（控制理论与控制工程专业论文）永磁直流电动机cad.pdf

攘要 摘要 随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，永磁直流电动机得到了快速的 发展，它们在国防、航空航天、现代科技和日常的各个领域都有广泛的应用。因 此，在电机技术领域内，合理正确地设计永磁直流电动机就成为一个越来越重要 的课题。本文针对永磁直流电动机的设计特点，研究永磁直流电动机c a d 系统的 软件开发。 电机设计是一个需要反复核算的过程，这无疑加大了设计人员的工作量。设 计者不仅要提出各种可能的设计方案，还要进行大量的重复计算工作，以验证方 案的效果。因此，实现电机的计算机辅助设计能大大简化设计过程，设计人员的 主要精力可放在寻找新方法上，其它的计算、校核工作可由计算机自动完成。 本论文通过对电机c a d 设计的理论与方法的研究，提出了面向用户的电机c a d 概念，进行了c a d 的系统设计和实现。论文介绍了永磁直流电动机的应用及其电机 设计技术指标，分析了电机c a d 技术的现状和发展。在深入研究永磁直流电动机特 点的基础上，提出了适合计算机计算的永磁直流电动机的设计方法，完成了永磁 直流电动机传统设计方法的c a d 系统。系统采用b o r l a n d 公司开发的一种面向对象 的编程语言c + + b u i i d e r 6 0 ，基于工程数据库管理，采用模块化结构设计，全面实 现了电机设计的功能。该c a d 系统集电机电磁设计、性能测试、电机设计方案与电 视特性曲线输出为一体，界面友好，操作使用方便，能有效地引导电枫设计人员 进行永磁直流电动机的电磁设计。 本文对永磁直流电动机，c a d 软件的软件规划和软件实现做了详细的介绍，对 软件设计过程中的关键技术，如数据库技术、图形处理技术做了一些探讨。论文 给出了若干永磁直流电动机样机的主要性能指标的设计值和试验值的对比分析， 良好的设计结果验证了c a d 软件的准确实用性，适合予生产厂家对该系列永磁直 流电动机进行电磁设计，具有一定的实用价值。 关键字：永磁直流电动机；计算机辅助设计；电机设计 广东工业大学1 二学硕上学位论文 a bs t r a c t 麟t h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to f p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sa n dp o w e r e l e c t r o a p p a r a t u s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t i cd i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o r s ( p m d c m ) h a v er e c e i v e df a s td e v e l o p m e n t , a n dt h e ya r ew i d e l yu s e di na l lf i e l d s ，s u c ha si n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，n a t i o n a ld e f e n s e ，a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g ，m o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n d d a i l yf i f e 。s oi nt h ef i e l do f m o t o rt e c h n o l o g y , i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt o a c c u r a t e l yd e s i g np m d c m w i t hr e a s o n c o n t r a _ p o s e dp m d c m s p e c u l i a r i t y , i nt h i s p a p e r , t h ep m d c m sc a ds y s t e mh a ss t u d i e d m o t o rd e s i g n i n gi si t e r a t i v ec a l c u l a t i o n , w h i c hi n c r e a s e sd e s i g n e r s t a s kw i t h o u t q u e s t i o n i no r d e r 奄ov a l i d a t ep r o j e c t s ，t h ed e s i g n e r sd o n to n l yp u tf o r w a r d 龋lk i n d so f p o s s i b l ed e s i g np r o j e c t s ，b u ta l s oi t e r a f i v e l yc a l c u l a t em o t o rp a r a m e t e r s oa c t u a l i z i n g m o t o rc a dc a np r e d i g e s tt h ed e s i g np r o c e s s ，a n dm a k et h ed e s i g n e r st a k em u c ht i m et o f i n dm e wc a l c u l a t i o nm e t h o da n do t h e rc a l c u l a t i o nt a s kw i l lb ec o m p l e t e db yt h e c o m p u t e r s 。 b yt h er e s e a r c ho f m o t o rc a dt h e o r ya n dt e c h n i q u e ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r d m o t o rc a d c o n c e p t i o nf o ru s e r sa n di m p l e m e n t sc a ds y s t e m i nt h i st h e s i st h e a p p l i c a t i o no ft h ep m d c m a n de l e c t r i c i t ym o t o rd e s i g n t e c h n i q u ep e r f o r m a n c ei n d e x a l ei n t r o d u c e d t h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cm o t o rc a d t e c h n i q u ei s a n a l y z e d b a s e do i lt h es t u d y i n gt h ep m d c m sp e c u l i a r i t y , t h ec o m p u t e rp r o g r a m m e r i sw o r k e do u t ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec o m p u t e rc a l c u l a t i o n , a n dt h ec a d s y s t e mh a s b e e nd e v e l o p e d ，i nw h i c ht h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o da n dm o d u l a r i z a t i o n d e s i g nt e c h n i q u ea l eu s e d t h ec a ds y s t e mb a s e do nw m d o w so p e r a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e df l l x o u g hc + + b u i l d e r 6 。0l a n g u a g e ，a n dp r o j e c td a t a b a s e - m a n a g i n gi su s e di n t h i ss y s t e m t h ec a ds y s t e mw h i c hi sc o m p r i s e do fe l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n , p e r f o r m a n c et e s t i n g ，m o t o rd e s i g na n dt h ec u r v eo f m o t o r ss p e c i a l t y , i ts h o w sf r i e n d l y i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，a n di tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ef o rm o t o rd e s i g n e r st od o e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n 。 t h ec a ds o f h v a r e ss c h e m ea n dr e a l i z a t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h i st h e s i s , a n ds o m ek e yt e c h n o l o g ya b o u ts o f t w a r ed e s i g ns u c ha sd a t a b a s et e c h n o l o g y , g r a p h d e a l i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d t h i sp a p e r s h o w st h ed e s i g nv a l u ea n de x p e r i m e n tv a l u e o fas a m p l ep m d c ma n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h i sc a d s o f t w a r ei sa c c u r a t ea n dc a n b ea p p l i e dt op m d c me l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nf o rp r o d u c e r sa n di so fc e r t a i n a p p l i c a t i o nt om a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s k e y w o r d s = p e r m a n e n tm a g n e t i cd cm o t o r ：c a d ：e l e c t r i c i t y m o t o rd e s i g n i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本入声臻所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中俸了骧确的说臻，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工渡大学所有。 申请学校论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：训缸 l 护 子 一可 落咖 师 拟 岁 导 年 特 滞 繁一牵缝论 第一章绪论 能源短缺是当今世界上一大严重问题，事关全球的环境与人类的生存。节能 技术被世界公认为绿色技术，故有专家预言，节能技术的研究及相关产品的开发 将成为2 l 世纪电力工业发展的象征和挑战。 目前各国都在积极开展节能技术的研究和应用。电力资源是二次能源，作为 电力消耗的最大对象电机，其效率高低直是世界各图研究与追求的目标。传 统的三楣鼠笼异步电动机曾经是而且现在还是全球应用最广泛的电动机，但由于 其离损耗、低功率因数和低效率的缺点越来越受到严峻的挑战，如美国能源部已 禁止生产高损耗的鼠笼式异步电动机。面对新技术迅猛发展的今天，迫切需要对 我国的电机工业进行改革。为了适应时代发展的需要，许多电机厂、科研所相继 开发了高效率异步电动机，并且纷纷研制高效节能的永磁直流电动机。由此可见， 永磁直流电动机作为一秘高效节能产品在当今已经成为人们的共识，并引起了各 国的广泛关注。 计算机技术的迅猛发展，使c a d ( 计算机辅助设计) 技术形成门新兴的学科。 目前，c a d 技术已成为广大工程技术人员从事产品和各种工程对象的设计、分析及 绘图的有效工具，使产品和工程设计过程实现了自动化。c a d 技术把计算机快速、 准确的特点和设计人员的思维及综合分析能力相结合，减轻了设计入员的劳动， 可加速设计过程，缩短设计周期，提高设计精度，保证产品设计的高质量，适应 了当代工业产品的多晶种和快速更新换代的要求；极大地提高了企业的竞争能力。 计算机辅助电机设计，是以电机设计的数学模型为基础，利用计算机软、硬件的 条件，辅助设计人员进行电机设计，可以大大缩短设计周期、提高设计质量。 1 1 永磁直流电动机 1 1 1 永磁壹流电动机的特点与应用 永磁直流电动机是由永磁体建立励磁磁场的直流电动机。它具有普通电励磁 直流电动机的优点，例如较好的机械特性、线性调节特性、调速范围宽和便于控 广东工业人学工学硕学位论文 制等，与其它电机相比，它还有以下特点： 与交流同步电机相比，流进永磁直流电动机电流频率由电机本身控制，因此 永磁直流电机不会出现“失步努现象。永磁直流电机酶这一特点适用于解决大型 同步电动机的起动问题。只要给需要起动的同步电机配上一套容量约为电动机额 定容量的l o 。2 0 的直流电机驱动装置，在比较小的电流下，可把大型网步电机起 动起来，当同步电机接近同步速度时，切除驱动装置，即可让同步电机并入电网。 与交流异步电动机相比，交流异步电动机虽然具有结构简单、工作可靠、寿 命长、维修方便的优点，但存在起动转矩小、过载能力低、调速性差、效率低等 不足吲。为了解决交流异步电动机的调速阀题，2 0 世纪9 0 年代己大量采焉交流交 频器调速技术，通过改变交流异步电动机的端电压及频率。实现了交流异步电动 机的调速运行，但是这种调速方法的调速范围不大，电机的效率也不太高。 另外，永磁直流电动机还具有体积小、效率高、用铜量少、结构简单和运行 可靠等优点。配上稳速器后还可适用在电源电压和负载变动的情况下要求转速稳 定的场合。瞩而在家用电器、办公机械、电动工具、医疗器械、精密机床、汽车 和计算机外醒设备等方面都褥到了广泛应用1 2 。随着钕铁硼等高性能永磁材料的发 展，永磁直流电动机必将在结构上更加精巧，性能上更加优越，应用更加广泛。 重。1 2 永磁直流电动机的发震现状与研究方向 永磁电机利用永磁体代替电励磁机构，减少了励磁损耗，因此电机的整体效率 得到了提高。但是直到高性能永磁材料的出现，特别是新型稀土材料的出现永磁 电机的应用才得以蓬勃发展。由此可见，在永磁直流电动机的发展过程中，作为 机电一体化的典型产品，它的发展过程在很大程度上依赖予永磁材料、功率电子 器件和专用控制集成电路酶发展。 1 。永磁材料方露f 2 3 】：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l ：5 ，第二代钐钴2 ：1 7 和第三代钕 铁硼。铝镍钻是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽然它具有剩磁感应强度 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，有较高的绣顽力，它的不足就是 2 第一章续论 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。8 0 年代初钕铁硼稀永磁材料的出现，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羯。它们的不足是温度系数大，居里点 低，容易氧化生锈从两需要涂处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多 已经克服，现在钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达1 8 0 ，一般也可达1 5 0 ， 满足绝大多数电机的使用要求。 2 功率电子器件方面f 2 5 】继二十世纪五十年代晶闸管( s c r ) 出现之后，相继出 现了f _ 】极可关断晶闸管( c t o ) ，功率场效应管( m o s f e t ) ，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 和m o s - j 控晶阑管( m c t ) 等，其中i g b t 是夕十年代出现的新兴复合器件。由于i g b t 将m o s f e t 和g t r 的优点集于一身，即具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动 线路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。特别是今年 来出现的功率模块、智能模块( i p m ) 的出现，完全改变了直流电动机驱动器的面貌， 减小了驱动器的体积重量，提高了运行可靠性和改善了可控性，更大大地扩大了 直流电动枫的功率和速度范围。 3 。在专用控制集成电路方面随着微电子技术的发展，各国半导体厂商不断 推如直流电动机专用控制集成电路，解决了电机和电子电路结合问题，也有利于 控制器的小型化和可靠性的提高。特别是随着专用控制集成电路的批量生产，价 格大幅度下降，解决了妨碍直流电动机向民用领域发展的高价格问题，使直流电 机的应用更方便、更容易推广普及。 我满对永磁毫流电动枫的研究趋步较晚，但经过努力，上海微电机研究所研 究、西安微电机研究所、沈阳工业大学、谣北工业大学、哈尔滨工业大学等单位 取得了许多研究成果。当然与国际还有较大的差距，在国外永磁直流电机在如舰 船、潜艇、航空等对电机效率要求高的领域有着重要的应用。据资料显示：美国 g e 公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁直流电动机，德国西门子公司自 五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁直流电动机， 七十年代后期就生产爨了3 0 千瓦的电机。基本明电舍公司在六十年代蜃期就己有 永磁直流电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出高速的永磁直流 电动机。 虽然关于永磁直流电动机的研究国内外己经进行了很多工作，但迄今为止， 广东工业大学t 学硪”t 学位论文 永磁直流电动机在我囡并没有得到全方面的推广，其原因是多方面的，其一是稀 永磁直流电动枧成本比较离，但是随着永磁材料的发展，永磁直流电动枫的成 本望下降趋势，阋时在永磁誊流电动机设计中如何选用适量的永磁体用量已成为 学术界研究分析的重点。 永磁直流电动机的应用反应良好，具有很广阔的市场前爨，己经在航空和航 天等国防工业领域广泛应用。同时，永磁直流电动机在需要转速一定的工业领域 也得到了广泛的应用，其研究可以分成两个方面： 1 。缩构研究方向在满足改进电梳结构，节省原材料、提高起动能力； 2 。优亿设计方翔在满足电橇各颂性能指标的前提下，逶过优化设计， 电机各项指标达到一个合理平德，提高材料剩用率，降低成本。 当然这两个研究方向是相互渗透，相辅相成的，结构研究中溶入优化设计， 优化设计结会了结构研究。 1 。2 永磁童流电动机c a d 技术的研究 1 2 1 电机c a d 技术的现状与发展 c a d 技术起步子2 0 世纪5 0 年代的后期，在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仪仅是 霞版的替代晶，帮意播c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而菲现在我们经常 讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。人们希望借助此项技术 来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘匿。壹到2 0 世纪7 0 年代中期，c a d 技 术终于得到了长足的发展。丽电机c a d 技术是电机设计技术与c a d 技术与计算机技 术的结合，因此，它的发展也包含三方面的内容： 1 电机设计本身的发展 电辊设计本身的发展苞括c a d 技术应用藏匿的扩大苏及各种新算法、新模型的 发现。电枫c a d 技术最早在异步电机和变压器设计上应用，履来才扩大捌同步电概 和一些微特电机。计算程序也由单一的电磁计算扩大到稳态计算、毫磁场分橱计 算及谐波分析计算等等。传统的设计方法多以半经验公式为依据，c a d 的可靠性、 准确性都不是很高，一些新模型、新算法的嬲现使得电视c a d 的设计更为精确。设 计方法也是豳入机交互的分析设计，然后到自动的综合设计以及优化设计，到专 4 第一章缝论 家系统智能设计。 2 c a d 技术的发展 作为c a d 技术应用的一个特例，电机c a d 技术同样经历了由众多单功能c a d 系统，例如磁路计算系统、电路计算系统等等，到基于文件管理的多功能c a d 系统，到基于工程数据库的集成c a d 系统这过程。周时，它的发展方向也与其 它c a d 系统一样，最终走向系统化、可视化、智能化、网络化和标准化。目前炙 手可热的电机设计专家系统、模糊设计以及神经网络在电机c a d 中应用正说明电 机c a d 开始向智能化进军。电机c a d 技术的发展也还包括计算机领域中一些新思想、 新概念、新技术在电机c a d 系统中的应用。 3 。计算机技术的发展 计算机技术的发展为电机c a d 的发展提供了有利的条件。近年来，计算机图形 处理技术不断完善，各种数据库系统不断开发，网络技术不断深入，软件开发手 段和技术不断提高，软件开发工具不断推出，这些都使电机c a d 走向实用化、全面 化。 我国电机c a d 起步较晚，但近几十年来发展较快。国内的些高校和研究机 构也陆续开发出了一批电机c a d 软件，其中也包括二、三维交互绘图、有限元分 析、特性计算等功能，也有一些引入专家系统等智能化概念，同时也建立了一些 较好算法模型，获得了较好的成果。然而，从整体来看，我国电机c a d 的研究仍 处于起步阶段，尤其在实际应用方面欠缺甚多。这是因为开发单位缺少将软件系 统作为商品推向市场的意识，产晶不能通用，开发效率低。另外，开发研究机构 与工厂企业沟通少，所以很多软件还只能在理论上纸上谈兵，不能用于工程实际。 1 2 2 电机c a d 的特点与研究内容 c a d 系统许多类型，僵基本上可以分为三种：计算型、交互型和检索型。而电 枧c a d 有别于c a d 的主流形式，是一釉以计算型为主的类型。这是由于描述电机机 电能量转化有确定的数学模型。但是，电机设计是个性能要求离、数学模型复 杂的多参量系统，因而电机c a d 的特点为【2 4 】1 1 利用计算机的快速度和高精度，反复求解电机的多参量、非线性、隐式不 等式方程组，并多方分析、修改，提高电机参数分析计算的精度，辅助设计入员 广东工业大学t 学硕一学位论文 快捷、准确地找出最佳方案，也即设计过程的优化。 2 电机c a d 需要频繁地使用各种经验参数、曲线，用图表几个类标准，并将这 些成熟的经验数据集合起来，为设计人员提供有效、方便的专家型帮助，这是一 个理想电机c a d 系统所应具有的功能。 3 c a d 环境应简明使用，通用性好，并能充分体现设计人员的设计意识，尽量 大的发挥设计人员的创造力。 电机c a d 技术一般应具有科学计算、图形处理和数据库三大基本功能【2 6 】。图1 - 1 中表示了与电机c a d 软件有关的主要概念。 图1 - 1 电机c a d 软件相关概念 f i g 1 - 1m o t o r sc a ds o f t w a r ec o r r e l a t i v ec o n c e p t i o n 。科学计算c a d 的科学计算建立在计算槐强大的计算麓力和储存能力上， 可以完成设计中提出的各项计算问题。包括建立电机设计的数学模型、电磁设计 与性能分析、结构设计等。 2 图形处理c a d 的图形处理指借计算机的输入、输出设备，进行图形的生成、 变化、分析等工作。电机的图形处理主要有两类图形：一类是根据设计计算出的 结构参数按实际比铡绘图，如电枢冲片图、磁路结构图等；另一类是根据计算得 出的物理量翻它们之间的丞数关系，绘制各种图形鼗线，如效率鼗线图，功率睦 线图等。 3 数据库c a d 数据库是计算机储存设备上的一个通用的集合。综合性的减少 冗余程度( 数据重复储存程度) 的有关数据的集合，因为电机的科学计算和图形处 6 繁一章绪论 理产生的数据数量大、类型多，关系复杂，通过建立各类数据库将这些数据按一 定的规则组织起来，形成相互关联的数据集合，保证不同用途对数据资源的共享， 而且存储方便，操作简单。 1 2 3 永磁直流电动机c a d 系统研究的意义 随着我匿经济发展，电机制造业产品的科技含量也在不断提舞。近年来，枫 电产品成为我国出墨增长最快的产业之一，同时也愈来愈暴露出企业薪产品开发 能力薄弱和开发手段落后的严重问题。电机设计是电机产品形成过程中的创造性 阶段，它对于产品开发、降低产品成本、缩短产品上市时间起着关键的作用。进 入信息时代后，产品的增值活动由制造转到设计开发阶段，产品设计在电机制造 过程中的地位越来越重要。 永磁直流电动机磁路结构灵活多样，其设计算法相对复杂，精确求解磁路工 作点难度大，目前针对此类电机的设计算法溢不成熟。研究永磁直流电动机c a d 系 统，一方面就是要研究永磁直流电动机的设计方法，另方面就是要研究适合计 算机的永磁直流电动机的设计算法，开发方便实用的计算机辅助电机设计系统。 目前国内外尚没有针对此类电机的专用软件。电机行业的一些通用软件，价 格昂贵，却很难满足该电动机的设计需求。在这样的背景下研究永磁直流电动机 c a d 系统势在必行。本软件是基于w i n d o w s 操作平台，利用c + + b i l d e r 6 o 编制的交 互式软件，永磁直流电动枧c a d 系统的设计思想是通过数据库的管理来组织软件各 相关功能。采用分层次、多模块结构，系统划分为七大模块：核心数据库模块、电 机设计模块、用户界面模块、电机特性曲线模块、打印报表模块、软件帮助模块。 各模块之间功能分立，相互的通讯和联系完全依靠核心数据库进行。该系统还具 有以下特点，即在磁路计算时，以高精度的误差分析准确求取磁路的工作点；集 电机设计、性能预测、电机结构图输出于一体；采用数据库共享管理方式；提供 全汉字多级菜单界面和帮助。又充分利用w i n d o w s 强大的图形界面功能，开发出系 统输入方便，人机界面友好，操作方便，通用性强，适合于生产厂家对永磁直流 电动机进行电磁设计、计算的电机c a d 程序，也有利于派生电机的设计。 7 广衷丁业大学工学颈士学位论文 1 3 永磁直流电动机研究中存在的主要问题 尽管永磁直流电动机以其良好的性能而得到广泛的应用，但是从现有的文献 和产品以及在科研实践中发现，在永磁直流电动机的研究领域中还存在很多值得 深入研究的问题。主要包括1 2 2 ： 1 电机中除了电励磁部分产生的饱和等现象之外，永磁励磁部分也同样会产 生，显然电机气隙合成磁势是个分量的叠加，传统的饱和分析方法遇到了挑战。 2 与传统的电励磁电机相比，永磁电机由于引入了永磁体，电机内磁场的分 布和性质都发生了很大的变化，这种变化使人们必须从新的思路去建立永磁电机 的等效数学模型，以便正确分析由于永磁体出现而弓| 起电机参数、性能、动态特 性的变化，比之传统电枕，显然永磁电机中出现的菲线性、奇异性和复杂性都要 大得多，因此，选用合适的模拟计算机模型是正确等效电机模型的关键，也是电 机设计成功的关键所在。 3 永磁电机和其他电机一样，都是机电能量转换装置，电机的参数、模型实 际上是分布式的，分析电机的问题实际上是求解该域内磁场的问题。但是，电机 设计本身具有自身的特点，如果单纯用场计算不但会使计算工作量大，而且也难 以顾及电机中的一些实际问题。因此，将电机电路与磁路相结合，实现等效磁路 与电路的“场一路藕合 模型，以及其它的适合永磁电机建模、分析和设计的新模 型，将是研究永磁电机一个十分重要的方面。 4 关于永磁电机的设计，由于转子结构的多种多样，难以用一种统一的模式 来对它进行设计，如何借鉴电励磁电机优化设计的新方法，也将是相当长一段时 闯内要研究的事情。 1 4 本论文研究的主要内容 本课题主要目标是采用面向对象软件技术，开发基于w i n d o w s 平台的可视化永 磁直流电动机c a d 软件，熟悉永磁直流电动桃的基本原理和构造及其设计方法，根 据已有的电动机设计基本步骤，加以整理修正，进行c a d 实现的方案论 蒌。主要工 作有： 1 收集永磁直流电动机本体设计方面的资料，加以整理归类； 8 2 掌握面象对象的编程语言c + + b u i l d e r 6 0 ，并利用它编制操作简单、用户 界面良好的c a d 程序； 3 掌握s o l 数据库语言，利用它创建c a d 的数据库系统并进行该系统的后台管 理支持； 4 。c a d 软件的实现，主要是电机本体设计部分，其中包括： ( 1 ) 主要技术指标输入； ( 2 ) 主要尺寸确定； ( 3 ) 固定参数计算； ( 4 ) 绕组计算； ( 5 ) 磁路计算； ( 6 ) 空载特性计算； ( 7 ) 工作点计算； ( 8 ) 换向计算； ( 9 ) 最大去磁点核算； ( 1 0 ) 工作特性计算； ( 1 1 ) 绘制工作特性麓线输出圈； ( 1 2 ) 制定计算单报表输出。 9 广东工业大学王学硬士学位论文 第二章永磁直流电动机的设计分析 2 。1 永磁直流电动机的设计特点 永磁直流电动机的设计大部分与电励磁直流电动机相同，主要差别在于励磁部 分不同及由此引起的结构型式和参数取值范围的差异。永磁直流电动机的磁极结 构多种多样，磁场分布复杂，计算准确度比电励磁赢流电动机差，而且永磁材料 本身性能在一定范围肉波动，直接影响磁场大小并使电祝性能产生波动，永磁电 机制成后又难以调节其性能。这些都增加了永磁直流电动机设计计算的复杂性。 除了采用电磁场数值计算等现代设计方法尽可能提高计算准确性外，设计中要留 有一定裕度，并充分考虑永磁材料性能波动可能带来的影响。 永磁直流电动机的应用场合极为广泛，不同的使用器具对电机性能的要求大不 相同。有的要求伺服性能好；有的要求价格低；有的要求效率高、节能；有的要 求功率密度高、体积小；有的王作环境恶劣；有的某些性能指标要求苛刻。因而 在设计时不论是主要尺寸和电磁负荷的选择，还是绕组和冲片的设计都有很大差 异，选择的范围很大，需要针对用户对电机性能，尺寸和价格的具体要求以及所 选用的永磁材料，根据制造厂的现有条件和经验，选择适宜的结构形式和参数值 进行多方案分析比较后确定n 1 。 2 。2 永磁直流电动机的结构设计 永磁直流电动机种类很多，分类方法也多种多样。一般按用途可分为控制用 和传动用。按运动方式和结构特点又可分为直线式和旋转式，其中旋转式包括有 槽结构和无稽结构。有槽结构包括普通永磁直流电动机和永磁直流力矩电动机； 无槽结构包括有铁心的无槽电枢永磁直流电动机和无铁心的空心杯电枢直流电动 机、印制绕组永磁直流电动机及线绕盘式电枢永磁直流电动机【2 】。普通永磁直流电 动机的典型结构是由定子、电枢和电刷装置等部分组成。在电磁方面要求在气隙 中产生足够的磁通，电枢绕组中允许通过一定的电流，以便产生足够的电磁转矩。 1 0 第二章庆磁重流电动槐魏设计分析 机械方面除传送一定的转矩外，要求运行可靠，能经受冲击、振动和高低温的环 境考验。同时，要求结构简单，正艺性能好，不退磁。 定予由导电的电枢绕组、陶瓷骨架组成。无铁芯电枢绕组采用集中绕缓粘贴 在菲金属陶瓷骨架的终圆表面上，当通以电流时，就产生电枢磁势，与转子的永 磁体产生的激磁磁场相互作用，丽产生电磁转矩。它是电动机本体中将电能转换 为机械能的最重要的部件之。为防止电枢绕组松动，并能承受一定的机械力， 需用环氧树脂将电枢绕组粘牢在陶瓷骨架上。采用陶瓷做电枢绕组的定子骨架， 是因为它既不导磁，又不会像金属材料那样，由于磁场变化产生涡流，而引起损 耗和阻力矩。陶瓷骨架力圆筒形，一般厚度为0 。3 - 0 8 毫米，要求有一定的机械强 度和刚度，且加工性能好。 转予是产生激磁磁场的部件，它由永磁体、导磁体和支承零部件组成，是电 动机本体的转动部分。其主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度， 并同通电后的定予绕组相互作用产生转矩，以驱动融身运转，因此它的合理设计 将赢接关系永磁直流电动机的工作性能。其次，转子体高速旋转时，周围气体介 质对它产生的风阻，既需要消耗驱动电机的功率，又将产生有害的摩擦热。由予 高速旋转，结构土要考虑离心力的影响，材料选择要求有一定的刚度和强度。在 设计转子体时应尽可能遵循下列原则f 2 6 1 ： 1 风阻小，转子体的几何形状和尺寸是影响风阻大小的重要因素。因为风阻 是由转子体表面面积同其周围气体介质发生粘滞摩擦所引起，因此在设计时必须 合理地确定转子体的几何形状与尺寸； 2 结构简单，闲l l 性好，并尽量采用等弹性设计和对称结构； 3 。所用材料应保证转子体具有足够的强度，其膨胀系数不仅应当小，而且应 尽可能同电机中其它零件的材料相匹配，材料的稳定性要好； 4 工艺性好，便于加工和装配。 上述原则往往互相矛盾，设计时只能抓住主要矛盾，兼顾一般要求。同时， 还必须考虑到给定尺寸的限制，以及轴承和换向器等元件对其结构所提出的要求。 对永磁直流电动机进行总体结构设计时应考虑以下三点渊： 1 极大限度地提高电机效率。该电枧的损耗仅有电枢绕组上面的损耗，无定 子铁芯的磁滞损耗和涡流损耗，因电枢绕组的导体线径很细，其上的涡流损耗， 可以忽略不计。 广东工业火学工学硕士学位论文 2 保护永磁体不受高速旋转时离心力的破坏。 3 使用高磁能积的稀土钻永磁体和钕铁硼永磁体，使得这种结构的电机获得 理想的性能指标。 2 3 永磁直流电动机的电磁设计 由予永磁电机中的气隙磁场是电枢交流磁场与永磁体磁场合成的，是一种动 态磁场。当磁场饱和时，它又是一个非线性磁场，因此电机的漏磁场分布相当复 杂，要进行精确的计算还比较困难。但是以“路”代“场 的计算方法是一个比 较好面又简单的设计计算方法。在具体设计过程中，往往采用试探法，通过一些 假设，简化一些关系，采用经验数据和经验公式，初定一些尺寸和数据后，进行 计算，前后比较，看其初定的尺寸与数据是否合适，反复几次。认为合适后，进 行样机试制，通过对样机的测试分析，确定所设计的电机是否满足各项指标，分 析还有哪些地方需要改进，重新调整设计数据，直到获褥满意昀结果为止。这是 电机设计者经常采用的方法。 永磁直流电动机的设计，首先依据给定的技术指标，选定合理的电枢绕组电 子换向电路和控制电路( 脉冲调幅电路还是脉冲调宽电路) 。然后对电动机进行磁 路系统和电路系统设计。其设计流程如图2 - 1 所示： 2 。3 1 永磁体材料选择 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，因此在设计永磁电机时首先要选 择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。主要有以下选择原则【l 】 王。能够保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标； 2 。在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能够保证磁性能的稳定性； 3 有良好的机械性能，以方便加工和装配； 4 经济性能好，价格便宜。 1 2 繁二章永磁直流电动钒的设计分板 图2 - 1p m d c m 电磁设计主程序流程图 f i g 2 1p m d c me l e c t r o m a g n e t i cd e s i g np r i m a r yf l o wc h a t 根据现有永磁材料的性能和电机的性能要求，般来说，随着性能的不断完 善和价格的相对逐步降低，钕铁硼永磁材料在电机中的应用越来越广泛。不仅在 部分场合取代其它永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。钕铁硼永 广东t 业大学工学硕上学位论文 磁材料是继s m c 0 5 和s m c o l 7 之后的第三代永磁稀土永磁材料，是当今世界上十 大科技成果之一，它具有如下显著特点【2 2 】； 。超高的磁能积其理论最大磁能积6 0 5 m g 0 e ，目前实验室己能做出 5 0 + 9 m g o e 钕铁硼材料，投入实际应用的磁体磁能积己达3 0 - 4 0 m g o e ，是基前永磁 材料中磁能积最高的，被誉为当代“磁王 。如此大的磁能积可以显著降低永磁 电机的重量，节省材料消耗及能源消耗； 2 剩磁及矫顽力高，去磁曲线为直线钕铁硼永磁材料的剩磁感应强度达 1 3 0 0 0 高斯，矫顽力达l1 0 0 0 奥斯特，高于目前使用的任何其它永磁材料，内矫顽 力也达2 0 0 0 0 奥斯特，去磁逮线呈直线； 3 ，源材料丰富，价格便宜目前，钕铁硼的价格约为3 5 0 。4 0 0 元k g ，低成本 钕铁硼永磁体的诞生，使永磁电机的广泛运用成为可能。 钕铁硼永磁体的这些优异性能，使其在电机生产领域中得到了广泛的运用。 一方面，其磁性能高，气隙磁密得以提高，从而使电机用钢铁量减少，体积缩小； 另一方面，可以有效地改善电机的性能，使其效率、功率因数大大提高。 钕铁硼永磁也有一些缺点，一是屠里温度和工彳乍温度低、热稳定性差，温度 高于1 5 0 时其磁性能的不可逆损失将超过5 ；二是化学稳定性差，如在1 5 0 c 以 上的潮湿环境中易氧化。这些都成为钕铁硼永磁在电机应用中的障碍。解决的办 法：一是改变n d f e b 合金体的成分，如添加镝( d y ) 等金属元素，但磁体的成本价 格将更高；二是在n d f e b 磁体表面涂抗氧化腐蚀涂层。 另外，在性麓要求一般，体积质量限制不严，价格为主要的考虑因素的情况 下，优先采用价格低廉的铁氧体永磁材料。 2 3 。2 主要尺寸和电磁负荷的关系 永磁直流电动机的主要尺寸是指电枢直径d 8 和电枢计算长度三妒与传统电 机一样，其主要尺寸的基本关系如下： 垒垡堡竺：坐! q ： ( 2 1 ) ra i a b 8 k 。 式中：n 一电动机转速； 敛一极弧系数； 1 4 第二章永激直流电动规戆设诗分辑 a 电负荷； 吸一电机气隙磁密； 鬈。一短距系数； 式孛霸一计算功率： 曩拳墓球j 矗 ( 2 2 ) 式中：疋一感应电动势； 乞支路电流。 在实际电机设计中，上式中的冀一般根据给定的额定功率毁按下式计算： 鼻。睁卜 3 ) 式孛：蟹一电枫效率； 电机长径比五燃三妒见的选择对电机的性能、重量、成本有很大的影响。在永 磁蛊流电机设计中，一般取名- - 0 5 0 6 。对控制用永磁直流伺服电动机，为了减小 机械时间常数，入取值很大，有的可达2 5 。 将k = 碱代入式2 1 可褥到电枢壹径d 辞e 礅) 盼计算公式： 珑端 ( 2 。4 ) 为了考虑线圈短距的影响，在计算少槽电动机时要引入短距因数k 。： 砟螂遗 娆5 ) 式中：r 少槽永磁壹流电动枫的线圈节距； 爹极躐。 。 由式2 5 可知，直流电动机的主要尺寸与所选择的电负荷和磁负荷有密切关系。 当电负荷和磁负荷定时，电动机的体积随电磁功率的增加而增加，随电动机的 额定转速增加而减少。输出同一功率时，魄动祝体积与邀动机额定转矩的大小成 正比，也就是说巍电动机转速越低( 即额定转矩越大) ，电动机的体积也越大；反 之，转速越高( 即额定转矩越小) ，劂电动撬的体积越小。对子霹一功率和同一转 速酶电动机，电动桃的电负荷和磁受荷取褥越高，煲l j 电动机的主婴尺寸越小，材 料越省。丽要选用较高的电磁负荷，将有赖于改善电动机的透风散热条件和使用 优质的导磁材料与绝缘材料，就有可能使萁制造成本增加。 广客工业大学工学硕学位论文 对于永磁电机，其磁负荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸决定，当永磁 材料和磁极尺寸选定后，璐就基本上被决定了，在设计时变化范围很小。岛主要 由所选用的永磁材料的剩余磁密艿，决定，初选时通常取( 0 6 0 。8 5 ) 君，。对予连续 运行的永磁直流电动枕，一般取电负荷a = 3 0 1 0 0 a c m ( 小功率电动机 ； a = 1 0 0 3 0 0 a c m ( 大型电动机) ，功率小时一般取小值。 2 3 。3 磁极结构及其尺寸 2 3 。3 永磁直流电动机磁极结构 永磁直流电动机由于采用永磁体励磁，其结构和设计计算方法与电励磁直流 电动机相比有许多显著的差别，尤其是在磁极结构、磁路计算中的主要系数以及 电枢磁动势对气隙磁场和永磁体等方面的影响。目前电机中使用的永磁材料的性 能差异很大，因而与其相适应的、适宣的结构形式也大不相同。永磁直流电动枕 常用的磁极结构有瓦片形、圆筒形、弧形和矩形f l l 。如下图所示： ( a ) 无极靴瓦片形磁极 图2 - 2 瓦片形 f i g 2 2t i l em a g n e t i c 馘，jj 。t 蒈铆 端缪 ( a ) 圆筒形磁极( b ) 改进的圆筒形磁极 图2 - 3 圆筒形磁极结构 f i g 2 - 3c y l i n d e rm a g n e t i cp o l es t r u c t u r e 1 6 移篓 第二章永磁壹滚电动撬的设诗分辑 ( b ) 多极弧形磁极 弧形磁极 i cp o l es t r u c t u r e ( b ) 凸极式多极结构 ( c ) 切向式结构( d ) 方形定子 图2 - 5 矩形磁极结构 2 。3 3 2 永磁