（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步推进电机研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = 目= = = = = = = = = = # = = ；= = = ，_ 一= a b s t r a c t i t san e c e s s a r yt r e n dt h a ta ce l e c t r i cp r o p u l s i o nr e p l a c i n gd co n e st h ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u se l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi st h eb e s tp r o p u l s i o nm o d ew i t ht h eb e s t d e v e l o p i n gf u t u r e i na ce l e c t r i c p r o p u l s i o n p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u se l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mi s ak i n do fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cs y s t e mw h i c hi s c o n s i s t i n go f p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e ra n dp 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 ) hi sw i d e l y u s e da sah i g h p e r f o r m a n c ed r i v i n gm a c h i n eb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ew h i c ht h ea cm o t o r sh a v ea n dt h e i n h e r e n ta d v a n t a g e sa sap mm o t o ro fh i g he f f i c i e n c ya n dl o wm a g n e te x c i t a t i o nl o s s i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n do ft h ep m s m a r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e nt h i sp a p e rp u t sf o r w a r d2 0 0 k wp e r m a n e n tm a g n e te l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mf o rt h ed cp o w e rs u p p l y ，a n dg e n e r a l l yf o ra cp o w e rs u p p l yw i t h c o n s t a n t v o l t a g e t h i s e l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e mc o n s i s t s o f p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sp r o p u l s i o nm o t o r ，d c d cc o n v e r t e r ，i n v e r t e ra n de t c t h ep m s mi sai m p o r t a n tp a r to ft h e2 0 0 k w p e r m a n e n tm a g n e te l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m t h i sp a p e re m p h a s i z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o r t h ee l e c t r o m a g n e t i s m c o m p u t ep r o g r a mo ft h em o t o rh a sb e e nd e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，i ti sd e t a i l e di l l u s t r a t e dt h e f e am e t h o do nt h ed e s i g no ft h ep m s m t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e d ，a n dh a sr e a c h e di t s t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s o m eb a s i cr e s e a r c h e so nt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sp r o p u l s i o nm a c h i n e h a v eb e e nd o n ef r o mb o t ha s p e c t so ft h e o r ya n da p p l i c a t i o ni nt h i sp a p e lw h i c ha r e e x p e c 忙dt ob eu s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i 曲p o w e rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s p r o p u l s i o ns y s t e m k e yw 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 a c h i n e e l e c t r i cp r o p u l s i o n d c ，d cc o n v e r t e r m a t h e m a t i cm o d e lf e a h 独刨性声明 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任商萁他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旅立名 日期：z o o t 年，月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作肴完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向囝家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 彰l g 日期：2 彬年，口月7 日 指导教师签名：袭垆，华 日期：山。r 年7 。月毕日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 【概要】本章首先介绍了电力推进系统的发展概况和研究现状，综合分析了永磁 同步电动机及其相关技术的发展及研究现状，预测今后的发展趋势，然后对课题的意 义以及本文的 要工作进行了说明。 1 , 1 电力推进系统的发展概况 电力推进系统是指以各类电动机为动力的推进系统。因为电动机种类的不同，又 分区流电动机推进系统、交流电动机推进系统、步进电动机推进系统等等。众所周知， 由r 直流电动机转速的调节性能和转矩的控制比较理想，所构成的直流调速系统控制 简单，所以，在电力推进系统中，由直流电动机构成的直流电力推进系统长期以米占 统治地位。但由于直流电动机具有换向器，存在自身的弱点：结构复杂、体积大、价 格高、维护困难、因运行时有火花、容量和转速的极限值受到限制等，因而使用场所 受到限制”】。 交流电动机其输出功率及转速极限值比直流电动机大得多，结构简单，制造成本 低，运行可靠，体积小。随着电力电子技术、数字控制技术、现代控制理论特别是矢 量控制技术的发展，交流调速系统的性能已可与直流调速系统相媲美1 2 1 ，凶而不仅广 泛应用于钢铁、造纸、化工等工业领域，在破冰船、客轮、油轮、游船、l ：程舯以及 舰艇电力推进中已开始得到应用，并逐步取代直流电力推进。据日本早年统计，1 9 7 5 年销售的交流调速装置与直流调速装置之比为1 ：3 ，而到了1 9 8 5 年，反了过来，成 为3 ：1 。这种趋势，近1 0 多年来发展更快。2 0 世纪来，在工业发达国家，交流调速 就已占据主导地位。 纵观交流电动机推进系统发展过程，大致是沿着三个发展方向：( 1 ) 取代直流调 速，实现少维修、省力化为目标的商性能交流调速；( 2 ) 以节能为目的，改恒速为谰 速，适用于风机、泵类、压缩机等通用机械的交流调速；( 3 ) 直流调速难以实现的特 大容量、高电压、极高转速领域的交流调速。 自第三代稀上永磁材料钕铁硼的研制成功，使永磁电机功率等级有很大的提高， 性能方面明显改善”。现在正在开发研究新型磁场结构的永磁推进电动机体积更小， 重量更轻，性能又进一步改善。交流永磁同步电力推进系统更适合于大功率低速推进 华中科技大学硕士学位论文 的要求。与直流电机相比，永磁电机具有以下优点： ( 1 ) 由于采用永磁体代替导电线圈，永磁电机与同容量的直流电机相比体积小、 重量轻，一般来说可以节省4 0 5 0 的体积和4 0 左右的重量。 ( 2 ) 由于采用永磁体代替导电线圈励磁，系统不存在励磁损耗，与直流电机调速 系统相比，整个系统效率大致可以提高2 5 。 ( 3 ) 由于转予没有损耗，可以采用外水冷的技术，从丽可以减少冷却噪声和冷却功率。 ( 4 ) 由于永磁电机利用电子逆变器取代机械换向器，所以设计、制造、维护方便， 可靠性高，而且永磁电机可以采用高电压，理论上讲没有功率极限。 ( 5 ) 永磁电机转予的转动惯最小，有利于提高快速响应。 以永磁电动机为基础的永磁电力推进系统还具有可靠性高、安全性及维修性好、 自动化程度高、通过冗余设计和“降低功率”实现高的利用率等优点，目前，世界各 国都在大力发展永磁电机及其控制系统。 1 2 永磁电力推进系统研究现状 舰船电力推进系统要求电机体积小、重量轻、噪声低、效率高，为提高效率和舰 船的机动性，舰船推进系统逐渐向低转速、高转矩方向发展。传统的直流推进系统由 于结构复杂、功率容量有限，已很难满足现代电力推进的要求。交流永磁电机结构紧 凑，低速工况下效率比常规直流电机高很多，随着电力电予技术、交流调速技术和永 磁材料研究的发展，其应用于舰船电力推进系统具有良好前景，因此近年来法国、德 国、俄罗斯等均对大容量永磁推进系统进行了深入的研究。下面分别简要介绍这些国 家的研制概况。 德国西门子公司纽伦堡电机厂1 9 8 6 年初研制了一台1 l o o k w ，2 3 0 转分的六相永 磁同步电动机，并做了对比航行试验。在试验中一条船安装永磁同步电动机，另外两 条船安装常规的直流推进电机。试验结果表明，在电机的宽度和高度不变的情况下， 电机的总重量和有效体积减少了4 0 ，系统效率特别是在低速工况下的效率大大提 高。目前德国已首先采用永磁电动机作为潜艇推进电机，1 9 9 8 年西门子研制的1 7 6 0 k w 永磁同步电动机已装备于新一代u 2 1 2 潜艇。目前，西门子公司已研制了5 0 0 0 k w 、 1 5 0 转，分的永磁电动机。 英国1 9 9 6 年展出了装有两台2 1 0 0 k w 永磁电动机的“海魂”号轻型隐身护卫舰 设计模型，现在正准备研制1 6 2 4 m w 、1 8 0 转分的横向磁通永磁电动机。 华中科技大学硕士学位论文 美国于1 9 9 4 年制造了一台3 0 0 0 马力的永磁电机用于试验巡逻舰上，现在正在研 制1 2 5 0 0 马力、1 5 0 转，分的永磁电动机为将来2 5 0 0 0 马力永磁推进电动机应用于水面 舰艇全电力推进系统打下基础。 法国的热蒙旌奈德公司于1 9 8 7 年制造了第一台4 0 0 k w 永磁电动机样机，转 速为5 0 0 转分。此后，法国又制造了一台1 3 相1 8 0 0 k w 永磁电动机，接着还设计制 造了一台3 m w 、5 0 0 转，分的轴向永磁同步电动机，1 9 9 5 年6 月开始试验。现在，法 国宣称具有1 0 0 0 k w 7 0 0 0 k w 的潜艇用永磁电力推进系统的全套产品。 俄罗斯电气物理装置研究所已研制并正在制造实艇使用的4 1 0 0 k w 的永磁同步电 力推进系统。 瑞士勃罗鲍弗利( b b c ) 公司与德国磁电机公司一起于1 9 8 6 年为瑞典潜艇设计 了一台功率为1 5 0 0 k w 的永磁同步电动机。其运行电压范围为直流2 8 5 6 5 0 v ，其速度 范围可达0 1 8 0 r m i n 。 1 3 国内外永磁同步推进电动机研究现状 在交流永磁电动机中，其中反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机， 称为无刷直流电动机；反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机，称为j 下弦 波永磁同步电动机，简称永磁同步电动机。永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电 源频率保持恒定的关系，这一固有的特性使得它直接用于开环的变频调速系统，尤其 适用由同一变频电源供电的多台电机要求准确同步的传动系统中，如化纤设备，这可 以简化控制系统，还可以实现无刷运行，而且有较高的效率和功率因数，可以减少价 格昂贵配套变频电源的容量，因而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通 常可以由变频器的频率逐步升高来起动，在转子上可以不设起动绕组。变频器供电的 永磁同步电动机加上转予位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机，具有直流电动机 的优异调速性能，应用于要求高控制精度和高可靠性的场合。德国制成5 相变频电源 供电的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r m i n 稀土永磁同步电动机，最近俄罗斯试制成功3 5 0 0 k w 大 型稀土永磁同步电机，以上两种产品均用于舰船推进。 在“七五”期间，武汉船用电力推进装置研究所与哈尔滨工业大学合作研制了 7 5 k w 永磁同步推进电机及其控制设备；在“八五”期间，武汉船用电力推进装置研 究所完成了2 5 k w 永磁同步推进电机及其微机控制逆变器系统研制工作：此后，又完 成了5 1 5 k w 电力推进机电一体化技术研究。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 4 永磁同步电动机相关技术的发展动态 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。7 0 年代以后，功率晶体管 ( b j t ) 、门极关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 、 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等全控型器件先后闷世，使得逆变器构成简单、结构紧凑。 i g b t 由于兼有m o s f e t 和b j t 的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，下向 大功率化、高频化、模块化、智能化发展。8 0 年代以后出现的功率集成电路( p i c ) ， 集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于交流调速的 智能功率模块( i p m ) 采用i g b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、 短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功 能，既减少丁体积、减轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功率 器件的重要发展方向pj 。 金控型高频开关器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。脉宽调锖t j ( p w m ) 逆 变器取代方波形逆变器后，s p w m 逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型 p w m 逆变器以空涮电压矢量方法决定逆变器的开关状态，形成理想磁通圆。由于控 制简单、数字化方便，已呈现出取代传统s p w m 的趋势。电流跟踪型p w m 逆变器【6 ) 兼有电压和电流型逆变器的优点，更因其电流动态相应快、实现方便，受到重视。随 着器件歼芙频率的提高，s p w m 逆变器的输出波形非常逼近j 下弦波。近年研究出的惜 振型( 软歼关) 逆变器，开关损耗几乎为零使效率提高、体积减小、重量减轻、成本 降低，是很有发展前途的变频器。 7 0 年代仞提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，使交流电动 机获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能。8 0 年代中期提出的直接转矩控制 方法，采用空闯电压矢量分析方法通过磁通跟踪型逆变器的开关状态直接控制转知， 免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。近年来，各围学者 致力于无速度位罱传感器控制系统的研究，应用模型参考自适应法和扩展忙尔曼滤波 法计算电动机转速i i 。 微处理器引入控制系统，特别是数字信号处理器d s p 的飞速发展，促进了模拟 控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，人人简 化了_ 硬件，降低了成本，提高了控制精度，而且自诊断功能和自调试功能的实现又进 。步提高了系统可靠性，节约了大量人力和时间，操作、维修都更加方便。微机运算 4 华中科技大学硕士学位论文 速度的提高、存储器的大容量化，将进一步促使数字控制系统取代模拟控制系统，数 字化已成为控制技术的方向。 随着壬见代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控 制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正存不断涌现，展现出 更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。 1 5 课题来源、意义和主要研究内容、 课题来源于国家重点预研项目，本课题以一台2 0 0k w 、3 相永磁同步推进系统为 研究对象，着重对2 0 0k w 永磁同步推进电机的原理、设计手段及试验进行了较为深 入的研究，希望对今后进行大功率永磁同步电力推进系统的研究具有一定的借鉴作 用。主要的研究内容如下： ( 1 ) 分析了永磁同步推进系统组成和工作原理。 ( 2 ) 分析了永磁同步推进电机的基本结构和一i j 作原理，设汁方法 ( 3 ) 介绍了利用a n s y s 有限元计算软件计算永磁i 司步推进电机参数的力+ 法 ( 4 ) 对系统进行试验分析，记录实际波形，结合理论分析，得出试验结果。 华中科技大学硕士学位论文 2 永磁同步电动机样机 【概要】本章首先介绍了永磁材料的发展情况对多种永磁同步电动机结构进行 r 分析对比，最后论述了2 0 0 k w 永磁同步推进样机方案的选择依据及其特点。 2 1 引言 从第一章的叙述得出的结论，永磁同步电动机最适合推进电机的发展趋势，如大 容量、高转矩、高比功率、低噪声、宽平滑调速区、体积小、重量轻、安令可靠和叮 维性好等。因此，我们在本课题中采用永磁同步电动机作为推进电动机。 与常规电机的电励磁不同，永磁同步电动机的转子采用永磁材料励磁。性能一i 同 的永磁材料，对永磁同步电机的性能和结构有着决定性的影响。永磁体的安装方式 也是多种多样，对电机性能也起着重要影响，现对应用于永磁电机的稀土永磁材料类 ，魁及电机结构进行叙述。 2 2 电机用稀土永磁材料 h ( k o e ) 图2 - 1儿种永磁材料的退磁曲线 经过几卜年的发展，应用于电机的稀十永磁材料t 要是钐钴( s m c o ) 和钕铁 硼( n d f e b ) 两大系列。钐钴永磁材料磁能积性能高，退磁曲线为直线，工作温度 商温度系数小，抗去磁力强，在提高电机性能体积比方面有明显优势。但价格昂 华中科技大学硕士学位论文 券，限制了它的应用。钕铁硼永磁材料磁积性能高，退磁曲线为直线，价格便宜， 是目前电机采用最多的永磁材料。但其存在居犁温度和工作温度低，温度系数大 以及抗锈蚀能力较差的缺点。目前，这些缺点正在被逐步克服。高矫颈力的钕铁 硼热稳定性并不比钐锚差，其综合性能己超过s m z c o t ，正在逐步取代钐钴永磁。 水磁材料的性能用最大磁能积( b h ) m a x 来表示其中b 为剩磁磁密，h 为矫顽 力。图2 1 为几种电机常用永磁材料的退磁曲线，从图中可看出其磁特性及其差 异i 3 】。 我国的稀土资源十分丰富，稀土资源的工业储量占世界总储量的8 0 ，稀七矿的 开采量占世界第一位，稀士冶炼技术在世界上处于领先地位，稀土永磁材料的研制水 平仅次于美国，稀士永磁开发基本上与国外同步，因而永磁同步电机的应用将更加广 泛。 2 3 永磁同步电机结构 根据永磁材料的不同类型，永磁同步电机可以有各种不同的设计，尤其是磁极结 构，随着永磁材料性能的不同和应用领域的差异而具有多种方案。早期的铝镍钻永磁 同步电机的转予沿用了传统的同步电动机的结构形式，如图2 2 所示 l 。根据锅镍钴 永磁材料矫顽力比较小而剩磁磁密大的特点，磁极采用截面小、卡殁身长的彤状。后来 永磁同步电动机中较多地采用了铁氧体，其矫顽力比较大，因而磁极长度比较短。为 了便于把永磁体闽定在转子一卜，铁氧体永磁同步电动机的转子常采用图2 3 a 的结构。 h 前采用稀永磁材料做磁钢，如钐钻合金( s m c o ) 、钕铁硼( n d f e b ) 等均具有很 岛的剩磁磁密( 0 9 t ) 和很大的矫顽力，永磁转子在电动机内所需空间很小，只要设 计合理，就不会出现由于短路电流而产生偶然去磁的危险。用稀土永磁材料做磁钢的 永磁吲步电动机，往往只要片磁体即能满足产生电机所需磁场要求，吲而在稀乇：永 磁电机中，磁体常采用瓦片式( 薄片式) 贴在转子表面，或嵌在铁心中。冈2 3 b 为 磁极内嵌式永磁同步电动机磁极结构，永磁体嵌在铁心中。转子表面安装式永久磁钢， 可以获得足够的磁通密度和高的矫顽力特性，且转矩，重量比也将获得很大的改善， 其结构如图2 - 4 所示，磁极下的磁钢可以是整块式的，也可以是细条式的。内嵌式永 磁同步电动机可以看成凸极式，表面磁极式永磁同步电动机可以看成隐极式的并且 。般气隙较大。 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2早期的永磁同步电动机磁极结构 酗2 - 3 永磁唰步电动机磁檄结幸勾 i 9 s 图2 _ 4 表面式永磁同步电动机转子截面示意酗 2 4 永磁同步推进电动机样机 我们进行了2 0 0 k w 永磁同步推进电动机的研制。该电机的定子采用三相分布绕 组，y 形接法。电机定子水外冷，转子采用内嵌式永磁体结构。转了上装有可拆卸的 阻尼条，以供研究用。 陔永磁同步推进电动机的主要技术指标如f ： ( 1 ) 额定功率：2 0 0 k w ( 2 ) 额定电压：3 8 0 v 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 额定转速；4 2 0 r m i n ( 4 ) 额定频率：4 2 h z ( 5 ) 定子绕组；三相，y 接 ( 6 ) 转子极数：1 2 极 ( 7 ) 永磁材料：n d f e b ( 8 ) 冷却方式；定子水外冷 现将该永磁电机的设计特点介绍如下： 2 4 1 转予采用切向内嵌式永磺体结构 由于永磁体( 特别是n d f e b 材料) 具有负的温度系数。随着温度的升高，永磁 体的剩磁和矫顽力下降，而内禀矫顽力下降的更快，使永磁体的抗去磁能力变差，特 别是当定子电流去磁磁势直接作用到永磁体上时，更容易造成永磁体永久性退磁。为 了提高永磁同步推进电动机的可靠性，转子采用切向内嵌式永磁体结构。该结构特点 是定子电流去磁磁势直接面对的是转子磁极铁心，定子电流形成的磁场经过磁极铁心 形成闭合回路，并不经过永磁体，所以对永磁体起到很好的保护作用，但同时电枢反 应比较大。 2 4 2 定子采用短距分数槽绕组结构 为了电机的反电势尽量接近正弦波，要求每极每相槽数q 不能少于5 ，而电机 转速低极数多( 1 2 极) ，如果采用q 为整数，电机槽数至少为1 8 0 个，势必造成电 机是一个短粗结构，设计不优化。既为了满足电机的反电势的要求，又使电机有一 个合理尺寸，我们采用了q = 2 5 的分数槽结构。电机以4 极为一对称周期，折合到 整数槽相当于q = 5 ，而此时电机槽数只有9 0 个。电机每极对应槽数为7 5 ，为了抑 制谐波和减少用铜量，决定采用y - 7 短距绕组结构。图2 5 为电机定子绕组接线 图。 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = 自；_ _ l = z = = = = = _ - = = = = = = 自$ _ _ t j e = 2 4 3 阻尼绕组可拆卸 为了研究阻尼绕组对整个系统的影响，可以在电机制造完成后，通过断开转子一 端连接阻尼条的阻尼环，即可断开楚个阻尼绕组的连接，使他不起作用。 2 4 4 定子采用水外冷冷却方式 永磁电机的转子为永磁励磁，无励磁损耗，不发热。定子为电根绕组，主要发热 源在定子电枢绕组。采用定子水外冷的冷却方式，即定子铁心外表面设计冷却水管道 系统。这种冷却系统距离主要热源近，结构简单，而且不易漏水，运行安全可靠。定 二f 水外冷可以减少传统电机通风机组的空气噪声和损耗，降低温升，提高效率，提高 了电机的输出功率。 2 4 5 减振降噪措施 ( 1 ) 定子绕组采用分数槽绕组，可以减少由齿槽磁通变化而引起的转矩脉动和 齿槽效应引起的噪声； ( 2 ) 通过定子斜槽结构，抑制齿谐波； ( 3 ) 采用水外冷，减少电机的空气噪声； ( 4 ) 采用全封闭双层机座结构，减少噪声的对外传播； ( 5 ) 转子校动平衡。 2 4 6 永磁材料选择 永磁材料的选择是永磁电机设计的关键要素之一，我们从各种不同永磁材料的退 磁曲线，以及价格、磁能积比对比研究，选择了钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料，并研究 了n d f e b 的稳定性，包括热稳定性、受外界磁场干扰的稳定性、化学稳定性和时间 稳定性。 n d f e b 永磁材料在2 0 0 c 以下热稳定性比较好，工作温度在1 5 0 c 以内。n d f e b 永磁材料的不可逆热退磁是一次性的，经过第一次高温加热后，磁性能会有所降低。 但第一次以后，只要不超过这一温度，无论再加热多少次，不可逆退磁都不会再继续 增大。不可逆损失主要发生在前1 2 小时之内，超过2 小时之后，磁通就趋于稳定 状态。 为防止n d f e b 氧化生锈，我们采取单个磁体镀镍层，电机磁极安装完成后，用 环氧树酯喷涂、灌封的措施。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 3永磁同步推进电动机电磁计算及磁场分析 【概要】在对永磁同步推进电动机进行设计计算时，我们采用路的电磁计算程序 和有限元磁场分析手段并举的方法，二者之间互相验证。利用m a f l a b 语言编写的电磁 计算程序，采用经典公式可以得到电机的各种参数和运行曲线。利用a n s y s 有限元 分析软件对该电机进行了磁场分析，不但可以得到磁场分布，还可以得到反电势波形 和一二相绕组电感随转子位置变化的曲线。 3 1 m a t l a b 语言编写的电磁计算程序 m a t l a b 语言以矩阵计算见长，j 泛应用于工程计算的各个领域。她的语法直观宜 懂，程序逐行解释执行，方便程序的调试。同时她属于开放性语言，函数库利子程序 特别丰富，方便我们调用。她的数据输入输出格式灵活方便，特别是对数据的可视化 功能强大。i f 因为有如此多优点，所以电磁计算程序采用m a t l a b 语言编写。 该程序主要输入数据有功率、转速、电压、极数、相数、气隙长、定子内径、电 磁负倘、槽形、绕组形式、磁钢性能、极弧系数等基本参数，程序将自动确定电机的 槽形尺寸、线规、磁钢尺寸、铁心长等结构尺寸。再依据这些数据，已磁路计算为内 循环，以效率为外循环，确定电机的电磁参数。图3 一l 为电磁计算程序流程图。 下面给出一些工作特性曲线，图3 2 效率、功率因数曲线，可见效率在额定输出 点达到壤大值，功率因数也很高。圈3 - 3 功角、功率因数角、内角随输出功率变化曲 线。图3 - 4 相电流及交直轴分量随输出功率变化曲线。图3 5 为各部分损耗与输出功 率变化曲线。 2 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 1 电机电磁计算程序流程图 1 3 华中科技大学硕士学位论文 09 6 辍 西09 4 斟 嚣 o 9 2 较 0 9 0 0 踮 2 0 1 5 5 - 。( f 圾绝缘) 工作特性图一 l 打簋f 捷 舯 一一一一 22 53 输出功率( w 】 吲3 - 2 效率、功率冈数曲线 1 5 6 c ( f 级绝缘1 工作特性图二 3 5 x 1 0 5 一一一。，一“ ， 1 。_f 。 一 ，硝蕉。c 吨即夹角) 一- 琦枣园；吼袭f 嘲蝴 隽 1 内角i湘e o 夹角1 522 5 3 输出功率( w 1 图3 - 3 功角、功率冈数角、山角曲线 35 x 1 舻 4 帕 0 加 捉撩暖斟荐蛙雹毂薄 华中科技大学硕士学位论文 3 0 0 霉 餐2 0 0 m 删 1 0 0 口 5 口 o 1 5 5 c ( f 圾缒缘) 工作特性匿三 ，。 i ，一爱磊黾i麓分量 一c 一 觚流 直轴e 流分量 22 53 输出功率( w ) 圈3 4 相电流及交点轴分封曲线 1 5 5 0 ( f 媛绳擐) 捅耗分布圈 3 , 5 x 1 0 5 ， 一 + 7 碍强艳 一。 7 饪? f 鼍_ j 杂散损耗 一好陕耗一一 输出功率( w ) 。1 q s 剧3 - 5 损耗曲线 5 l s 耀辎霉雌 华中科技大学硕士学位论文 3 2 电机的磁场分析 3 2 1 a n s y s 有限元分析软件介绍 a n s y s 被公认是世界上最强大的、最具有权威的标准c a e 软件，市场占有率为 6 5 。a n s y s 基于有限元数值计算理论，把有限元理论和求解巨型方程组的数学解 法全部封装在软件内部，而该软件与用户打交道的是良好的图形界面。通过选择 a n s y s 的不同模块，可以计算机械结构场、电磁场、流体场和热场。a n s y s 不但可 以计算单一场的问题，也可计算耦合场的问题，如把电磁场计算所得的各节点电磁力 作为结构场的负载，或把温度场的各节点热应力作为结构场的负载。a n s y s 有两种 方法进行操作：第一种是菜单操作，特点是建模直观、容易上手，缺点是灵活性稍差 且a n s y s 无有撤消上一次操作的功能，容易造成不可逆的损失，所以要多存盘，比 较适合初学者。第二种是应用该软件提供的a p d l 语言，进行编程，然后输入逐条解 释执行。优点是程序灵活多样且功能强大( a p d l 语言含盖所有的菜单命令，反之则 不然) ，由于参数变量的引入所以对模型的修改很是方便。由于a p d l 语言编写的程 序为纯文本文件，所以存储空间很小，方便技术交流。缺点是编程不直观，不适合初 学者。 3 2 2a n s y s 基本步骤 a n s y s 求解任何场的问题都分三个基本步骤：建模，求解，后处理1 7 1 。 3 2 2 1 建模 a n s y s 建模过程既是根据问题的物理模型，建立分析时需要的几何模型，进而 通过网格剖分建立有限元模型。可以有以下四种途径： ( 1 ) 自底向上建模：先建立关键点，由点连成线，由线围成面，由面构成体， 对体进行网格剖分形成有限元模型。 ( 2 ) 自顶向下建模：直接绘出立体模型，同时生成点、线、面，对体进行网格 剖分形成有限元模型。 ( 3 ) 直接建模：宜接建立节点和单元，形成有限元模型，无须建立几何模型。 ( 4 ) 从其他的机械设计软件如a u t o c a d 、p r o e 等直接调入a n s y s ，再进行 网格剖分形成有限元模型。 建模时同时输入各种材料的属性，材料可以是线性或非线性，各向同性或各向异 性，也可以是温度的函数。a n s y s 提供了上百种单元类型可供选择。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 2 求解 a n s y s 提供了多种求解器，程序员仅需选择求解器，也可交由程序自动选择， 程序自动叠代求解，程序员可控制求解的精度。 3 2 2 3 后处理 求解后直接得到的结果是场中各节点主自由度值，后处理是通过对场中各节点主 自由度值进行数学处理，得到我们感兴趣的参数。 3 ，2 3电机a n s y s 模型的建立 采用a n s y s 电磁场分析模块( e m a g 3 d ) ，在忽略电机端面效应的情况卜，为 电机建立r 一维磁场分析模型。由于电机结构周期对称性，电机最小的对称区域为四 个极，所以只需要对四个极建立模型就足够了，再在两个对称边 二施加偶对称边界条 件即可。由于电机磁轭比较厚，机座外圆漏磁可忽略不计，故在电机外圆施加磁通量 乎7 7 边界条件( 即a z - - - 0 ) ，转子不存在磁轭，故永磁体以下皆为非导磁材料，但为了 考虑磁钢漏磁。还是建立了一段气隙。图3 - 6 为电机四个极的实体模型，图3 。7 为电 机的有限元模型。 | 璺l3 - 6 电机实体模刑 华中科技大学硕士学位论文 蚓3 7 电机有限元模型 该程序可以随意改变电机的结构参数( 但极数、槽数和相数不能随意) ，程序会 臼动划分_ | 二万个有限元单元。这罩以空载计算为例，即磁铡温度为常温，定予电流为 零，得到了磁感应强度b s u m 的分布如图3 8 ，磁力线分析i 如图3 - 9 ，气隙径向磁感应 强度b r 的分稚如图3 ，1 0 ，这些数据可直观反应 = i 电机磁负荷分布是否合理，对路的 计算起到验证作用。对电机端面区域的影晌、绕组端部的影响以及斜槽的影响，需要 建j 澎三维模型。由f 三维模型的庞大和复杂性，需要 ：百万个竹点，计算时需要的计 算机资源足当前p c 机难以胜任。所以这里只以二维分析为丰，电机端面区域的影响、 绕组端部的影响以及斜槽的影响采用经验公式或经验系数处理。 幽3 - 8 磁感虑强度b s u m 分布幽 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 9 磁力线分布幽 图3 一l o 气隙径向磁感应强度b r 分布图 3 2 4 电机空载反电势的计算 由永磁电机特点决定，一蒯电机制造完成，在同一转速下，电机的反电势就是一 个定值。永磁电机无法象电力磁电机那样通过调节励磁电流来调节反电势，所以永磁 电机在设计阶段就一定要把反电势计算准确。而一般路的计算方法是通过以往的经验 取定一些参数如漏磁系数、卡氏系数、计算极弧系数、磁钢一l 作点等，通过磁路计算 求得反电势。但其中一些参数是很难取准确的，就拿漏磁系数来说，它与磁路结构、 1 9 华中科技大学硕士学位论文 磁路尺寸以及磁路的饱和程度有很大的关系，在l 1 5 之间变化很大，直接造成反电 势计算的不准确。而用场的计算方法就能克服这些缺点直接通过反电势最原始的公 a 、i ， 式：p = 一兰二得到。下面就介绍一下e 的求取方法。 f 在定子绕组没有电流的情况下，定子绕组匝联的磁链变化是由于永磁转子转动造 成的为了能够计算出转子转动的磁场变化，我们采用了运动边界法，下面简单介缁一 下运动边界法如图3 一l l ： ( 1 ) 在定、转子间的气隙中设置一条运动边界，在这条边界上有分别属于定子 和转予的节点，且分布均匀，节点数相等。 ( 2 ) 当定转予发生位移时，定转子各自的有限元网格保持不变，仪需对运动边 界七的节点根据具体情况进行耦合约束。 幽3 1 l 运动边界上二的h 点偶台燃 这样通过转予在整个周期内不停的转动，在每点计算各绕组匝联的磁链，前一 次和后一次的磁链的变化量除以转动这个角度所用的时间就得到了该点的反电势。通 过整个周期内的计算也就得到了一周期内的反电势波形如图3 1 2 。 华中科技大学硕士学位论文 7 闷 幽3 一1 2a 相空载反电势波形 3 2 5 电机定予绕组相电感的计算 电机电感的汁算在路的计算中很复杂，要分为主电感和各个部分的漏电感，假定 磁路是线性的，很难计算准确。这里尝试用场的方法计算电感，一次性就把除绕组端 部漏电感以外其他电感量一次算出并可考虑到磁路的非线性。这罩计算的电感是动 态电感的概念即：j 乙：一坐1 3 8 1 。计算方法是在对应转予的某一位置，计算4 次磁场： i 第一次i a = i a o 、i b = i b o 、i c = i c o 得到三相绕组匝联的磁链 , f a o 、t f b o 、甲f o ； 第二次i a = i a o + a i 、i b = i b o 、i c = i c o 得到三相绕组匝联的磁链甲a l 、甲6 1 、甲f 1 ； 第三次i a = i a o 、i b = i b o + f 、i c = i c o 得到三相绕组匝联的磁链甲a 2 、甲6 2 、甲c 2 ： 第四次i a = i a o 、i b = i b o 、i c = i c o + a i 得到三相绕组匝联的磁链w a 3 、w b 3 、u ? c 3 ； 则i 稠绕组的自感和互感为： l a a ：= v a l - w a o a i l b b ：甲b 2 - w b o f l 。：! ! ! 二! ! 旦 i l a b ：l b 口：w b l - w b o ：、f a 2 - w a o 华中科技大学硕士学位论文 l b c ：l c b ：w c 2 - q j c 0 ：w b 3 - w b 0 a i f l c a ：l a c ；w c l - w c 0 ；塑! 二! 塑 a if 这样在整个周期内逐点计算就可以得到电感随转予位罨变化的波形如图3 一1 3 、 3 1 4 、3 。l5 。 图3 1 3a 相绕组自感波形 圈3 1 4b 相绕组f 感波形 2 2 华中科技大学硕士学位论文 刮3 1 5a 相与b 相绕组互感波形 倒3 1 6 【毡$ q - - 个极内的磁场分布 3 2 6 演磁系数的计算 漏磁系数是永磁电机电磁计算中一个极其关键的参数，它与磁路结构、磁路尺寸 以及磁路的饱和程度有很大的关系，在l l ，5 之间变化很大，很难用路的方法计算准 确。而采h j 磁场计算却能轻松办到。漏磁系数的定义为磁钢产生的总磁通弓穿过气隙 2 3 华中科技大学硕士学位论文 有效磁通的比值即：盯；罢，下面以该电机为例计算漏磁系数。图3 - 1 6 为电机一个 m m 极内的磁场分布，只要得到图中六个点的a z 值就能计算出漏磁系数，方法如下： 磁铡产生的总磁通中0 = a z l a z 2 + a z 4 一a z 3 = 0 0 0 1 8 9 9 + 0 0 5 9 7 5 7 + 0 0 5 9 7 4 8 + 0 0 0 1 8 9 7 = 0 1 2 3 3 0 l 穿过气隙有效磁通 中m = a z 6 一a z 5 = 0 0 5 9 9 3 4 8 + 0 0 5 9 9 7 5 6 = 0 1 1 9 9 1 l 漏磁系数盯：竺：0 1 2 3 3 0 1 ：1 0 2 8 中m0 1 1 9 9 l l 3 2 7 样机参数实测值 我们对电机相电感进行了测量。测量时把阻尼绕组断开，转子不动，在定子a 相 绕组接通5 0 h z f 弦可调节电压，其他俩相开路，测得a 相绕组的端电压有效值u 和电流有效值i ，同时测得a 相电阻为r ，a 相绕组自感计算公式为 绕组阻抗：z = 旦 绕组感抗：砚= z2 一r 2 绕组蛐l = 等= 面a g , 其中相电阻测得r - - 0 0 2 6 q f = 5 0 h z ，在转予一个极距内测量1 0 点，数据见表3 - 1 。 表3 - 1a 相绕组自感数据表 电压u ( v ) 1 6 51 5 81 4 81 3 5l2 2i 3 41 4 81 6 2l6 8l6 6 电流i ( a ) 1 4 ，3 41 4 1 3 71 4 4 9j 4 5 3】4 5 2】4 4 9 1 4 4 0 】4 3 2 j 4 3 0 1 43 8 阻抗z ( o ) o 1 1 5o 1 l0 1 0 20 0 9 30 0 8 40 9 2 50 1 0 30 1 1 301 1 70 1 1 5 感抗u u d )0 2o 1 0 70 0 9 9 0 0 8 9o ，0 8 00 0 9 2o 1 00 1 10 i 1 40 1 i 2 电感l ( m h ) 0 3 5 70 3 4 10 3 1 50 2 8 302 5 50 2 9 3o 3 1 8o 3 50 ，3 6 303 5 7 可见我们测得最大值为o 3 6 3m h ，最小值为o 2 5 5m h ，而计算值最大值为o 4 1 4 m h ，最小值为0 2 3 8m h ，并且计算值还要加上端部漏电感，所以测最值小l ：汁算值。 2 4 华中科技大学硕士学位论文 分析原因除了测量误差外，另外重要一点就是交流电流在定转子铁心中产生了涡流 效应，相当于并联了一个电感，所以使电感测量值偏小。建议可通过减小测量电流 的办法，使涡流效应尽量减小使测量准确度提高。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 2 = = ；