（电机与电器专业论文）基于有限元分析的稀土永磁同步电动机研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nd w d o p sp 删a 1c o n t t so fn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t s “1 1 l eh i g l l s p e e dh i 9 1 l l ye 彘甜v ee x p l o s i o n i ，r o o fr a r ee a m lp e m a n e n tm a 弘e ts y l l c h r o n o u s m o t o r ，ho r d 盯t oi m p r o v el l l ee 砸c i e i l c yo fr a r ce a r i hp 黜a i l e n tm a g n e t s y n d d n o l l sm o t o ro 也p m s m ) ，t h ep a p e fc o m b i 栅f e m ( f i i l i t ee l 锄饥tm c m o d ) 研mc x p e r i m e n tm e t l l o d s ，孤ds t i l d i c do n 圮c o p p e rl o s s 铭0 fr o 由o ro f 砒! p m s mi l l t l l es t e a d y - s 诅t e ，m e 舳gp r o c e 豁s i i n u l a t i o no fr e p m s m ，锄dt h el l a 咖o i l i ci i l a i r g a pm a 弘e t i cf i e l da tn o 一1 0 a do f 砒! p m s m 1 1 1 ep a p e rh 硒c a l c t l l a t e da c _ c i l r a t e l ya2 2 k wr e p m s mi no i lf i e l df o rp 啪p i n g w i mt l l ef e m f i 、a f em a g n c t a tt h ef i s tt i m e ，n l cc o p p e rl o s s e so fr o t o ri nt l l e s t e a d y s 钮t eo f r e p m s mb e c a i i s eo f t h eh a r i i l o i l i c 锄a l y z c dt h o r o u 班y ，t l l ed i f e c t 觚d i i l d i r e c tm e t h o dt om e a s u r e 圮e 衔c i c yo ft l l e2 2 k wr e p m s mi sd i s p o s e df o r 圮 h a 加1 0 面ci o s s e s c o m p a r c dt h es i m u l a t i o n 觚d 币e f i m e mr c s u l t ，t h ec o p p e rl o s s e so f r o t o r 缸s t e a d y s t a c eo fr e p m s m 戥i s t c da c t l l a l l y t h ei d e ai sd i f 断e n t 的mm e n a d i t i o n a lt l l e o r ) ，o f r e p m s mi nt l l es t e a d y s t a t e t h e 触gp m c 铭ss i m u l a t i o nf o rt l l e2 2 k wo fm er e p m s mw i t l lm ef e m s o f t w a r eo ft l l em a g n e ti ss e a r c h o dd e e p l y a n dt l l es t a m n gp f o c 铝se x p 醯n e n t 砒 n 0 一l o a di sc o m p l e t e d ，t 1 1 em e a s 盯锄e n tr e s l l l tp f o v e dt l l ee x a c n l e s so ft l l es 蛔l u l a t i o n r e s u l t s s i m l m 锄e 0 戚y t h es i m l l l a t i o nr e s l l l tb ym em a 斟e tp r o 、，i d e d1 1 1 er e f 打印c et o 叩t i l i l i z er e p m s m 弧ea i l 。卿m a 印e t i cf i e l da tn o l o a do f3 7 0 wr e p m s mh 舔s i m u l a t e db ym e f e ms o f h a r em a g n e t ，”s i n l u l a t i o nr 鼯u l t so ft h d ( t o t a lh a 册o i l i cd i s t o n i o n ) o f b a c ke l e c 仃0 m o t i v cf b r c ea tn o l o a dw 硒6 2 3 h lo r d e rt 0 p r o v ct l l er 咖l to f s i m u l a t i o n ，铆o3 7 0 wr e p m s mh a dt o w c de a c ho t l l t 1 1 em e 蚓h 砌e n tr e s u l 忸o f t h dw 勰3 2 6 t h ed 柚p i n ge 脏c tt oa i rg a ph a 衄o i l i cw 够如u n db yt h er o t o r s q u i 玎e 1 - c a g eb a l k e y w o r d s ：r 盯ee a n hp e 衄a n e n tm a 弘c ts y n c h r o n o 砸m o t o r ( r e p m s m ) ：f i i l i t e e 1 e m e i l tm e m o d ( f e m ) ；c o p p e rl o s s e so f r d t o r ：s t a n i n gpe r f o 肌a l l c e ；h a n n o n i c h 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名绮蒙指导教师签名 z 口口7 年；月，2 日弦7 年? 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名精裳 砷年罗月，z 日 蝉 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章主要概述异步起动稀土永磁同步电动机的研究背景、研究意义；针对本 课题基于有限元分析的稀土永磁同步电动机的研究意义、研究方法和研究手段， 做了具体的介绍；最后，叙述了本论文主要研究内容、论文的结构安排以及研究 所取得的成果 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着人类社会的不断进步，环境与发展这一对矛盾日趋突出。经济的发展和 人们生活水平的提高需要消耗大量自然资源，在自然资源的消耗过程中，不可避 免地会对人类所居住的环境造成破坏性的影响。地球变暖、酸雨、城市空气质量 恶化、海洋被污染、土地荒漠化和沙漠化，这些现象都与在发电中使用大量的石 化燃料有着必然的联系。提高电动机效率作为保护环境、节约资源的重要手段， 已成为世界许多国家的共识。 能源紧张、资源短缺已经成为我国现阶段社会经济发展所面临的一个突出问 题，在所有的能源中，电能是应用最广的一种能源方式，因此节电对于节能意义 重大。 在我国中小型电动机作为机械驱动主要原动力，每年需要消耗6 0 以上总发 电量，三相异步电动机是生产机械最主要的原动机，其用电量占全国总用电量的 2 0 以上。由于异步电机的力能指标不高，约有1 4 的能量被损耗掉。根据有 关部门统计数字，目前全国约有风机、水泵类机械4 2 0 0 多万台，总装机容量已超 过1 1 1 亿k w ，全国风机、水泵每年用电量约占总发电量的1 3 左右，节电潜力很大， 一般微观节电率在2 0 3 0 以上，据有关部门定量分析，如果节电率取2 0 ，可 改造率取5 0 ，则宏观节电量每年约为1 4 0 亿k w h 。我国是一个人口众多、能源 相对匮乏的国家，为了实现社会的“可持续性发展战略”，节约现有能源和资源， 迫切需要解决风机、水泵等的节能降耗问题，所以，大力发展我国的高科技节能 技术和产业研发将成为重要的举措。 稀土永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高 等特点，近年来发展迅猛。与电磁式同步电动机和三相异步电动机相比，稀土永 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 磁同步电动机具有自身的优点。 我国稀土资源丰富，储量占全球的7 5 左右，号称“稀土王国”。尤其是第 三代高性能永磁材料n d f e b 以其高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁 曲线等优越的磁性能特别适合于电机制造，使高效节能稀土永磁同步的发展进入 了一个新的历史时期。 同时，我国稀土永磁电机的科研水平已达到了国际先进水平。充分发挥我国 稀土资源丰富的优势，大力发展高效节能稀土永磁同步电动机，对我国社会主义 - 现代化建设具有重要的理论意义和实用价值。同时为节能降耗、保护环境、实现 国民经济持续发展做出重大贡献。 1 1 2 研究意义 针对目前我国能源紧张、资源匮乏的严峻问题，开发研究高效、节能稀土永 磁同步电动机具有重大的现实意义。那么，如何进一步提高稀土永磁同步电动机 的效率，或者说，如何进一步降低稀土永磁同步电动自身损耗，从而达到节能降 耗的目的，成为本文的研究的关键。 根据稀土永磁同步电动机的高效节能、功率因数高等显著特点，稀土永磁同 步电动机主要应用在长时工作、耗电量较大的油田上的抽油机，煤矿、铜矿上的 浮选机、风机和泵类等驱动设备中；并且，由于稀土永磁同步电动机具有转速严 格的以同步速旋转的特点，又适合于纺织、化纤、造纸、轧钢、玻璃等行业要求 转速恒定和精确同步的领域，也适合变频调速系统和机群转速同步控制的领域。 本课题以高效稀土永磁同步电动机研制开发为背景，针对输入为恒频恒压、 转子结构为内置式的异步起动稀土永磁同步电动机展开深入研究。由于转子内部 放置有永磁体的特殊结构，使得电机气隙磁场中谐波含量比普通的感应电机大， 而谐波磁场的存在会影响电动机的性能，尤其是谐波磁场会在转子鼠笼导条中产 生涡流，从而增加了电机谐波损耗，降低了电机的效率，并且，谐波磁场的存在 也引起了转子温升。 本课题基于有限元法对稀土永磁同步电动机空载气隙谐波磁场、稀土永磁同 步电动机稳态运行时的谐波转子铜耗、以及稀土永磁同步电动机的瞬态起动过程 都分别进行了深入的分析与研究。本课题的深入研究不仅对进一步提高稀土永磁 同步电动机的效率有着现实意义，以及对稀土永磁同步电动机的优化设计、保护 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 绿色环境、节约国家能源等方面都将是有着重要的参考意义。 同时，本论文的研究对稀土永磁同步电动机以更加高效。节能的方式应用到 抽油机和其他工业领域都将具有现实意义，并对高效节能稀土永磁同步电动机的 市场推广以及所产生的巨大社会经济效益都间接起到良好的作用。 1 2 稀土永磁同步电动机国内外现状研究 1 2 1 稀土永磁同步电动机的国内外发展概况 国外利用稀土永磁材料进行稀土永磁电机的开发已经有2 0 多年的历史。 1 9 7 8 年，法国的c e m 公司研制的i s o s 州系列0 5 5 1 8 5 k w ，稀土钴同步电动机， 效率比一般的异步电动机高2 8 ，功率因数提高o 0 5 0 1 5 。堵转转矩倍数 为1 6 2 2 。但因为当时采用钐钴永磁材料的成本太高，未能得到推广。英国、 前苏联、美国等也相继推出类似系列，但功率普遍做得不大。 异步起动永磁同步电动机，由于需要在转子上安置有起动鼠笼导条，使得转 子截面积减少，从而减少了能安装永磁体的面积，使得增大电动机容量的努力遇 到了较大的困难，所以，异步起动稀土永磁同步电动机容量受到了一定的限制。 国外，加拿大纽芬兰大学的m a r a h m a n 教授于1 9 9 0 年研制成当时功率最大 的2 5 h p 四极异步起动永磁同步电动机，该电机采用6 0 h z ，2 0 8 v 三相电源，共研 制了包括径向磁路结构、弧形永磁体磁路结构和弧形排列永磁体结构等三种转子 结构，其中效率最高的达到了9 4 。 国内，西北工业大学、沈阳工业大学、上海电器科学研究所、清华大学、华 中理工大学、合肥工业大学等高校和研究院、所相继进行了高效稀土永磁同步电 动机的研制、开发，也取得了许多成果。特别是8 0 0 w 纺织专用稀土永磁同步电 动机是国内第一台研制成功的稀土永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率因数 高于o 9 5 ，节能率高达1 0 以上，已经进行批量生产并取得了很好的经济效益和 用户部门的好评。 1 2 2 有限元数值计算在稀土永磁同步电动机上的应用与发展 稀土永磁同步电动机具有节能高效、结构简单等一系列优点。在能源短缺的 当今世界，备受国内外学者和业内人士的关注，成为电机行业发展的热点，其应 用领域在不断扩展。国内外研究人员在稀土永磁同步电动机的优化设计、性能分 析方面作了许多研究工作，尤其在基于有限元电磁场数值计算方面已经取得了大 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 量的研究成果。 在国外，p 。z h o u 等人在文献中用有限元法计算了永磁同步电动机的参数 和性能，并指出由于永磁电机中永磁体作用始终存在，以往的不计永磁作用、不 计交直轴交叉耦合影响、单独计算交直电枢磁场求取电机参数的方法是不合理 的。文中使用负载法计算了交直轴电枢反应电抗，使参数能真实地反跌负载时电 机材料的饱和程度。 k k u r i h a r a 等人在文献“1 中应用场路耦合时步有限元法分析了永磁同步电 动机的稳态运行性能，探讨了由于谐波磁场存在而引起的电流谐波和转矩波动问 题，建立永磁同步电动机新的研究方法。但是在该文中使用的场路结合数学模型 没有给出鼠笼条转子中各个支路所满足的约束条件，即只有定子电路方程与磁场 耦合，而没有转子电路方程与磁场耦合，使分析模型不够完整。 国内学者对永磁电机也进行了大量深入的研究。西北工业大学李钟明、刘卫 国等编著的稀土永磁电机一书阐明了稀土永磁电机的特殊性，全面介绍了各 类永磁电机的理论和设计技术。沈阳工业大学特种电机研究所的唐任远编著的 现代永磁电机理论与设计一书采用等效磁路解析法求解为主，结合磁场数值 计算的方法对多种永磁电机的原理、结构、设计进行了研究。 总之，国内外对永磁电机电磁场性能计算的研究已经取得了一定成果，但是 各种电机的分析模型还有待完善和改进，对电机电磁参数和运行性能的计算也有 待继续深入研究。同时，随着计算机能力的不断增强，有限元数值计算技术的日 益进步，三维场问题以及电磁场逆问题的深入研究，对永磁电机的计算分析研究 将会达到更高的水平。 1 3 课题来源 本课题来源于国家“8 6 3 ”计划( 项目编号2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 2 ) 高速高效 防爆稀土永磁同步电机研究的部分研究内容，针对稀土永磁同步电动机的高效 节能部分进行课题深入研究。 1 4 本文研究所采用的方法 本论文是基于有限元分析的稀土永磁同步电动机研究，重点对稀土永磁同步 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 电动机空载气隙磁场的谐波分析、稳态运行的谐波转子铜耗问题以及瞬态起动过 程进行研究。本论文主要是采用有限元电磁场仿真计算与专门设计各种电机实验 相结合的方法，完成本课题关键内容的研究。 按照对分析磁场的不同方式，可以分为两大类：一类是传统的磁路计算法； 一类是采用电机电磁场数值计算的方法，有限元法来进行电机内部磁场和电机性 能的分析。下面就对这两种不同的电机磁场分析方法进行具体的对比介绍，并得 出针对本课题的研究特点所采用的研究手段。 1 4 1 传统的磁路计算法 传统的磁路计算法，即将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多 段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，从而把磁场的计 算转化为磁路的计算，然后用各种系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁 场中对应点之间的磁位差。在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时 更为实用。在积累了一定的经验，取得各种实际的修正系数后，其计算结果是可 以满足工程要求的。 但是由于稀土永磁同步电动机的结构多种多样，磁路复杂( 尤其是受转子上 永磁体的影响) ，各种电机的修正系数的值变化很大，使得引入修正系数的具体 值是很难确定，从而影响稀土永磁同步电动机气隙磁场分布计算结果的准确性。 所以，传统磁路法虽然有效，并能满足一般工程设计的要求，但并不适于高精度 的工程设计要求，尤其是无法满足分析谐波磁场对电机性能影响的要求。 为了能准确的分析出谐波磁场对稀土永磁同步电动机的影响，需要对稀土永 磁电机进行电磁场数值分析。 1 4 2 电机电磁场数值计算法1 3 l 电机内物理场的数值计算方法的种类很多，主要包括微分方程法( 有限元法 和有限差分法) 和积分方程法( 体积分方程法和边界积分方程法) ，以及今年来 出现的有限元法和边界元方程法相结合的所谓混合法。其中，有限元法占有绝对 主要的地位，应用范围最为广泛，而且，有限元法的这种优势越来越显著。 1 有限差分法 有限差分法( f i n i t ed i f j 衙e i l c em e m o d ，f d m ) 可以说是最古老的数值方法， 曾经被广泛用于求解各种类型的电磁场问题，直到2 0 世纪7 0 年代的许多大型工 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 程应用问题，如大型电机、电磁感应炉等的电磁场数值计算都是采用有限差分法。 在有限差分法中，问题区域由一系列网格覆盖，这些网格由与坐标轴平行的 直线划分而成，从而将连续的场域离散成一些以节点为核心的小区域。然后将待 求量在偏微分方程中的倒数替换为由相邻节点上未知量的值组成的有限差分表 达式，并考虑边界条件( 交界条件) 的约束，获得一组以节电变量为未知数的代 数方程，进而求得网格节点上待求量的近似解。 有限差分法的一个主要缺点是其网格划分的拓扑是固定的，在处理不规则几 何结构( 如斜面和曲面) 模型时比较困难，节点分布效率较低。另外，有限差分 法必须对所有的边界条件( 交界条件) 进行算法处理，特别是对复杂的边界和场 域内各种媒质交界的处理有一定的困难。有限差分法还有一个不足，出现在为了 改进计算的精度而需要引入高阶项的时候。然而所有上述缺陷，均可以用有限元 法巧妙地加以克服。 2 有限元法 基于伽辽金加权余量法或变分原理的有限元( f i n i t ee l 锄e n tm e i h o d ，f e m ) ， 最早产生于力学计算中，由于其依据的理论具有普遍性，已被推广并成功应用于 其他工程领域。自从在加速器磁极和直流电机磁场计算等电磁计算中被采用以 来，有限元法已广泛应用于电气工程的各个领域，是求解电磁场边值问题最实用 的方法。 有限元法在理论上以变分原理或伽辽金加权余量法为基础，在具体方法上则 借鉴了有限差分法离散处理的网格思想。有限元法的基本步骤包括：确定描述边 值问题的偏微分方程；利用变分原理，将描述边值问题的偏微分方程转换为相应 的泛函表达式( 或利用加权余量法，将偏微分方程与权函数相乘，并在场域内进 行积分) ；将由偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分成为有限数目的 子区域单元，单元完全覆盖所研究的区域且单元之间互不重叠，并且单个单 元不能跨越材料边界：利用近似函数来描述单元中的未知量。由于公式中常涉及 对这些函数进行微分和积分，一般选择多项式作为近似函数。多项式的阶数决定 了单元的阶数；对泛函求极值( 对于复泛函，则为使泛函驻定) ，并求解所得的 代数方程以获得所需的场问题的近似解。 有限元法对场域的划分比较灵活，对不规则的边界形状的处理也很方便。相 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 对于有限差分法，有限元法的主要优点包括：对复杂边界的适应性，高阶近似的 扩散性、自然边界条件和交界条件可自动满足。此外，有限元法可有效处理非线 性媒质特性( 如铁磁饱和特性) 和涡流，它所形成的代数方程一般具有系数矩阵 对称、正定和稀疏等特点，解的稳定性和精度都比较高。有限元法在工程应用中 的通用性非常好。基于有限元法开发的软件，对于范围广泛的问题，可以有效地 建模、求解以及后处理、这使得有限元法成为许多c a d 软件的基础。有限元法 的主要缺点是，对于复杂的三维结构，尤其是对包含开域自由空间的问题进行建 模和求解时，会遇到一些困难。 3 体积分方程法 许多场边值问题既可由微分方程来描述，也可由积分方程来描述。在某些特 定情况下，使用微分方程来描述场问题会遇到一些困难，如一根长直导线的集肤 效应问题。 体积分方程法( v o l u m eh i t c g r a le q u a t i o nm e l l l o d ，e m ) 的基础是麦克斯维 方程的积分形式，通过对场域中源区和感应产生的二次源区的离散，得到对应的 代数方程，并进行数值求解。然后，在根据毕奥一萨伐定律求解域中每个点场量 的数值。 当场域内媒质数目较少，交界面形状比较简单时，使用体积分方程法往往是 有一定的优越性，特别适合于开域情况。另外，由于体积分方程法不需要对全部 场域进行剖分，只要对源区和感应产生的二次源区进行网格剖分，使得节点数大 大减少，因此剖分数据准备简单，代数方程求解的工作量小。体积分方程法的主 要缺点是，对于非线性问题，其离散后得到的系数矩阵不是对称的满秩，且矩阵 是不对称的满秩，且矩阵中的元素形式比较复杂，积分表达式的值较难求取，使 得问题的建立和求解比较困难。体积分方程法在加速器磁铁设计和高频磁场的散 射问题计算中应用比较广泛。 4 边界积分方程法 在过去几十年中，边界积分方程法( b o l l n d a r yi n t e g r a le q u a t i o nm e m o d ， b i e m ) 的使用和发展主要是由高频场领域( 如天线) 的研究者们推动。但近年 来，人们对于使用边界积分方程法来求解低频电磁场问题的兴趣也在与日俱增。 在边界积分方程法中，问题区域投影到一个或多个表面( 如涡流问题中的导 7 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 体表面) ，将匀质媒质上的体积分方程简化为边界积分方程，在求得边界上的解 后，在据此求出场域中的变量。近年来备受关注的边界元法( b o l l i l d a r ye l 锄e n t m e t l l o d ，b e m ) ，就是采用边界分域基的边界积分方程法，是边界积分方程法的 数值扩展。 边界积分方程法比较适合求解有限边界而无限场域的边值问题。这是边界积 分法相对微分方程法的一个优点。另外，与有限差分法、有限元法和体积分方程 法相比，边界积分方程法降低了问题的维数，所产生的矩阵规模大大缩小( 虽然 是满秩) ，同时也降低了对网格剖分的需求。这一点，对于三维为体尤为突出。 边界积分方程法还有其他一些优点，如计算速度高、边界条件易处理。但边界积 分方程法在处理源的奇异性以及非匀质媒质等问题时较为困难。因此，一般认为 边界积分方程法仅适用于线性媒质和几何结构相对比较简单的场域情况。边界积 分方程法是在诸如金属成型、感应炉设计等工程中较为常用的方法。 5 混合法 如上所述，有限元法在处理非线性、多媒质问题时非常有效，但在处理开域 问题时比较困难，而边界元法可有效处理开域问题。混合法( h y b r i dm e l o d s ) 时将有限元法和边界元法相结合而产生的。这种方法在包含非线性材料媒质和复 杂区域边界及交界的场域内采用有限元法求解，而在其余区域，特别是在开域部 分而采用边界元法求解。混合法综合了有限元法和边界元法的优点，扩大了有限 元法的应用范围，适应了开域问题的求解。但该方法也有一些缺点，如其产生的 系数矩阵失去了对称性和稀疏性。然而，若要将开放边界效应结合到模型中，该 方法仍然具有显著的优势。 总而言之，在低频、有界场的计算中，有限元法以其对各类复杂区域的适应 性强、边界条件容易处理、计算精度高、通用性好等优点而备受青睐，被认为是 最有效、应用最为普遍的一种方法。 由于有限元法在诸多工程领域里都有广泛的应用，专门的有限元分析软件包 也应运而生，而且种类越来越丰富，其中有限元m a g n c t 、a n s o f t 、a n s y s 等电 磁场仿真软件对低频电磁场的分析功能较强。 本课题主要是基于m a g n e t 有限元电磁场仿真分析软件，深入研究稀土永磁 同步电动机空载气隙谐波磁场、稳态运行、瞬态起动等方面的电机性能。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文主要研究内容及论文的结构安排 1 5 1 本文主要研究内容 1 应用电磁场有限元电磁场分析软件m a g n e t ，对抽油用稀土永磁同步电动 机r s m 2 0 0 l 一6 深入的仿真研究；首次，对谐波引起的稀土永磁同步电动机稳态 运行时的转子铜耗进行了深入分析计算；设计了2 2 k w 电机的直接法和间接法效 率实验，完成了实验结果和仿真结果的对比分析，证明了：稀土永磁同步电动机 在稳态运行时是存在转子铜耗的。 2 应用有限元m a 州e t 对2 2 k w 稀土永磁同步电动机瞬态起动过程进行了仿 真研究；对2 2 k w 电机专门设计了空载起动过程实验，实验采用日本横河公司的 动态示波记录仪d l 7 5 0 进行测量，实验结果表明有限元的起动过程仿真结果是 准确的，这也为实际电机的优化设计提供了参考依据。 3 利用有限元m a g n e t 对作者研制的3 7 0 w 注塑机用稀土永磁同步电动机空 载气隙谐波磁场进行了深入研究；通过作者精心设计的两台3 7 0 w 稀土永磁同步 电动机的对拖实验，采用w t 3 0 0 0 电力分析仪对3 7 0 w 电机实际的空载谐波磁场 进行了分析计算；通过对比实验结果和仿真结果，初步得到：鼠笼条对电机的空 载谐波磁场具有很好的抑止作用，使得空载谐波磁场波形畸变率明显下降。 1 5 2 论文的结构安排 本文分七章来完成基于有限元分析的稀土永磁同步电动机研究内容，其结构 如下： 第一章概述了异步起动稀土永磁同步电动机的研究背景及研究意义，以及 本课题基于有限元的稀土永磁同步电动机研究所采用的具体方法，并介绍了本文 研究的主要内容、论文的结构安排以及研究成果； 第二章针对稀土永磁同步电动机的特点，以及电机的结构形式进行了具体 的总结与概括； 第三章应用有限元电磁场仿真软件m a 斟e t 对2 2 k w 油田抽油用稀土永磁 同步电动机r s m 2 0 0 l 一6 进行了二维电磁场仿真计算，本章是作者对实际2 2 k w 电机应用有限元m a 斟c t 进行仿真的具体介绍； 第四章异步起动稀土永磁同步电动机的空载气隙磁场谐波分析研究，并用 实际研制的两台3 7 0 w 电机的对拖实验结果与有限元m a 斟e t 谐波分析结果进行 9 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 了对比验证： 第五章研究了稀土永磁同步电动机稳态运行时的谐波转子铜耗，并用2 2 l i w 电机的效率实验结果与有限元m a g n e t 仿真计算结果进行了深入的对比分析； 第六章应用场路耦合的有限元m a g n e t 对稀土永磁同步电动机瞬态起动过 程进行了仿真研究，并用实际2 2 k w 电机的空载起动实验验证了仿真正确性； 第七章总结本文的研究内容、研究工作及取得的研究成果等，并提出本课 题下一步研究工作的展望。 1 6 研究成果 通过本课题研究，本文的主要研究成果如下： 1 应用有限元电磁场软件m a 斟e t 对油田抽油用2 2 k w 高效节能稀土永磁同 步电动机进行仿真分析计算，通过设计的2 2 k w 电机的效率实验结果与仿真结果 的对比分析，证明了：是存在稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗的。 研究成果稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗分析发表在西北工 业大学认定的重要核心期刊微特电机2 0 0 6 年第9 期。 2 作者通过采用有限元m a g n e t 对2 2 k w 电机进行空载起动过程进行了仿真 研究，并通过利用日本横河公司的动态示波记录仪d l 7 5 0 对2 2 k w 电机的空载 起动实验结果，验证了仿真结果的准确性，这对稀土永磁同步电动机的优化设计 提供了参考依据。 研究成果基于有限元的稀土永磁同步电动机起动过程仿真研究发表在西 北工业大学认定的重要核心期刊微特电机2 0 0 7 年第1 期。 3 作者对实际设计的3 7 0 w 稀土永磁同步电动机空载谐波磁场进行了有限 元m a 剑e t 仿真研究，并通过设计专门的两台3 7 0 w 电机的对拖实验，采用电力 分析仪w t 3 0 0 0 进行实验测量，试验结果与仿真结果对比分析得到：转子鼠笼条 对稀土永磁同步电动机的谐波磁场有很好的抑止作用，使得空载谐波磁场波形的 畸变率有了明显的下降。 初步的研究成果稀土永磁同步电动机空载气隙磁场的谐波分析研究在 2 0 0 6 年1 2 月已投在西北工业大学认定的重要核心期刊微特电机上。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 本章对稀土永磁同步电动机的特点及电机的结构形式进行了比较深入的总 结和概括；并对设计高效、节能异步起动稀土永磁同步电动机的设计方法进行了 简明的讨论：为后续具体的研究异步起动稀土永磁同步电动机打下基础 2 1 稀土永磁同步电动机的特点嘲 稀土永磁同步电动机是指由稀土永磁体提供励磁主磁场的同步电动机，由于 采用稀土永磁磁极建立激磁磁场，代替传统电励磁同步电动机由直流励磁绕组进 行励磁方式，从而使得稀土永磁同步电动机具有一系列优点，下面分别对稀土永 磁同步电动机与传统电励磁同步电动机和普通感应电动机进行比较，从而总结出 稀土永磁同步电动机在实际应用方面的具体特点。 2 1 1 稀土永磁同步电动机与电磁式同步电动机的比较 与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有以下优点： ( 1 ) 稀土永磁同步电动机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单， 使用方便，可靠性高； ( 2 ) 正由于上述结构特点，使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗， 无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率 比电磁式同步电动机要高，并且，其功率因数可以设计在1 o 附近； ( 3 ) 稀土永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且不同的转子结构 往往带来了自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不 同的转子结构形式； ( 4 ) 稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具 有更小的体积和重量。 2 1 2 稀土永磁同步电动机与鼠笼异步电动机的比较 稀土永磁同步电动机与鼠笼异步起动电动机相比，其优点主要表现为以下三 个方面： 1 高效节能 稀土永磁同步电动机稳态运行时无滑差，转子上无基波铁损和基波铜损，稀 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因数可高达1 ； 功率因数的提高，一方面节约了无功功率，另一方面也使定子电流下降，定子铜 耗减小，效率提高；稀土永磁同步电动机的极弧系数一般大于异步电动机的极弧 系数，当电源电压和定予结构一定时，稀土永磁同步电动机的平均磁感应强度较 表2 1 船舷0 0 l - 6 与y 2 0 0 l 2 _ 6 损耗比较 心机 r 跚2 0 0 l 一6 y 2 0 0 l 2 6 参数 额定电流如朋 3 6“ 额定功率因数c o s 纷 o 9 5o 8 3 空载电流，o 彳 1 2 22 6 7 定子铜耗p ，形 5 8 4 58 5 2 3 基波转子铜耗，2 矿 04 7 6 2 铁耗p 矿 3 2 05 0 7 4 杂散损耗p d 矽 2 3 6 53 3 0 机械损耗p 一矽 2 6 0 9 2 6 0 9 空载损耗p o 形 5 8 0 7 7 0 效率叩( ) 9 4 1 9 0 异步电机小，铁损耗小；对于稀土永磁同步电动机的杂散损耗，一般认为由于稀 土永磁同步电动机永磁体磁场的非正弦性增加了杂散损耗，但另一方面，稀土永 磁同步电动机较大的气隙降低了杂散损耗。 表2 1 是本论文研究的油田抽油用2 2 k w 稀土永磁同步电动机r s m 2 0 0 卜6 与 相应型号的三相异步电动机y 2 0 0 l 2 6 的损耗分配和效率的比较。 由于稀土永磁同步电动机的不变损耗( p 厅+ p 。) 小，可变损耗p 凸。变化 比异步电动机可变损耗( p 。+ p 。2 ) 变化慢，使其效率特性有高而平的特点， 这一特点使得稀土永磁同步电动机的节能效果比其效率的提高更为明显。如 r s m 2 0 0 l 一6 比y 2 0 0 l 2 6 效率高约4 ，实际应用时，节电效果可达1 l 以上。 稀土永磁同步电动机高效节能的特点非常适合在长时高负荷及变负荷的工 矿下应用。 2 体积小、重量轻、功率密度高 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 从电磁负荷角度分析 d 2 ：j 0 鱼 ( 2 1 ) a f a 日6 厅 由于稀土永磁同步电动机计算极弧系数a ，较异步电动机大，使稀土永磁同 步电动机在电负荷彳和气隙磁感应强度魄相同的条件下体积、重量减小。另外， 从热负荷角度分析，由于稀土永磁同步电动机效率高，发热少，4 、如可适当 提高，使电机有效体积减少。由于稀土永磁同步电动机体积小、重量轻、功率密 度高，使其十分适应航空等军工领域的应用。 3 转速与频率严格成正比 稀土永磁同步电动机的转速与频率严格成正比这一特点非常适合于转速恒 定和精确同步的驱动控制系统中，如纺织、化纤、轧钢、玻璃等行业的设备。 稀土永磁同步电动机与异步电动机相比，也有结构复杂、成本高、起动困难、 不能变极调速等缺点。另外，单相稀土永磁同步电动机的发展目前还不成熟。 2 1 3 稀土永磁同步电动机特点总结 通过对稀土永磁同步电动机具体运行特点与电励磁同步电动机和异步电动 机进行深入比较，根据目前国内外稀土永磁同步电动机实际应用的发展趋势及研 究热点，总结以下几个显著特点： 效率高实际中常常应用到负载变化大，长时工作的场合，如抽油用稀土 永磁同步电动机效率比y 系列电机效率平均高5 8 ，可替代比它大1 2 个功率 等级( 或一个机座号) 的异步电机，节能效果比较突出。 功率因数高采用合理的稀土永磁体激磁方式，稀土永磁同步电动机的功 率因数可以大于o 9 5 ，定子电流比y 系列电机平均小1 5 q 5 。视在功率小、无 功损耗低。提高了电网的品质因数，减少了输变电线路的损耗，输变电容量也可 降低，节省电网投资。 起动转矩高在需要大起动转矩的设备( 如油田抽油机电机) 中，可以用 较小容量的稀土永磁同步电动机替代较大容量的y 系列电机，如用3 7 k w 永磁 电机代替4 5 5 5 k w 的y 系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节 省了设备的投入费用，提高了系统的运行效能。抽油用稀土永磁同步电动机的起 动转矩倍数大于3 o ，比y 系列电机平均高4 0 “0 。 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 节能范围宽当负载从2 5 1 2 5 p n 变化时，稀土永磁同步电动机的效率 变化范围为8 5 9 4 ，功率因数变化范围为o 8 6 o 9 5 ，综合节电率为1 0 4 0 。 适宜负载变化范围大的领域，如油田抽油机电机，煤矿浮选机、化纤等行业。 温升低转子绕组中不存在铜损，定子绕组中几乎不存在无功电流，这 样电机温升低。电励磁电机由绕组提供励磁电流，因受到励磁线圈温升的限制， 励磁绕组占据空间较大，而高性能的稀土永磁体励磁可以缩小励磁空间和提供较 高的气隙平均磁密，因而在相同的体积情况下可以提高电机的出力。一般稀土永 磁同步电动机温升比y 系列电机平均低和8 度。 2 2 稀土永磁同步电动机结构形式研究 2 2 1 总体结构 稀土永磁同步电动机也是由定子、转子和端盖等部件构成。稀土永磁同步电 动机定子结构与普通感应电动机基本相同，由定子铁心和定子绕组构成，为了满 足高效率指标，定子铁心通常采用低损耗冷轧无取向硅钢片叠压而成，以减小电 动机运行时的铁耗。定子绕组一般都采用分布、短距绕组；对于极数较多的电动 机，则普遍采用分数槽绕组；对于需要进一步改善电动势波形时，也可以考虑采 用特殊绕组。转子主要由永磁体。转子铁心和转轴构成。其中永磁体目前多采用 磁性能较高稀土永磁材料的钕铁硼。转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心 钢，或者采用钢板、硅钢片冲制后叠压而成。 如图所示2 一l 所示，是本文研究的油田抽油用2 2 k w 稀土永磁同步电动机 r s m 2 0 0 l 一6 的横截面示意图。其中卜定子，2 一转子径向励磁，3 一转子切向励磁， 4 一转子铁心，5 一转轴，6 一鼠笼条，该电机为6 极异步起动稀土永磁同步电动机。 图2 - 1 船比o o l 一6 横截面示意图 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 2 2 2 转子结构 稀土永磁同步电动机定子结构与感应电动机相同，与其他电机的主要区别是 转子磁路结构。目前国内外对稀土永磁同步电机设计研究主要集中在结构设计方 面，转子结构设计已经成为稀土永磁同步电机设计的关键与核心。 异步起动稀土永磁同步电动机为解决起动问题，在转子上安置有鼠笼条。稀 土永磁同步电动机的高力能指标主要取决于稀土永磁体，起动性能主要取决于鼠 笼条。因此，选择合格的转子结构形式，在保证稀土永磁同步电动机起动性能的 前提下，提高力能指标，减小稀土永磁体用量，是稀土永磁同步电动机设计的主 要任务。 根据永磁体的磁化方向，稀土永磁同步电动机分为径向式、切向式和混合式 三种类型：一般对于径向式磁极结构，永磁体常常做成瓦片形并粘附在转子铁心 表面，因此常称为表面式结构。对于切向式和混合式结构，则需要将永磁体置入 转子铁心内部，因此，也常常称为内置式结构。为了研究方便，通常转子结构也 根据极数划分，常用的稀土永磁同步电动机主要2 极、4 极、6 极。 下面根据不同的极数来介绍稀士永磁同步电动机的转子结构： 1 2 极结构 ( b ) ( c )( d ) 图2 - 22 极稀土永磁同步电动机转子结构示意图 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 2 极电机是稀土永磁同步电动机中转速最高的电机。这种电机在转子结构上 由于永磁体所需的空间最大，比一般4 极和6 极结构永磁体更难放置。通常转子 采取的磁极结构有以下几种，如图2 2 所示，其中1 表示永磁体，2 表示起动鼠 笼绕组，3 表示转子铁心，4 - 表示转轴，5 表示隔磁槽，6 紧圈。 图( a ) 是表面式瓦片2 极径向结构，该结构由于转子鼠笼条放置在永磁体的 内部，仅适用于对启动要求不高的场合或者是变频起动的场合。图( b ) 是内置式 瓦片形径向结构，该结构的鼠笼作用显著，但是永磁体的放置用量受到限制。 图( c ) 内置式平板永磁体串联2 极结构，该结构可以降低加工成本，但是漏 磁有所增加。当转子外形尺寸较小时，该结构比较好。图( d ) 永磁体结构比较简 单，鼠笼条的作用也较明显，但是，转子冲片被永磁体分成三部分，工艺较复杂。 2 4 极结构 下面是常见的4 极转子结构，如图2 3 所示。其中1 表示永磁体，2 表 ( b ) ( c )( d ) 图2 - 34 极稀土永磁同步电动机转子结构示意图 示起动鼠笼绕组，3 表示转子铁心，4 表示转轴，5 - 表示隔磁槽。图( a ) 是径向式 瓦片永磁体4 极结构，这种结构漏磁小，并因鼠笼条在永磁体的内侧，消弱了起 动效果，故在稀土永磁同步电动机中较少见。图是一种经典的4 极切向式结 1 6 西北工业大学硕士学位论文第二章稀土永磁同步电动机特点及结构形式研究 构，这种结构具有聚磁作用，永磁体内侧采用非磁性套筒。图( c ) 是径向4 极结 构，该结构的特点是有较好的隔磁槽，阻止了永磁体漏磁，提高了永磁体的利用 率，但是该结构工艺难度大，结构强度较差。图( d ) 是4 极并联磁路结构，该结 构具有一定的聚磁作用，在磁能级较低的铁氧体或是a l n i c o 中常见，但结构复 杂，强度较差，正反转电枢反应程度不同，仅适宜于单方向运行，随着永磁材料 的发展，该结构在稀土永磁同步电动机中逐渐失去优势。 3 6 极结构 对于6 极稀土永磁同步电动机转子结构，如图2 - 4 所示。其中1 表示永磁体， 2 表示起动鼠笼绕组，3 表示转子铁心，4 表示转轴，5 表示空气隔磁槽。图( a ) 2