毕业设计（论文）-基于Visual_Basic的永磁同步电机电磁设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题目： 基于 Visual Basic 的永磁同步电机电磁设计 院系： 电气信息学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 0705 学号： 200701010505 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2011 年 06 月 12 日 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计 （论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获 得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、 可信。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕毕业业 设设计计（ 论论文文 ）任任务务书书 题目： 基于 Visual Basic 的永磁同步电动机电磁设计 姓名贺攀峰系电气系专业电气工程班级0705学号05 指导老师林友杰职称讲师/博士教研室主任谢卫才 一、基本任务及要求： 设计内容：掌握计算辅助电机设计的基本原理和方法，掌握用计算机查表、读图常用 方 法和基本算法。利用 Visual Basic 编写永磁同步电动机的电磁核算程序。 主要内容如下： 1、同步步电机设计的内容和步骤； 2、曲线、表格等类型的数据处理； 3、电磁核算计算的 Visual Basic 编程； 4、数据的输入输出设计（用户界面）和特性曲线等的绘制。 设计要求： 1、绘制规范的程序流程图； 2、计算准确（以上海电器科学研究所的手算程序数据进行对比） ； 3、编程规范（程序要添加必要的注释说明内容） 、易维护。 4、人机界面（用户界面）友好； 二、进度安排及完成时间： 1、2 月 16 日2 月 22 日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案； 2、2 月 23 日2 月 29 日：毕业实习、撰写实习报告； 3、2 月 29 日4 月 5 日：毕业设计； 4、4 月 5 日5 月 29 日：撰写毕业设计论文； 5、6 月 3 日6 月 11 日：指导老师评阅、电子文档上传 FTP； 6、6 月 11 日6 月 14 日：毕业设计答辩； 7、6 月 14 日6 月 16 日：毕业设计成绩评定； 8、6 月 16 日6 月 18 日：毕业设计资料归档； 目录 摘 要.I ABSTRACT .II 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 电机的计算机辅助设计的发展概况.1 1.2 计算机辅助设计的一般过程.2 1.2.1、建立数学模型.2 1.2.2、设计框图.2 1.2.3、编制程序.2 1.2.4、程序的检验与运行.3 1.3 图表、曲线的数学处理.3 1.3、VB 语言的特性 .4 第第 2 章章 永磁同步电机的介绍永磁同步电机的介绍.6 2.1、同步电机的发展和应用.6 2.2、永磁同步电动机的运行控制方法.7 2.3、 永磁同步电动机与其他电机的对比 .8 2.4、 永磁同步电动机的应用前景 .9 第第 3 章章 电机设计电机设计.10 3.1 电机制造工业的近况与发展趋势.10 3.2 电磁设计概述.11 3.2.1 电机的主要性能指标和额定数据.11 3.2.2 主要尺寸与气隙的确定.12 3.2.3 定子绕组与铁心的设计.14 3.24 转子的设计.18 第第 4 章章 永磁同步电机的电磁计算永磁同步电机的电磁计算.21 4.1 数据及主要技术要求.21 4.2 主要尺寸.21 4.3 永磁体计算.22 4.4 磁路计算.23 4.5 参数计算.25 4.6 工作性能计算.28 第第 5 章章 基于基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计程序的永磁同步电机的电磁设计程序.32 5.1 程序的主要流程图 .32 5.2 程序的组成模块 .32 5.2.1、输入数据窗体.32 5.2.2、输出数据窗体.33 5.2.3、电磁计算模块.34 结结 束束 语语.40 参参 考考 文文 献献.41 致致 谢谢.43 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 I 基于 Visual Basic 的永磁同步电机电磁设计 摘摘 要要：近年来，电机的计算机辅助设计在电机设计上的应用发挥着越来越大的作用， 它替代了以往繁琐的手工计算，使设计分析水平大大提高。VB 编程计算电磁就是其中 非常常见的一种。 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。VB 是现在用在电 磁计算上非常常见的计算机软件。本文是基于 VB 的电磁计算，先手算一次电磁，在用 VB 编程计算电磁，通过建立输入数据，输出数据模块和电磁计算模块来实现。利用其 强大的图形界面和简单的语法使电机的结构设计与电磁计算更加简单 关关 键键 词：词：永磁同步电机；电磁设计；VB；电机的计算机辅助设 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 II Visual Basic-based Electromagnetic Design of permanent magnet synchronous motor Abstract: In recent years, electrical computer-aided design applications in the motor design is playing an increasingly larger role, it replaces the previously tedious manual calculations, the design and analysis has greatly improved. VB Programming Computational Electromagnetics is one of a very common one. Permanent magnet synchronous motor simple structure, small size, light weight, low loss, high efficiency. VB is now used in electromagnetic computation is very common computer software. This is calculated based on the electromagnetic VB, just get a solenoid operator in computational electromagnetics using VB programming, through the establishment of input data, output data module and the electromagnetic calculation module to achieve. Using its powerful graphical interface and simple syntax is the structure of the motor design and electromagnetic calculations are more simple. Keywords: permanent magnet synchronous motor; electromagnetic design; VB; electrical computer-aided design 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 1 第 1 章 绪论 1.1 电机的计算机辅助设计的发展概况 随着近代科学技术的飞速发展，人们已不能容忍那些耗费大量时间的简单复杂的 手工演算，也不愿再接受那些基于经验或半经验的公式。人们希望设计的电机建立在 更加完善的理论基础上，精确度更加高，得出的数据更加完整，设计的电机性能达到 最佳；还希望在设计阶段就能预测出电机的全部性能和参数，以缩短产品的试制周期， 减少试制投资，这些要求只有在计算机高度发展的今天才能得以实现。 早在 50 年代，即有人开始在电机设计领域中应用电子计算机。从那时开始，计算 机在电机设计领域中的应用经历了从简单到复杂的三个阶段，这就是“设计分析”阶 段、 “设计综合”阶段和“设计优化” 。 “设计分析”程序是按设计人员事先估计好的若干设计参量，依一定程序步骤来 计算产品的性能，相当于通常的设计核算。计算机仅用来对设计方案进行分析，而对 计算结果的评价以及设计方案的调整仍需由设计者决定。单设计分析程序仍是十分重 要的，它是设计综合和设计优化的基础。 “设计综合”程序是根据已知的性能要求，决定电机各设计参量的程序。它与 “设计分析”的区别主要是：它可在规定的产品性能和技术条件下，自动选择适当的 技术参数和结构尺寸，从而得出可行的设计方案。 “设计优化”程序是对设计问题提出明确的数学模型，然后依据现代数学的寻优 理论应采用优化方法，自动得到较优或最优方案的程序。 国外电机的计算机辅助设计始于 50 年代初，到 60 年代有些国家已较普遍地在电 机设计中采用计算机辅助设计，同时，随着有话数学方法的发展，在计算机辅助电机 设计中也开始了优化设计的尝试。从 60 年代至今，人们利用各种优化数学方法，如梯 度法、随机搜索法、各种罚函数法及其他数学规划方法等，对感应电动机、同步电机、 变压器及微特电机等进行研究，获得了许多成果，不断推动着电机优化设计的发展。 从 70 年代开始，国外已有不少优化设计程序应用于生产。 国内的电机计算机辅助设计始于 60 年代，当时只有个别单位编制了电机设计“设 计分析”和“设计综合” ，而“设计优化”的工作，则是从 70 年代后期开始的。在过 去的十几年中，国内在将优化方法应用于电机新系列产品设计方面取得了一定的进展， 但是多数工厂仍采用“设计分析”程序，依靠人工修改输入参数和凭经验选择较优方 案。 “设计优化”程序还仅仅在一些高等院校和研究单位有所使用，与国外的计算机辅 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 2 助电机设计的自动化程度相比，我们还有不少差距。 目前，随着计算机和计算技术的不断发展，电机的计算机辅助设计方面仍有许多 问题需要不断完善和解决。 首先，由于传统的设计方法是以半经验公式为依据的，公式的精度大多与 40 年代 的实验技术及手算工作量相适应。现在用计算机辅助设计，速度快，精度也高，所以 必须进一步科学地研究和分析原有电机的设计方法，改进计算公式，从而对电机设计 任务提出更加严格的、符合实际的科学模型并得出解决设计任务的精确的数学途径。 其次，过去电机设计着重在电磁计算，而对通风计算、热计算、机械计算及振动、 噪音计算等，由于其工作太大，往往只算其中的某些部分，或用经验估算，或不算。 现在用计算机辅助设计，就可以扩大计算范围，可以对电机设计的其他各部分进行计 算，并进行整体优化。但目前电机优化设计往往只能找到局部而不是全局的最优解状 况，应尽快寻找到使用的全局最优化算法。因此，必须进一步完善优化设计方法，对 电机提出更加完善的优化设计数学模型及更有效的优化算法。 1.2 计算机辅助设计的一般过程 计算机辅助设计一般按以下几个过程进行。 1.2.1、建立数学模型 在确定了设计任务、准备了原始资料以及必要的数据之后，首先必须建立设计计 算的数学模型。所谓的数学模型，就是对实际问题经过分析、试验之后，表示各参数 之间关系的一系列数学表达式。我们知道，凡是要由计算机来完成的工作，都必须将 起规划并归结为数学运算的方式。因此，数学模型的建立对计算机辅助设计来说是必 需的。同事，数学模型的正确与否及误差都将给设计结果的精确带来决定的影响。有 些数学模型尤其是精确的数学模型的建立，并非是一件容易的事，需要花费较多的时 间不断地探索和总结。 1.2.2、设计框图 框图的设计是设计人员用计算机所能接受的方式表达的设计逻辑思想。框图表达 了设计人员的设计思路和方法，他可以清晰地表示与演员程序的结构、层次及重要的 细节。框图是编制语言程序的依据，而且对于阅读、调整和修正源程序也是很有帮助 的。 1.2.3、编制程序 在编制电机设计的计算机程序时，应该注意以下几个方面： 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 3 首先，在编制电机设计的计算机程序时，最突出和最麻烦的问题是图标和曲线的 处理。对于处理图表曲线的程序段和一些重复计算的程序段，可将其编成一子程序， 或循环语句，使程序简洁、紧凑，层次分明，也便于编译。分程序的起始部分，可协 商注视语句。关键段落，可安置适当标号，以便于程序的检查。对于大量的输入、输 出数据，要精心合理安排。 其次，对于导线线规的优选和槽型的优化，要注意设计逻辑，避免出现难于收敛 的不理想情况；对于要迭代计算的各系数，要慎重给定初始数据和调整方法，做到给 值合理，有利收敛。 此外，要质疑电磁计算程序与绘图程序的衔接问题，其中有些标识符要尽可能统 一，以便于绘图程序从电磁计算程序中读入有关数据。 1.2.4、程序的检验与运行 当程序编制完毕后，即可通过输入设备将其送入计算机内进行编译。此时，计算 机上的编译程序对送进去的源程序进行各种语法规则的检查。对于编译过程中计算机 所揭示的每一个错误信息，只有冷静地分析，认真仔细地对待，才能较快地使其程序 顺利地通过编译。编译过程中，又是前面某一句语法错误会引起后面一大串错误来， 只是只要把前面一句改正就行了。此外输入数据格式也是易出错的部分，编程时要注 意。程序编译通过后，说明该程序在语法上已没有问题了，这样程序可以运行，但不 一定能正确地运行，因为程序中的公式本身是否有错？执行路线对否？输入数据对否 等都没有检查过。所以必须根据手算或别人一算出正确结果的一套原始数据输入计算 机进行试算运行，然后对本程序的输出结果与正确结果进行比较，当两个结果完全一 致后，才能认为程序运行正确，计算结果可靠。如果是一个多功能程序，则必须对各 项功能逐一进行试算，知道符合为止。 当一个程序运行后，可能会发现一些地方要作进一步的改善。例如，考虑到某种 运算方法比原始程序中的运算方法更好，或者由于事先估计不足，而出现一些以外的 情况，如原来准备的数组不够用、超界了等等。这样，就要对源程序某些部分重新进 行修改。修改程序时，要从整体考虑，注意前后联系，否则越改越乱，造成的编译、 运行错误更多，而且通常运行出错要比编译出错更难查到根源。 1.3 图表、曲线的数学处理 电机设计中用到的一些图表和曲线主要用两种方法处理。一种是插值法，一种是 公式法。而在电机设计中要用到很多类型的曲线，本设计主要采用函数插值法来处理。 其处理途径如下： 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 4 函数插值法的基本思想是构造一个函数 p(x)来近似表达列表函数 f(x)，然后，对 应于所求的 1 x 点上的函授值，就由计算 )( i xp 来得到 )( i xf 在这点上的近似值。 常用的插值法有两种，即线性插值与抛物线插值，抛物线插值精确度较高。 线性插值是给定 n+1 个插值结点 n xxx 10 及其对应的函数值 n yyy 10 ，则 计算 x 点处的函数值 y(x)的线性插值公式如下： 1 1 - ( )(-) - i iii ii xx y xyyy xx + + =+ 所谓抛物插值，是拿三个已知函数点来构造函数关系，将整条曲线分段用直线代替。 段数分得越多，即插值点数选得越多，精度越高。 1.3、VB 语言的特性 VB 的中心思想就是要便于程序员使用，无论是新手或者专家。VB 使用了可以简单建立应用 程序的 GUI 系统，但是又可以开发相当复杂的程序。VB 的程序是一种基于窗体的可视化组件安排 的联合，并且增加代码来指定组件的属性和方法。因为默认的属性和方法已经有一部分定义在了组 件内，所以程序员不用写多少代码就可以完成一个简单的程序。过去的版本里面 VB 程序的性能问 题一直被放在了桌面上，但是随着计算机速度的飞速增加，关于性能的争论已经越来越少。 窗体控件的增加和改变可以用拖放技术实现。一个排列满控件的工具箱用来显示 可用控件（比如文本框或者按钮)。每个控件都有自己的属性和事件。默认的属性值会 在控件创建的时候提供，但是程序员也可以进行更改。很多的属性值可以在运行时候 随着用户的动作和修改进行改动，这样就形成了一个动态的程序。举个例子来说：窗 体的大小改变事件中加入了可以改变控件位置的代码，在运行时候每当用户更改窗口 大小，控件也会随之改变位置。在文本框中的文字改变事件中加入相应的代码，程序 就能够在文字输入的时候自动翻译或者阻止某些字符的输入。 VB 的程序可以包含一个或多个窗体，或者是一个主窗体和多个子窗体，类似于操 作系统的样子。有很少功能的对话框窗口（比如没有最大化和最小化按钮的窗体）可 以用来提供弹出功能。 VB 的组件既可以拥有用户界面，也可以没有。这样一来服务器端程序就可以处理 增加的模块。 VB 使用参数计算的方法来进行垃圾收集，这个方法中包含有大量的对象，提供基 本的面向对象支持。因为越来越多组建的出现，程序员可以选用自己需要的扩展库。 和有些语言不一样，VB 对大小写不敏感，但是能自动转换关键词到标准的大小写状态， 以及强制使得符号表入口的实体的变量名称遵循书写规则。默认情况下字符串的比较 是对大小写敏感的，但是可以关闭这个功能。 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 6 VB 使得大量的外界控件有了自己的生存空间。大量的第三方控件针对 VB 提供。VB 也提供了建立、使用和重用这些控件的方法，但是由于语言问题，从一个应用程序创 建另外一个并不简单。 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 7 第 2 章 永磁同步电机的介绍 2.1、同步电机的发展和应用 过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网 电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道 变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在 70 年代以前，变频电源是可想而 不可 得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。 在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电 网功率因数。 自 70 年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的 原因有： （1）高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永 磁体又有第一代钐钴 1：5，第二代钐钴 2：17 和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年 代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力 低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机 中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低 廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在 六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐 稀土材料价格较高。80 年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度， 高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大， 居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多 已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达 180，一般也可达 150，已足 以满足绝大多数电机的使用要求。表 3-1 是各种永磁材料性能比较。 表 3-1 各种永磁材料的性能比较 永磁材料 剩磁 (T) 矫顽力 (KA/m) 内禀矫顽 力 （kA/m） 最大磁能 积 （KJ/m3） 剩磁可逆温 度系数(%C) 居里温 度 () 中等水平钕铁硼1.26967955310-0.12350 较高水平的钐钴1.00746766210-0.03850 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 8 最高水平铝镍钴1.0812080085-0.02850 最高水平的铁氧 体 0.4130032532-0.18450 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永 磁体取代传统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除 了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积； 省去了激磁直流电源，消 除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 （2） 、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。 半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美， 它极大地推动了各类电机的控制。70 年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电 源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变 频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此 上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对 最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统 的必不可少的功率环节。 （3） 、规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制 70 年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电 机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交 流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。 这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用 了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等 提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。近年来各种集成化的数字信号处理 器（DSP）发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机 控制的高性能、低价位的 DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术 起到了重要的推动作用。 2.2、永磁同步电动机的运行控制方法 永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电源向永磁同 步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即为外同步式永磁同 步电动机运行。外同步运行常用于开环控制，由于转速与频率的严格关系，此运行方 式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。例如，纺织行业纱锭驱动，传送 带锟道驱动等场合。为此可选用一台较大容量的变频器，同时向多台永磁同步电动机 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 9 供电。 当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电动机 的起动问题。所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁 转子的位置所决定，能自动地维持与转子磁场有 900 的空间夹角，以产生最大的电机 转矩。旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定。用此种方式运行的永磁同 步电动机除仍需逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器，逆变器的 开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全由转子位置检测装置给 出的信号来控制。这种定子旋转磁场由定子位置来决定的运行方式即自同步的永磁同 步电动机运行方式，这是从 60 年代后期发展起来的新方式。自同步的永磁同步电动机 运行方式从原理上分析可知，它具有直流电动机的特性，有稳定的起动转矩，可以自 行起动，并可类似于直流电动机对电机进行闭环控制。自同步的永磁同步电动机已成 为当今永磁同步电动机应用的主要方式。 自同步永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动机和正 弦波电动机二类。方波电动机绕组中的电流式方波形电流，分析其工作原理可知，它 与有刷直流电动机工作原理完全相同。不同处在于它用电子开关电路和转子位置传感 器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，从而实现了直流电动机的无刷化，同时保 持了直流电动机的良好控制特性，故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机。 这是当前使用最广泛的，很有前途的一种自同步永磁同步电动机。 正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流 电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定。转子位置检测通常使用光电编码器， 可精确地获得瞬间转子位置信息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器（DSP）作 为控制器的核心单元。因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控 制系统为好，故主要用于现代高精度的交流伺服控制系统中。 2.3、 永磁同步电动机与其他电机的对比 现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步 电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表 3-2。 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 10 表 3-2. 三大类电动机的综合特性比较表 机械 特性 过载 能力 可控 性 平稳 性 噪 声 电磁 干 扰 维修 性 寿 命 体 积 效 率 成 本 交流异步 电动机 软小难较差 较 大 小易长大低低 有刷直流 电动机 软大易较好大严重难短 较 小 高 较 高 永磁同步 电动（包 括无刷直 流电机） 硬大易好小小易长小高 较 高 2.4、 永磁同步电动机的应用前景 由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完 善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的哟观念慈同步电动机大大扩展。可 以毫不夸张地说，永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱 动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景 会越来越明显。 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 11 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 12 第 3 章 电机设计 3.1 电机制造工业的近况与发展趋势 一、单机容量增加 从制造角度看，功率大，材料越省，效率高，电机材料选用率提高； 从运行角度看，功率大，机组数目少，运行人员少，维修费用减小。 二、向多品种发展 我国中小型电机系列有 72 个系列，531 个品种 J、 JO 第一次统一设计 基本系列：异步电机 J2、JO2 第二次统一设计 Y、 YO 第三次统一设计（性能好，效率高，噪声小） JS2 笼型 JR2 绕线型 T2 同步电机 Z3 直流电机 三、积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺 应用电子计算机计算 异步电机单绕组多速和 Y-混合绕组 新技术 直流机的可控硅供电、无槽电枢 双水内冷却技术、直线电机 绝缘材料：主要采用 E、B 级，向 B、F 级过渡 玻璃粉支母 无溶剂浸漆 聚酰亚 新材料 DMD 复合绝缘 玻璃钢 电工材料：向冷轧方面发展 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 13 自动化：自动下线、端部开槽 半自动化：总装自动线 新工艺 静电喷漆 中型电机转子导条环氧粉末涂敷 机座射压造型 3.2 电磁设计概述 以异步电机为例，电机电磁设计的内容如下： 主要内容： 主要尺寸与气隙的确定； 定转子绕组与冲片设计； 工作性能的计算； 起动性能的计算； 深槽式、双笼转子感应电机的设计特点。 3.2.1 电机的主要性能指标和额定数据 （一） 主要性能指标 效率 起动电流倍数 N st I I 功率因数 绕组、铁心温升cos Fecu , 最大转矩倍数 起动过程中最小转矩 N M T T min T 起动转矩倍数 N st T T （二）额定数据 额定功率 N P 额定电压 N U 额定频率 N f 额定转速 N n 基值： 电压： N U 功率： N P 电流： N N KW Um P I 1 阻抗： N N KW N KW P Um I U Z 2 1 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 14 转矩： N N N n P T9550 3.2.2 主要尺寸与气隙的确定 一、主要尺寸和计算功率 n P C n P AB KK lD A dpNmp ef 11 . 6 2 计算功率： 111 IEmP 额定功率： cos 11 IUmP NN N N P U E P cos 1 1 由前推导（相量图）： 引入电势系数0),( 1 N UE L LQP N E XIRI U E K 1)(1 * 1 * 1 * 1 * 1 1 NL PP cos 1 )1 ( 设计方法：已知，未知，需先假定一个值。cos, * 1 * 1, XR)1 ( L 预估，完成磁路参数计算后，偏差95 . 0 85 . 0 )1 ( L %5 . 0)1 ()1 ( LL 经验公式估算：)1 ( L 2 极小型： NL Pln0866 . 0 92 . 0 1 非 2 极小型： pPN L 013 . 0 ln0108 . 0 931 . 0 1 中型： pPN L 01 . 0 ln0109 . 0 892 . 0 1 二、电磁负荷的选择 磁化电流： 111 0 9 . 0 2 dp m KNm pF I 每极磁势主要用来克服，决定于， 0 F F m I B A B I I KW m cos, * m IAB B A U XI X N KW * 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 15 stst ITTXAB, max * 选取方法： 中小型： TBmAA)8 . 05 . 0(/)10501015( 33 大 型： 可略高 BA, 三、主要尺寸比的选择 对于一定的极数，定子铁心外径与内径存在一定比例 1 D 1 i D 变动范围在5%左右。 1 1 i D D 四、主要尺寸的确定 2 1 1 (1) cos , LN ief PP D l A B n 参考资料 选择 V n P AB KK lD dpNmp efi 11 . 6 2 1 KNm 气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；11 . 1 Nm K ； 双层 单层 定子基波绕组系数 92 . 0 96 . 0 1dp K 计算极弧系数； p 饱和 正弦不饱和 )71 . 0 66 . 0 ( 637 . 0 2 B B av p p D l i ef 2 1 VD p DlD iiefi 3 1 3 1 2 1 2 所以 3 1 2 pV Di 初步计算 2 1 11 1 1 3 1 310 2 i efi i i D V lDD D DpV D按标准外径调整达式参考表 五、空气隙的确定 （一）影响：；cos m I 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 16 。温升损耗影响机械可靠性过小, max TTX st （二）气隙基本上决定于定子内径、轴直径、轴承间的转子长度。 （三）经验公式： 小功率电机：铁心长度:10)74 . 0(3.0 3 1tti lmlD 大、中型电机： m p Di 3 1 10) 2 9 1 ( 3.2.3 定子绕组与铁心的设计 一、定子槽数的选择 pm Z q 2 1 1 1、值大小对电机的参数、附加损耗、温升、绝缘材料耗量等有影响 1 q 定子谐波磁场减小， ad p X 每槽导体数减少， s s s s X b h ZX, 1 槽中线圈边总散热面积，利于散热 绝缘材料用量、工时，槽利用率 2、 一般感应电动机： =（26） 取整数 1 q 极数少，功率大电机：取大些 （2 极取=（69） ） 1 q 1 q 极数多电机： 取小些 1 q 二、定子绕组型式和节距的选择 （一）单层绕组 优点： 槽内无层间绝缘，槽利用率高； 同槽内导线同相，不会发生相间击穿； 线圈总数比双层少一半，嵌线方便。 缺点： 不易做成短距，磁势波形较双层为差； 电机导线粗时，绕组嵌放和端部整形较困难。 同心式绕组： 嵌线容易，易实现机械化， =4，6，8 二极电机； 1 q 端部用铜多，一极相组中各线圈尺寸不同，制作复杂； 1 q 大 基于 VB 的永磁同步电机的电磁设计 17 链式绕组： 各线圈大小相同，嵌线困难，=2 的 4，6，8 极电机； 1 q 交叉式绕组： 可以节省端部接线， 为奇数电机。 1 q （二）双层绕组 适用于功率较大的感应电动机 优点： 可选择有利的节距以改善磁势、电势波形，使电机电气性能好； 端部排列方便； 线圈尺寸相同，便于制造。 缺点：绝缘材料多，嵌线麻烦 （三）单双层绕组和 Y-混合绕组 1、单双层绕