（电机与电器专业论文）高性能永磁同步电机性能分析与设计.pdf

东南大学坝 ：学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m ea n dh i g he f f i c i e n c y i th a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ya n d r e s e a r c h i n ga th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r sa st h er e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to fan e w k i n do fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l ，w h i c hh a sh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo fp m s ma n dt h ep r i n c i p l e so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a r e i n t r c d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ef i e l d c i r c u i tc o m b i n e dm e t h o di sa l s od i s c u s s e d w i t ht h eh e l po ft h ea n s y ss o f t w a r e ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di np m s mi s a n a l y z e di nd e v i l ，a n dt h em a i nc o e f f i c i e n t sa n dp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，w h i c ha r e u s e di nm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep m s mi sd e s i g n e da n da n a l y z e do nt h eb a s eo ft h ef i e l d c i r c u i tc o m b i n e dm e l h o da n dt h ea n s y ss o f t w a r e ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s o f t w a r e o fp m s mi sd r a w nu p ，w h i c hh a sak i n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e b yu s i n gt h es o f t w a r e ，a p r o t o t y p em o t o ri sd e s i g n e da n dt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec a l c u l a t e d j nt h ed e s i g n e ds o f t w a r e ，t h ei n t e f f a c eb e t w e e nt h ea n s y ss o f t w a r ea n dc + + p r o g r a mi se s t a b l i s h e ds ot h a tt h eu s e r so ft h es o f t w a r e w h oa r es t r a n g et oa n s y s ，c a n m a k eu s eo ft h ea n s y st oc a l c u l a t ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h ep m s mw h a tt h eu s e 傅 d oi s o n l yt oi n p u tm o t o rp a r a m e t e r s ，a n dt h em a g n e t i cf i e l dm i g h t b ec a l c u l a t e d a u t o m a t i c a l l yb yt h es o f t w a r e k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) c o m b i n e dm e t h o df i n i t ee l e m e n tm e t h o da n s y s s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 1 1 f i e l dc i r c u i t d e s i g no fm o t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内客。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 箱一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍课题背景和研究意义，高性能永磁同步屯机的发展概况和现状，对永磁同步电 机的备种r 眭能分析方法进行总结和比较，指出有限元法在分析永磁同步电机电磁场方面具有的优 越性，最后针对永磁同步电机的特点，提出了本文的研究内容。 1 1 课题背景和研究意义 在1 _ | = = 业发达国家中，无论是工业、商业还是民用领域，都大量消耗能量。过去由丁燃料和电 力的价格较低，能源的消耗是惊人的。7 0 年代，海湾国家实行石油禁运，曾一度出现了国际性 的能源危机。各国在抓紧研究开发新能源的同时，积极采取措施，减少能源损耗。我国政府大力 推进节能工作，取得很大成效，用较少的能源增长支持了国比经济的高速发展。但是，我国能源 利崩效率依然很低，缸能潜力很大。 据资料统计表明，电动机消耗的电能约，i 全国用电量的8 0 以上”，所以，各国都对屯动机 的 7 能r = 作十分重视，开展调夯研究，制定法令和政策，竟先开发出高效电动机。美国能源政策 法规定，白1 9 9 7 年1 0 月2 4 日后，美国大部分一般效率的电动机将停止生产，而只允许生产高 效的电动机“。 与传统异步电机和电励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机，具有结构简单、运行可 靠、损耗少、效率高、体积小、重量轻等一系列优点，成为新一代上业、航空、航天电机的重要 发展方向。第三代稀土永磁体钕铁硼( n d f e b ) 的出现，其优越的磁性能和相对较低的价格，展 示出稀十永磁电机民用开发的j 、阔前景。我国是稀土大国，稀总储量占世界的8 0 ，研制、开 发稀十永磁电机更具有得犬独厚的条件。目前我国稀土矿石和稀- 十永磁的产量都居世界前列，但 稀土永磁产量的三分之二用于出口，在国内销售的三分之一中用于电机的比例很低，而高性能稀 土永磁电机却随着计算机、飞机、数控机床等产品大量进口。因此，充分发挥我国稀十资源优势， 大力研究和推广稀十水磁电机，实现可能降耗，提高经济效益更具有重要的现实意义。 高性能稀十永磁同步电动机近年来得到了迅速发展。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电 动机无需电流励磁，不设电枢和滑环，结构简单，可靠性高。同时转子上无励磁损耗，无电刷和 滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗，效率比电磁式同步电动机要高。永磁同步电动机结构多样， 可以根据需要选择不同的转子结构形式。在一定的范嗣内，可以比电磁式同步屯动机具有更小的 体积和重量。与异步电机相比，永磁同步l h 动机无枯著，转子上无基波铁耗和铜耗，永磁同步电 动机为双边励磁，功率因数可高达1 。功率冈数的提高，一方面减少了无功功率，另一方面也使 定子电流f 降，定子铜损耗减小，效率提高。 正因为永磁同步电机具有高效修能等一系列优点，对永磁同步电机的开发和研究成为世界各 国电机电器相荚产业以及科研院所的研究热点，永缎同步电机的设计、控制、精确性能分析成为 研究的主要内容。由丁永磁同步电机转子中引入水磁体，其形状和放置位置多种多样，磁路结构 复杂，电机的励磁特性也发生了很人的变化，所以永磁同步电机的分析计算要比普通电机复杂， 研究有效的永磁同步电机分析设计方法十分必要。 准确计算永磁同步电机参数和工作性能是分析、设计高性能永磁同步电机的关键，传统的基 于磁路模型的电机分析、设计技术已不能完全满足这一需要，用电磁场数值分析取代传统的磁路 计算止是实现这一目标的有效手段。 1 2 高性能永磁同步电机的发展情况和研究现状 1 8 3 i 年，世界上出现的第一台电机是由b a r o w 发明的永磁电机，但是，由于兰气时采用的夫 然磁铁磁性能太差，电机的磁能积很低制成的电机体积庞大而容量很小，很快诎电励磁电机所 取代。剑二十世纪2 0 年代，美国g e 公司利用铁氧体磁钢研制出一系列微刑永磁同步电动机，但 功率很小。到了二十十 f = 纪6 0 7 0 年代，第一代和第一代稀士钐钴永磁材料s m c 0 5 ，s r a c o l7 相继问 世，其优异的嵫| 牛能使得永磁电机的发展早现山新的、繁荣的生机，但是钐、钴均为稀有金属， 东南大学硕士学位论文 价格昂贵，给实际应用带采了困难。 1 9 8 3 年，日本住友特殊金属公司、美国通用汽乍公司分别研制成功稀十钕铁硼永磁材料， 国际上称为第三代稀卜永磁材料。n d f e b 磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料车富，价格较便 宜。从1 9 8 4 年起，各t 业发达国家竞相研制高性能永磁电机。日本住友公司和美国通用电气公 司分别批量制造用于计算机外存储器的音圄电机及n d f e b 永磁汽车起动电机：德国两门子公司经 十多年努力，采i 【 多种结构，研制成功用于化纤业的高速永磁屯动机和用丁交流调述系统的永 磁同步电动机。 8 0 年代前后，应用n d f e b 材料制造高性能永磁同步电动机的研究发展很快。其中对于固定 频率下永磁同步电动机的运行特性、白起动性能的研究，发表了较多的论文“j 但也多局限于 电机稳态特性的分析，沿崩的方法与传统交流电机的分析方法相近。 8 0 年代期间，国际上发表了大量永磁电机的论文，对永磁同步电动机的数学模型、稳态特 性和动态特性进行研究。“。 1 9 8 6 年，t o m ys e b a s t i a n 发表了永磁同步电动机( p m s m ) 建模的文章”1 。 1 9 9 7 年，t o m ys e b a s v i a n 又发表了关于永磁同步电动机塌速系统的动态建模的文章”，从 理论上系统分析了永磁同步电动机利用p a r k 模型随转子一起旋转的dq0 系统，但仍将d ，q 轴 等效绕细作为两个无福台、参数恒定的独立部分来处理。 b ，s n e y e r s 等学者最早提出了在建立p m s t a 数学模型时，考虑剑由电机电枢电流交轴分量引 起的交叉耦台问题。其中，f p a r a s i l i t i 等采片i 有限元法研究p m s m 的模型，同时计及交叉饱 和、交叉耦合的影响修正电机模型，被认为是较为有放的分析研究方法l 。 在高性能承磁电机产品方面，国外利用稀土永磁的优异性能研制开发高性能永磁同步电动机 已有2 0 多年的历史。1 9 7 8 年，法国c e m 公司推出i s o s y n 系列0 5 5 1 8 5 k w 稀土钴永磁同步电 动机，效率比一般异步电动机高2 8 ，功率内数提高0 0 5 0 1 5 ，但因当时采用钐钻永磁体 成本太高，未能推广应用。 我国许多高校如清华大学、阿北工业大学、沈阳 一业大学等和科研单位白1 9 8 0 年开始就进 行高性能永磁同步电动机的研制，取得了明显的效果。先后开发了用丁纺织行业中织布机、化纤 机械、风机泵类的多种规格和型号的高性能钕铁硼永磁同步电动机产品，取得了良好的经济社会 效箭特别是0 8 k w 纺织专用永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率冈数高丁09 5 ，节电率高达 1 0 以上“。 现代永磁电机的特点是高力能指标、大功率密度、转子奇异结构、由永磁体产生新的变量。 其研究内容更j 。，对分析研究所采用的方法和技术( 如电路、磁路、网络及场分析等) 提出了更 高的要求。目前国内外对永磁同步电机的研究主要有以下几个方面： ( i ) 结构设计研究 由于稀土永磁电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高的气隙磁密 和磁势。闻此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较多时，可采用切向磁路结构或混合式结构。 目前，国内外都在研究永融同步电动机的各种转子形状，其设计准则都是通过增加磁通、减 弱电枢反应或高速运行米提高功率密度平 l 效率。 ( 2 ) 优化设计 在稀十永磁材料价格昂贵的情况f ，应考虑如何合理地选抒永磁体的工作点，使之在满足电 机性能指标前提下，使所用的水磁材料最少，即电机的成本最低或体积最小。由于永磁体尺寸大 小直接影响屯机的各项性能指标，因而可直接选用永磁体形状作为设计变量，而将其他尺寸都用 这些变量米表示。在约束条件中，电抗参数、定子齿部利轭部磁密、定子电密、起动电流以及槽 满率等都应限制在一定范隔内，而效率、功率因数和起动转矩等则应大丁：某一给定值。 ( 3 ) 磁场分析计掉和数值方法的研究 永磁电机设计中，除了电机新结构的发明创造外，最重要的发展可说是用有限元方法进行磁 场计算。为了充分发挥永磁材料的优异性能，永磁电机的结构和传统电机有很大的差别。计锋永 磁电机性能时，不但不能套用传统的磁路计算方法，而且和一般i 乜机磁场分析也有很大的不同。 永磁屯机结丰勾复杂，永磁材料的磁特性为各向异性等，这些都给磁场分析带米了新的课题。 对于某些人弈量或特殊结构的稀1 二永磁电机，为了提高它的设计精度，不仅要进行_ 二维磁场 分析，还需进行二维磁场分析：不但要进行静态磁场分析，还要进行瞬变磁场分析。 ( 4 ) 测试技术的研究 由r 永磁i 也机趋承磁体励磁，磁场4 ；能调节，而且有一些永磁电机需要充磁后再裟配和检测， 第一章绪论 因此某些传统的参数和性能测试方法不能直接应用。近年来永磁电机的测试技术得到了很大的发 展，例如电机稳态和暂态参数的测定、电机端都三维静磁场的测试等。对于永磁同步电动机交、 直轴参数，特别是超瞬变参数物理概念的分析和测试方法是当前的重要研究课题。 随着永磁材料的不断发展电力电子和控制技术的进步，稀十永磁电机将越米越多地替代传 统电机，麻刖前景非常广阔。稀土永磁电机的设计利制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构更 为复杂，计算结果更加精确，制造j 艺更加先进适州，需运用多学科理论和系统丁程进行优化设 计，提高性价比，促进电机学科和行业进一步发展。 1 3 永磁同步电机性能分析方法 当前，用于永磁同步电机电磁性能分析的方法土要有等效磁路法、电磁场数值计算法以及场 路结合法，其中电磁场数值计算法中用得最多的是有限元法。 l 、等效磁路法 等效磁路法是研究电机性能的传统方法，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，将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丁磁场中对应点之间的磁位差”1 。这种 处理方法，可以大大减少计算所需的时间，在方案估算、初始方案设计利类似结构的方案比较肘 更为实用。但由于永磁同步电机磁场分布复杂，仅依靠等效磁路模型难以描述永磁同步电机磁场 的真实情况，使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等无法由磁路法直接推导得出，而只能借 助于经验数据或曲线。又由丁永磁同步电机是一种较为新型的电机，殴计经验的积累还不够丰富， 经验数据或曲线通用性差，该种电机磁路结构多种多样，且继续有所创新。这样按照经验修正参 数必然会影响计算结果的准确性，要得到高精度的结果必须采用其它的分析方法。 2 、电磁场数值计算法 电磁场数值计算方法包括有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基本类型， 以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其中，最有效的是有限元法。有限 元法具有单元剖分灵活和算法统一、通用的优点，且特别适合在电子计算机上运算，近年来在工 程中得到了广泛的应用”“j 。有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对丁各种各样 的电磁计算问题具有较强的通用性，通过前处理过程能有效地形成方程并进行求解。它能较立，地 处理i f 线性问题，处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便。它所形成的代数方程具有 系数矩阵对称、正定、稀疏等特点，所以求解容易，收敛性好。但利用有限元法进行电磁场数值 分析时，所占用的计算机资源较多，计算时间较长。总之，工程设计和i 科学研究对电磁计算精确 度要求的不断提高，促进了有限元法的发展及其在电机设计方面的广泛应用，而计算机资源的不 断开发义为有限元法电磁计算的发展创造了必不可少的条件。 3 、场路结合分析法 场路结台分析法是指磁场和磁路相结合的分析方法。传统的磁路法虽然计算速度快，但精度 不高；而以有限元法为代表的电磁场数值计算法虽然较为准确，但对计算机资源要求较高且计算 时间较k 。因此，利用电磁场数值计算求出磁路法计算中不易准确计算的一些参数，如空载漏磁 系数、计算极弧系数、气隙磁密波形系数等，再将这些参数结合到磁路计算中去，可以提高计算 结果的准确性。 综上所述，场路结合法是一种较为理想的电机性能分析方法，如果能将之应用到电机的性能 分析中，在计算精度满足工程设计的要求下将使计算速度大大快于有限元法，对电机设计具有很 大的实用价值。冈此，本文采j j 场路结合的方法对永磁同步电机进行设计分析，完成以等效磁路 解析求解为主，用有限元法计算得出的各种系数进行修正的永磁同步电机计算机辅助设计分析软 什。 1 4 本文的主要研究内容 本沦文从永磁同步电动机本体出发，采用场路结合的方法对永磁同步电机进行设计分析，借 助有限元计算软什a n s y s 建立准确的永磁同步电动机电磁计算棋到，完成一套较完整的高性能 永磁同步l 也动机殴计分折软什系统。该软件系统将实现以f 功能： 东南大学坝e 学位论文 ( 1 ) 系统建立有限元计算软件a n s y s 和设计程序之间的接口，由设计程序调用a n s y s 软什 进行电机磁场分析。在进行电机性能计算时，本系统仍采用传统的磁路计算法，实现场路结台法 分析电机的性能，提高分析结果的准确性。 ( 2 ) 系统具有友好的人机界面，能管理已有电机设计方案，能查看、编辑铁心材料库，供 不同情况下的电机殴计分析选用。 ( 3 ) 系统能显示永磁同步电机丁作特性曲线以及电机设计清单，且能查看运用a n s y s 计算 得到的电机内部磁场分布幽和气隙磁密波形图等，供电机设计人员参考。 论文共分五章，其中第二章阐述永磁同步电动机的结构特点和基本理论。首先介绍和比较永 磁同步电动机转子的箨种结构型式，给出永磁同步电动机稳态性能的分忻方法，为后面几章设计 工作的全面展开奠定基础。 论文的第三章对高性能永磁同步电动机内部电磁场进行计算。首先阐述了电磁场有限元法的 基本理论，着重讨论有限元法在永磁同步电动机磁场分析中的应削，使用a n s y s 对样机电磁场进 行分析，得出磁路法计算中不易准确计算的一些参数，如空载漏磁系数、计算极弧系数、气隙磁 密波形系数等。 第四章根据场路结合法编制高性能永磁同步 也动机分析设计软什，对样机进行设计与分析， 得到样机的运行性能曲线，进行分析，并给山软件的模块、功能及界面设计。 论文第五章着重讨论有限元软什a n s y s 在高性能永磁同步电机系统设计中的应用详细阐述 如何实现软件对a n s y s 的封装，使得不熟悉a n s y s 的电机设计人员也能使用a n s y s 进行电机设计。 论文最后对全文进行总结。 第二幸水融同步l u 动机的结构特，1 和基本理论 第二章永磁同步电动机的结构特点和基本理论 在对高性能承磁同步电动机进行性能分析j 设计之前，必须熟悉和掌握相关的永磁同步电动 机的运行理论e 永磁同步电动机的运行原理和电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通 代替斤者的励磁绕组励磁，电动机结构较为简单且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了 电动机运行的可靠性。 永磁同步电动机的分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式平轴向磁 场式：按电枢绕组位置的不同，可分为常规式和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为异步 起动永磁同步电动机和凋速永磁同步电动机；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步屯 动机和正弦波水磁同步屯动机。 随着永磁材料性能和电力电子器件性价比的不断提高，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步 电动机理论分析、设计和运行控制中山现了许多有待进步深入研究的新课题。本章首先对永磁 同步电动机各种结构形式的转子进行介绍和比较，弗对永磁同步电动机的稳态性能进行分析，为 后面儿章的设计工作做好准备。 2 1 永磁同步电动机的结构型式 永磁同步电动机的定子一般与三相异步电动机定子相同，必要时可以借用异步电机的机座和 定子冲片。但为了减小永磁同步电动机的杂散损耗，定子绕组常采用双层短距或正弦绕组形式。 永磁同步电动机的结构型式般就是指转子结构型式，转子结构是永磁同步电动机的关键和 核心。永戳同步电动机的转子结构一股还要求转子冲片具有整体性、简单性，并能充分提高永磁 体的利川率。 根据永磁体在转子上位置的不同，现在普遍使用的转子磁路结构一般有：表面式和山置式。 2 1 1 表面式转子磁路结构 在这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，位于转子铁心的外表面上，提供磁通的方向为径向， 且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以 无纬玻璃丝带作保护层。 表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种，如图2 一l 所示。对采用稀十永磁材料的电 机来说，由于永磁材料的相对可逆磁导率接近l ，所以表面凸山式转子在电磁性能上属于隐极结 构；而表面插入式转子由丁 相邻两磁极之阃有磁导率很大的铁磁材料，所以在电磁性能上属于凸 极转子结构。该结构囡转子表面无法安放起动绕绸，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同 步电动棚。 l j a 一。；2 3 7 ，7 、 b ) 插入式 图21 表面式转子磁路结构 永磁体2 一转子铁心3 一转轴 、 东南大学顺1 一学位论史 表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本较低和转动惯量小等优点，而且其永磁磁极易 于实现最优设计，使之成为能使电机气隙磁密空间分布趋近丁正坛形的磁极形状，可以显著提高 电机的性能。 表面插入式转子结构可以充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密 度，动态性能较凸出式有所改善，制造二r 艺也较为简单，但漏磁系数和制造成本都比凸u5 式人。 2 1 2 内置式转子磁路结构 该结构的永磁体倪丁转子内部，永磁体表面与定子铁心山圆之间有铁磁材料制成的极靴，极 靴中可以放置铜条笼或铸锅笼，起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛刖丁i 要求有白起动能 力或动态性能高的永磁同步电动机。在该结构中，永磁体受剑极靴的保护，其转子磁路结构的不 对称所产生的磁阻转矩也有助丁提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。 内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和混合式三种。 l 、径向式结构：该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需采取隔磁措施，极弧系数易于控 制，转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子不易变形笛。剀2 2 a 的径向结构为美国专利，该 结构的特点是强有力的隔磁槽有效地阻l r 了永磁体漏磁，提高了永磁体利片率：但其复杂的非整 体结构增加了工艺难度，较著的结构强度成为这一结构的致命的弱点。图2 2 b 的v 字形永磁体 结构虽早见于英国某产品中，该结构有效地利用了转子空间。 2 一氧| 。? i j t 二岛 3 b t s 。 一堆卅 a )b ) 图2 - 2 内置径向式转子磁路结构 1 一永磁体2 一鼠笼条3 转轴4 一铁心5 一非磁性材料6 一隔磁材料( 图2 3 同) 2 、切向式结构：该结构的漏磁系数较大，需要相应的隔磁措施，制造上艺和成本较径向式 有所增加。其优点是一个极距r 的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更人的每极磁通。尤其 当电机极数较多，径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此 外，采用该结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的4 0 ，对提高电机的功率密度 和扩展匣功率运行范围都是很有利的。 图2 3 a 是一种典型的4 极切向式结构，永磁体内侧采用非磁性轴或非磁性套简。图2 3 b 的转子结构利用空气隙隔磁，省去了图2 3 a 中的隔磁套5 ，转子冲片具有整体性。当永磁体励 磁不足时，还可以在隔磁槽6 中放置永磁体。 6 白f 每扣少 一一 缈矿_ 。，乒 筝 一 笙三雯坐墼旦生垒垫坚塑墅塑堑皇塑茔奎墨丝 i s n 二兰。jn 上一 nr 一5 n s 一 a p p l y m a g n e t i c b o u n d a r y ，然后就可以求解了，可盲接在命令输入窗e l 中输入 命令m a g s o l v e 。若求负载情况下的碰路，则还要在定子线罔中加负载电流。 3 、后处理 a n s y s 有两个结果后处理器：p o s t l 和p o s t 2 6 ，前者是通用后处理器，可以观看整个模型 或模型的一部分在某一时间上针对特定载荷组合时的结果；后者是时问一历程厉处理器，可以观 看模型在不同时间段或子步历群上的结果，常用于处理瞬态或动态分析结果。本论文使用的是通 崩后处理器p o s t l 。 求解j f i 彳得到的基率数据是磁欠量的z 轴分量彳一，由丑可以得到派生数据，这将在下文一一 介纠。斤处理以两种方式显示，一种是将所需要的物理量如b ，、日等以列表的形式显示出来， 另一种是将所需要的物理量以彩色图形的形式显示出来。常用的图形显示选择有：等位线绘幽 c o n t o u rp l o t ，欠量绘图v e c t o rp 1 0 t 、磁力线f l u xl i n e s ，这些功能的选择在实用菜单a n s y s u l i t ym e n u 中的p l o t r e s u l t 内完成。 第三翥商性能永磁心步f 邑动机的有限元分析 3 。3 。3 永磁同步电动机空载磁场分析和气隙磁密计算 对圈3 - 4 所示电机的一对极区域进行建模求解，不加载荷，即定子电流全部赋零，仅永磁体 作用。通过后处理显示出磁场分布，即为样机的空载磁场，如幽s - 6 所示。 圈3 6 空载磁场磁力线分布图( 一对极区域) 电机气隙是电机进行机电能量转换的重要区域，电机的性能、参数都是以气隙磁场计算为基 础的。气隙磁密曲线直观地反映出气隙磁密的分布变化情况，所以计算气隙磁密、绘制气隙磁密 分布血线具有重要意义。 在a n l | n y s 后处理中，改变k n s y s 坐标为极坐标，以电机轴心为圆心，经过最小气隙中心处取 圆弧( 即半径为9 0 2 r a m ) ，在这圆弧上取出极坐标f 的磁通密度且，即为气隙径向磁通密 度b 把b ，作为电机空载气隙磁场的磁通密度数值。以上述圆弧由电机对称轴处到左右的i 王= 度 为横坐标，b 。为纵坐标绘图t 得到图3 - 7 舢 卜，： 即为电机空载磁场气隙磁密的空间分布曲线。 i ” “”d j 筹 。”6。 d i 铲 鲫。曲 图3 7 空载气隙磁密分布曲线 图3 8 定子内圆节点磁位分布曲线 以电机轴心为圆心，经过定子内圆取一圆弧( 即、f 径为9 0 4 m m ) ，在这圆弧上取出磁位彳。 以上述圆弧由l h 机对称轴处到左右的长度为横坐标，a 为纵坐标绘图得到如图3 - 8 所示的定 于内圆= 竹点磁位分布曲线。 3 3 4 永磁同步电动机空载反电动势的计算 空载反电动势毛足永磁同步电动机的霞要参数，空载反电动势由电动机中永磁体产生的空 载气隙磁密基波磁通在电枢绕绵中感应产生。由。 永磁同步电动机的励磁不能调节，无法像电励 磁同步电动机通过调1 ，励磁改变功率冈数以达到改善电网功率因数的目的，因而必须合理选取空 !堕垒堂堡圭兰些丝苎 载反电动势n 合理设计蜀，可降低定子电流，提高电动机效率，降低永磁材料用量。 计算空载反屯动势的方法很多，如磁链微分法、磁密分解法、磁位分解法等。根据上述样机 的a n s y s 分析可知，经过有限元a n s y s 计筇，可以求出样机气隙磁密e 和定子内圆节点矢量磁 何4 的分布，由此可以得到计算永磁同步电动机空载反电动势的两种较为简便的方法。 i 、磁密分解法 在a n s y s 后处理中，不仅可以显示曲线图形，而且可以列出构成曲线的备点坐标值，根据这 些坐标值，运用i a t l a b 软件绘制气隙磁密b 波形，如到3 - 9 中a 波形所示。再对波形作傅立叶 坌篓：。堡剑气隙磁密基波和各次谐波的幅值，取1 、3 、5 次谐波，得出如式( 3 1 6 ) 所示的傅立 叶级数展开式： 。一 计算结果如下： 气隙磁密基波幅值：b 。= o 6 0 5 7 7 每极下空载基波气隙磁通幅值为： o 。2 二芬，t ，= o 0 0 3 4 w b 州 式中l , 4 一一电枢计算长度，l = 9 0 8 r a m ： r 一一极距，r = 2 石9 0 1 2 2 矽= 9 4 4 6 r a m 。 从而得到空载励磁电动势为： 岛2 , 2