進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)比結(jié)果表明，阻尼條非均勻排列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以顯著的減小空載氣隙磁密波形中的諧波含量，負(fù)載時(shí)電機(jī)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(jī)單機(jī)容量不斷增大,近些年來永磁體產(chǎn)生的渦流損耗也引起了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。事實(shí)上，磁路飽和的程度會(huì)對(duì)永磁體內(nèi)渦流分布產(chǎn)生較大的影響，定子開槽會(huì)引起氣隙磁導(dǎo)不均勻從而導(dǎo)致永磁體渦流損耗，并且定子的極槽配合會(huì)導(dǎo)致時(shí)間與空間諧波的含量發(fā)生一定變化，進(jìn)而對(duì)渦流損耗產(chǎn)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(duì)永磁體磁性的影響， 應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)一臺(tái)發(fā)生退磁的永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體進(jìn)行渦流損耗分析。而與此同時(shí)，研究其各方面的性能就是尤為重要的任務(wù)，由于其高速運(yùn)轉(zhuǎn)，體積小，功率密度高，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的損耗自然也會(huì)很大，單位體積產(chǎn)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(jī)的性能和電機(jī)內(nèi)部損耗是密切相關(guān)的。希望通過對(duì)本課題的研究，能夠進(jìn)一步了解永磁體渦流損耗相關(guān)的知識(shí)，對(duì)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(jī)的性能，使其更加穩(wěn)定高效地工作，更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。本課題擬采用商用有限元軟件對(duì)高速電主軸永磁電機(jī)永磁體的渦流損耗進(jìn)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(jī)對(duì)計(jì)算的精確度要求更高，有些問題必須從電磁場(chǎng)的基本理論入手才可以。為了研究在電磁場(chǎng)中任一點(diǎn)上各個(gè)量的關(guān)系，必須應(yīng)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(gè)矢量方程組中含有不同的場(chǎng)矢量，從而需要聯(lián)立著幾個(gè)方程組進(jìn)行求解，因此在求解計(jì)算中將會(huì)含有過多的未知量，代數(shù)方程組后計(jì)算量會(huì)很龐大的狀況。二者可以完成在不同的需求下對(duì)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的計(jì)算。不同媒質(zhì)分界面上的邊界條件的確定：在渦流場(chǎng)中，場(chǎng)矢量在不同媒質(zhì)分界面上與恒定電流場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)所滿足的邊界條件在形式上相同。實(shí)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(chǎng)，似穩(wěn)電磁場(chǎng)內(nèi)是主要研究頻率較低、滿足似穩(wěn)條件的問題。從另一個(gè)角度講，就是在研究分析似穩(wěn)電磁場(chǎng)問題時(shí)，只是考慮磁場(chǎng)變化時(shí)所產(chǎn)生的電場(chǎng)，而不考慮電場(chǎng)變化時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。本文在求解電機(jī)永磁體內(nèi)的渦流場(chǎng)時(shí)需要引入以下幾種假設(shè)：不計(jì)及位移電流密度在磁場(chǎng)中的影響；磁滯效應(yīng)帶來的影響由于很弱可以忽略不計(jì)；我們所分析的磁場(chǎng)均看作為線性區(qū)域，忽略非線性的存在?？梢员硎境申P(guān)于標(biāo)量電位函數(shù)的梯度，因此可推出 (216)在二維場(chǎng)中，由于沿著z軸方向是不會(huì)有變化的，所以，標(biāo)量磁位便可以消去。本文所研究的永磁電機(jī)磁場(chǎng)分布是按規(guī)律沿電機(jī)圓周方向呈周期性變化，取一個(gè)極的范圍作為計(jì)算區(qū)域，在同時(shí)考慮了定、轉(zhuǎn)子之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可采用氣隙變動(dòng)面法的有限元剖分技術(shù)來進(jìn)行分析，此時(shí)，二維電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)的邊值問題經(jīng)過解答后可表述如下： (223) (224)綜上所述，二維渦流場(chǎng)分析的特點(diǎn)是：（1）只含兩個(gè)分量，和只存在一個(gè)分量。在具體的求解中，求解電機(jī)電磁場(chǎng)問題時(shí)可以使用求解偏微分方程的各種數(shù)學(xué)方法，在數(shù)學(xué)問題上求解的具體方法很多，大致得到應(yīng)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(duì)電機(jī)中的穩(wěn)定磁場(chǎng)問題進(jìn)行近似求解。（3）模擬法模擬法是用某種裝置來對(duì)問題進(jìn)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(cè)試裝置的，所以它進(jìn)行的求解會(huì)有較高的精度。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，相對(duì)于其他算法，它的應(yīng)用范圍更廣泛，并且還可以達(dá)到所要求的精確度。邊界元法是根據(jù)電場(chǎng)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(xué)的方法進(jìn)行數(shù)值求解。在電磁場(chǎng)問題求解中常用的數(shù)值計(jì)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(yīng)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(jī)永磁體內(nèi)渦流損耗的計(jì)算分析 永磁體渦流損耗的有限元計(jì)算分析永磁體渦流損耗采用有限元軟件[15]計(jì)算，利用二維建模求解則引入以下假設(shè)：不計(jì)電機(jī)的端部效應(yīng)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(dǎo)率和磁導(dǎo)率。表31 永磁同步電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù)　　　 　 數(shù) 據(jù)額定功率/kW 15額定轉(zhuǎn)速/(r/min) 30000電機(jī)相數(shù) 3電機(jī)極對(duì)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(dǎo)率 690000 S/m矯頑力 kA/m相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率 轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體渦流損耗的計(jì)算永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子基波磁勢(shì)是同步旋轉(zhuǎn)的，因此通常忽略轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體渦流損耗[18]。高速永磁同步電機(jī)諧波頻率一般都較高，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦流損耗也較大，因此轉(zhuǎn)子渦流損耗的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于保證電機(jī)性能和可靠性工作都顯得尤為重要。永磁體瞬時(shí)渦流損耗為 （32）其中，為渦流切面面積，為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度。如圖31與32所示分別為內(nèi)置式與表貼式兩種永磁體結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子模型結(jié)構(gòu)。如圖33與圖34所示。 負(fù)載情況下永磁體渦流損耗的計(jì)算與分析上面已經(jīng)計(jì)算出空載狀態(tài)下永磁體渦流損耗，這里首先對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)分別進(jìn)行正弦波供電與變頻器供電。在通入正弦波時(shí)，而在變頻器供電時(shí)其損耗相對(duì)浮動(dòng)較大，平均值在1W左右，但是浮動(dòng)較大，最大時(shí)會(huì)達(dá)到5W。下圖為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖圖37 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖得到內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的兩種波形后，再對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)進(jìn)行正弦波供電與變頻器供電，得到其損耗波形，對(duì)比一下兩者不同之處。 不同極槽配合永磁體渦流損耗對(duì)比分析針對(duì)永磁體渦流損耗，永磁同步電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響，我們將在對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)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(jié)本章主要研究了不同情況下永磁同步電機(jī)永磁體渦流損耗的大小。（2）對(duì)于不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，本文分別使用了內(nèi)置式與表貼式兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比仿真，表貼式的永磁體渦流損耗相對(duì)大很多。對(duì)于高速永磁同步電機(jī)，其永磁體渦流損耗的大小與許多因素有關(guān)，本文主要研究的是永磁體內(nèi)置式與表貼式，空載情況與負(fù)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(chǎn)生的渦流損耗的大小分布情況。如果只是在進(jìn)行正弦波供電時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)的渦流損耗主要是由于定子槽型結(jié)構(gòu)所決定的，其渦流密度較小，當(dāng)然產(chǎn)生的渦流損耗也比較小。相對(duì)于內(nèi)置式，表貼式就是將永磁體放置在轉(zhuǎn)子表面，這樣會(huì)使電感變小，時(shí)電流響應(yīng)變快，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子外側(cè)，不會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩會(huì)有好的形式。圖314 內(nèi)置式與表貼式結(jié)構(gòu)圖還有其他會(huì)對(duì)永磁體渦流損耗產(chǎn)生影響的因素。經(jīng)查閱資料，在其材料的電導(dǎo)率小于5000S/mm時(shí)，其產(chǎn)生的渦流損耗會(huì)隨著材料的電導(dǎo)率的升高而有所增加，而在電導(dǎo)率大于這個(gè)值時(shí)，其渦流損耗就會(huì)隨著他的增加而減小。另外，還有其他一些因素會(huì)對(duì)永磁同步電機(jī)永磁體內(nèi)渦流損耗產(chǎn)生影響[25]，例如極弧因數(shù)，定子繞組結(jié)構(gòu)等，這里就不一一列舉，我們可以根據(jù)其產(chǎn)生的因素進(jìn)而改進(jìn)其結(jié)構(gòu)而減小永磁體渦流損耗。在電機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料等方面都在進(jìn)行改進(jìn)而較小永磁體內(nèi)渦流損耗，進(jìn)而提高高速永磁同步電機(jī)的工作性能與效率。相對(duì)于內(nèi)置式，表貼式就是將永磁體放置在轉(zhuǎn)子表面，這樣會(huì)使電感變小，時(shí)電流響應(yīng)變快，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子外側(cè)，不會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩會(huì)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(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)適當(dāng)?shù)臏p少一些永磁體渦流損耗，但是針對(duì)不同的工作需求還需進(jìn)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(huì)有不足之處，希望在以后的研究中進(jìn)一步鞏固和提高這些研究的內(nèi)容。JaeDo Park等人在2008年研究了關(guān)于在給永磁同步電機(jī)供電時(shí)采用LC濾波器而減少供電源中的諧波含量，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)自體內(nèi)渦流損耗[32]。所以研究有關(guān)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)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(dǎo)致氣隙磁導(dǎo)分布不均，產(chǎn)生較大的波動(dòng)，導(dǎo)致永磁體內(nèi)磁場(chǎng)不穩(wěn)定，發(fā)熱嚴(yán)重，損耗就會(huì)增加。分別對(duì)比與內(nèi)置式的永磁電機(jī)，在空載和負(fù)載情況下，表貼式的永磁體渦流損耗都會(huì)遠(yuǎn)大于內(nèi)置式的渦流損耗。在這兩種情況下，分別對(duì)這種內(nèi)置式永磁同步電機(jī)進(jìn)行求取永磁體渦流損耗。（7）針對(duì)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(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等方方面面都有很大的進(jìn)步。 在這里還要感謝佟文明佟老師及各位研究生學(xué)長(zhǎng)在我設(shè)計(jì)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(shí)及時(shí)的提醒我和糾正我