永磁同步电动机设计程序及Web实现（新版）.doc

本 科 生 毕 业 论 文（设计）题 目： 永磁同步电动机设计程序及Web实现 院 系： 信息科学与技术学院 专 业： 自动化 学生姓名： 黄敏良 学 号： 05376064 指导教师： 成良玉教授 （职 称）二九 年 四 月ii- ii -摘 要随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较，有效率高、功率因数接近1、体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机已经在国外蓬勃发展，而在国内电机行业也以惊人的速度在发展。现代电机设计已经大规模应用计算机辅助工具，国内异步电机、直流电机设计软件已经比较成熟，但成熟的永磁同步电机设计软件迟迟未能面世。主要原因是永磁同步电机的设计程序比较复杂，设计算法还不成熟。针对此情况，本文选取了永磁同步电机设计程序的其中两种算法作了简要对比并对原设计程序进行修正。同时，针对单机软件不能异时异地协同设计、共享数据等的缺点，本文提出了基于Web的解决方案。本文系统的设计，基于模块化、数据库辅助设计，部件重用等设计思想，设计了协作系统的架构，实现了电机设计程序的计算模块，并制作了页面进行验证，取得不错的效果。本文主要从下面几个部分进行阐述： 永磁同步电机简介 永磁同步电机设计程序 基于web的永磁同步电动机设计程序与实现关键词：永磁同步，电机设计，设计算法，Web实现68AbstractWith the technology of permanent magnetic material progress and technological development of power electronics，permanent magnet synchronous motors gradually to overcome the technical problems, and gradually occupy the market. Permanent magnet synchronous motors compare to asynchronous motors, there are high efficiency, power factor close to 1, small size, energy-saving advantages. In todays emphasis on saving energy, with the concept of environment protection, energy-saving materials, permanent magnet synchronous motor has been flourishing in foreign countries, and in the national domestic, motor industry at an alarming rate in the development.Recently ,motor design has been a large-scale application of computer-aided design tools, asynchronous motor, DC motor design software has been more mature, but mature permanent magnet synchronous motor designs software could not seen now. It is the reason that: Permanent magnet synchronous motors design process is more complicated, and the design of algorithms is not mature. For this situation, the paper selected for the design algorithms of permanent magnet synchronous motor, which gave a brief comparison of two algorithms and an amendment to the original design process.At the same time, the single computer program has the disadvantages of not cooperate design, not motor design data immediately share, so the paper put up the solution of Web program design. The paper, base on the concept of modularization, database-aid design and component-reused, deign the whole system structure, and do the programming of motor design computing model, which finally get a good result.The paper mainly consists of following parts:1. The introduction of Permanent magnet synchronous motor2. The design algorithms of Permanent magnet synchronous motor3. Permanent magnet synchronous motor realization based on web programmingKeyword: Permanent magnet synchronous, motor design, design algorithms, Web realization目录摘 要2第一章前言61.1概述61.2相关研究现状61.3本文工作7第二章永磁同步电动机简介82.1电机的分类及其对比82.1.1直流电机82.1.2异步电机92.1.3同步电机92.2永磁同步电机原理102.2.1永磁同步电动机结构102.2.2三相永磁同步电动机的工作原理122.3永磁同步电机的发展14第三章永磁同步电机设计程序153.1永磁同步电机设计特点153.1.1选择永磁材料153.1.2标么值153.1.3同步电抗153.2永磁同步电机设计步骤163.2.1电机主要指标163.2.2主要尺寸163.2.3定子转绕子组设计193.2.4定子冲片设计213.2.5转子冲片设计233.2.6磁路计算233.2.7磁导及磁钢空载工作点计算253.2.8参数设计263.2.9工作特性计算293.2.10起动特性计算32第四章基于Web的永磁同步电机设计程序374.1系统设计374.1.1分层设计374.1.2模块化设计384.1.3电机设计流程414.1.4数据库辅助设计424.2实现情况494.2.1实现情况说明494.2.2文件架构504.2.3程序片断514.2.4功能演示54第五章总结57参考文献58鸣谢59第一章 前言1.1 概述随着永磁材料工艺的发展，和电子电力水平的提高，永磁同步电机成本高、磁路计算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功率因数高、节能、结构简单、质量轻等的优点。在当今提倡节省能源、节省材料的时代趋势下，永磁同步电机成为了电机行业的新趋势。然而尽管我国是稀土资源大国，稀土资源占全球的75%，而稀土资源是制造永磁电机所使用的钕铁硼的重要来源。长期以来，我国由于技术不足，将大量稀土低价出售给日本等发达国家，所以发展永磁同步电机对我国对外贸易有重要意义。另外，我国现在永磁电机所占电机市场份额的不到20%，而发达国家已经达到60%以上。所以，永磁同步电机在我国还有很大的发展空间。同时，我国在“十一五”规划中提出要求能耗降低20%，温家宝总理在2009政府工作报告中也提到要“继续推进十大重点节能工程建设，落实电机、锅炉、汽车、空调、照明等方面的节能措施”。据统计，我国电动机耗电占全国耗电量的60%，其中三相异步电动机又占相当大的一部分，为耗电大户。而永磁同步电机与三相异步电机相比，节能效果非常明显。所以，永磁同步电机是我国电机发展的必然趋势12。1.2 相关研究现状电机设计是决定电机效能的决定性阶段，现代电机设计中已经大量采用电机设计的CAD软件。由于永磁同步电动机的结构复杂多样，媒质交界面曲直交错，使得永磁同步电动机的设计变得比较复杂，计算准确度比较差；另外，永磁同步电动机中一些特殊的电磁过程和一些专门问题如磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的局部失磁问题等都是设计的难点。所以尽管国内电机设计软件在单相、三相的异步电机设计软件中已经出现了不少较好的产品，但是在永磁同步电机设计软件当中，只有少量的产品出现，并且功能还不够完善和强大。现时推出市场的只有一款基于VC+6.0的永磁同步电机软件，它的主要功能有1、管理电机型号库，能够保存、修改或删除各型号的电机数据。2、管理材料库，能够增加、修改与输出电机中使用的材料的性能表，如硅钢片的磁化曲线与损耗曲线、线径表、永磁材料的退磁曲线等；3、接受输入的电机性能要求数据与定、转子的结构数据，根据这些数据应用磁路法计算出电机的性能与运行特性；4、文字与图形输出电机的设计结果与运行特性。但是单机软件的缺点是显而易见的，不能异地、异时协同设计，安装相关接口的时候相当麻烦，例如提供ANSYS磁路分析功能接口，必须在本机上安装ANSYS软件。基于Web的B/S架构已经成为当今软件的主流，它的易用性、集中性和方便性深得用户的喜爱。所以，将Web技术应用到电机设计软件上将大大提高电机设计的效率。1.3 本文工作本文将进行以下工作：1. 总结并阐述永磁同步电机的应用前景、应用范围和基本工作原理，还有同步电机与异步电机之间的对比。2. 修正永磁同步电机的设计程序算法，并参考另外一种永磁同步电机设计程序修改设计程序。3. 基于web的永磁同步电机设计软件提出总体构想，设计该软件的各个模块和基本功能。4. 实现永磁同步电机软件的设计部分。并通过输入要求指标数据，计算并显示电机设计的参数结果。第二章 永磁同步电动机简介第2章2.1 电机的分类及其对比电机的分类繁多，一般来说是按照工作电源和结构及工作原理分类的。按工作电源分类，根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。若按结构及工作原理分类，根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。以下按照电机的结构及工作原理，简要介绍直流电机，异步电机和永磁同步电机3。2.1.1 直流电机直流电机分有刷和无刷两种，这里主要介绍有刷直流电机。直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。直流电动机就是利用电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。直流电动机有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点，机械特性和调速特性均为平行的直线。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展3。 所以，近年来永磁直流无刷电动机也在不断发展当中。2.1.2 异步电机异步电机的转子转速小于旋转磁场的转速，从而称为异步。它和感应电机基本上是相同的。基本原理：异步电机接入交流电源时，定子绕组流过对称电流产生的定子旋转磁动势并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。异步电机运行时，必须从电网吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗。近年来变频技术应用广泛，使得异步电机的调速性能及经济性大为增加3。2.1.3 同步电机同步电机的结构和异步电机基本相同。永磁同步电机则是把励磁绕组改由永磁材料（如钕铁硼等）提供励磁磁场。其工作原理将在后面详述。2.1.3.1 三种电机对比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机（包括无刷直流电动机）硬大易好小小易长小高较高表2.13：三种电机对比由此可见，永磁直流电动机有机械特性平直、过载能力大、可控性好、运行平稳、噪声小、电磁干扰小、可维护性高、寿命长、体积小、效率高等众多优点5。2.2 永磁同步电机原理2.2.1 永磁同步电动机结构三相永磁同步电动机是由永磁同步电动机、转子位置传感器(BQ)和电子开关电路等三部分组成的电动机系统，如图2.1所示。图2.14：三相永磁 同步电动机结构原理示意图2.2.1.1 永磁同步电动机下面是一个四极永磁同步电动机的结构示意图，如图2.2所示；定子铁心内装有接成星形或三角形的三相交流绕组，它是电动机的电枢绕组用以产生同步旋转磁场，转子是由高磁能积的稀土等磁性材料制成的永磁转子。按定子三相电枢绕组所加电压波形进行分类，可分为正弦波驱动和方波驱动两种基本形式。由于方波具有控制线路简单，成本较低等优点，所以目前方波驱动使用较多。这种方法是在定子绕组中按一定相序通以交变的方波电流，为使定子三相绕组合成气隙磁场类似于跳跃式前进的旋转磁场，从而产生相应的电磁转矩使转子转动。正弦波驱动方式中，定子三相绕组中通以可变频的对称的正弦波电流来产生气隙旋转磁场。转子的永磁体是具有高矫顽力的稀土永磁材料，如最新一代稀土材料钕铁硼(NeFeB)支撑的永磁体。为提高电动机气隙磁通密度，通常将永磁体横向位置。图2.2电动机结构示意图2.2.1.2 定子绕组电枢的开关控制 三相定子绕组可以接成星形或三角形，每相绕组的交流电流是由电子开关电路中的大功率晶体管或晶闸管提供的，见图2.3。很显然只要正确控制V1V6这六个管，uv、w三相绕组就有可能得到所需的交流电流、晶体管或晶闸管的导通与否则是根据转子位置检测器测量到的转子磁极位置信号进行控制。所以这种三相永磁同步电动机光靠其永磁同步电动机而没有电子开关电路和转子位置传感器是无法转动的。图2.3：三相绕组控制方式2.2.1.3 转子位置传感器转子位置传感器用于检测永磁伺服电动机转子的实际位置。为了提高转子位置检测精度，永磁伺服电动机常用光电编码器或旋转变压器作位置检测器5。2.2.2 三相永磁同步电动机的工作原理下面从磁场入手分析其工作原理。根据磁场的观点。三相永磁同步电动机也可看作足一种只有三个换向片的定转子反装的直流电动机，求得三相永磁同步电动机机械特性和调节特性。下面以反装式的直流电动机来说明三相永磁同步电动机的工作原理。首先简要回顾一下直流电动机的工作原理，一台永磁式直流电动机的主磁极及电枢绕组导体电流方向如图2.4所示：根据主磁极的位置，可确定主磁极转矩方向为逆时针方向。转子沿逆时针方向旋转。由于电刷位于几何中性线上，以及换向器的换向作用使电枢磁场Fa和Ff始终相互垂直，不因电动机负载不同而有所改变。从而保证电动机在最大电磁转矩状态下运行。如果设想将电动机的磁极装在转子上。电枢绕组装在定子上，换向器(图中未画出)也装在定子上。当磁极Fa的方向与电枢电流及电枢磁场Ff的方向正交。根据电磁力定律，此时电动机电枢绕组产生最大电磁转矩，要使电枢绕组顺时针转动，但是由于电枢绕组装在定子上不能转动。则由电磁转矩反作用迫使磁极作逆时针旋转。当磁极逆时针转过90角度，此时Fa与Ff，方向一致，电动机无法产生电磁转矩，因而转子会停转。如果将电刷和磁极同方向以同一转速旋转，当磁极逆时针转过90角度时，电刷在换向器上同时转过90角度，使Fa和Ff仍保持相互垂直，如图2.3所示，那么电动机将始终处于产生最大电磁转矩的状态下，电动机则可继续旋转。这就是反装式直流电动机的工作原理。其电磁过程与传统的直流电动机并无本质上的区别。由于使用机械换向器的这种反装式直流电动机结构更加复杂，所以实际不会采用这种“反装式结构”的直流电动机。上述讨论中，要使Fa和Ff仍保持相互垂直必须满足一个条件。即换向片数或转子绕组的线圈数要足够多，直流电动机一般部可满足这个条件。如果换向片数或转子绕组的线圈数很少(例如只有三个)，那么，Fa和Fa间的夹角不会始终保持90。而在其附近摆动(60120)。但这种原理对发展三相永磁同步电动机是很有指导意义的。在反装式直流电动机中，如要使电刷与磁极同步旋转，只要其相对位置保持一定，虽不是相互垂直，电动机也会继续旋转，不过产生的电磁转矩不是最大，甚至Fa与Ff的位置可在一定范围内变化，只要变化的电磁转矩能使电动机产生所需要的平均电磁转矩即可。三相永磁同步电动机的基本原理就是建立在这种反装式直流电动机的基础上；由晶体管与转子位置传感器代替换向器和电刷这种机械接触部件，在转子的一定位置导通一定的晶体管，使电枢绕组中的电流产生与转子转速相对应的旋转磁场，保证位置的相对稳定(允许在一定范围内变化)，从而获得一定的平均电磁转矩而使转子运行大功率晶体管、晶闸管可以实现交流-直流、直流-交流、交流-交流、直流-直流以及变频等各种电能的变化和大小的控制。在三相永磁同步电动机中，大功率晶体管等可理解为无触点的“电子开关”。如果设想把反装式直流电动机的换向器和电刷去掉通过晶体管逆变器将直流电源转换成交流电供给其电枢绕组(直流电动机中是通过换向器把直流电变为电枢绕组中的交流电的)：由转子位置传感器检测转子的实际位置，并按Fa在空间上超前Ff一定的角度的要求，控制逆变器的相应晶体管导通或截止，使电枢绕组中通过具有与磁场同步变化的交流电流，由此产生所需的旋转磁场 5。图2.4：反装式直流电动机2.3 永磁同步电机的发展永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同, 但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发, 有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展, 某些永磁同步电机已形成系列化产品, 其容量从小到大，目前已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，从特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展6。第三章 永磁同步电机设计程序第3章3.1 永磁同步电机设计特点3.1.1 选择永磁材料本设计程序适用于采用退磁曲线基本上为直线的永磁材料的永磁同步电动机，当采用铁氧体永磁时，需对其Hc值进行修正。选择永磁材料时，应优先考虑选用钕铁硼永磁，并且要求磁钢的Br和Hc要高，退磁曲线尽量直，温度系数尽量低7。3.1.2 标么值本设计程序中，计算磁钢工作点时采用标么值，所选用的各量基值为：FM=Hclm磁势基值（安）；其中，Hc磁钢矫顽力（安/米），lm每对磁极钢充磁方向计算长度（米）。M=BrSm磁通基值（韦）；其中，Br磁钢剩余磁感应强度（特），Sm磁钢的计算截面积（米2）。AM=0rSmlm -磁导基值（亨）其中r为磁钢的相对回复磁导率。通过计算可以得出空载和负载时的磁钢工作点A0和AN。3.1.3 同步电抗当转子上放置磁钢后，由于磁钢的导磁率很低，对于钕铁硼等稀土永磁或铁氧体永磁，其导磁率与空气相接近，致使永磁式同步电动机中的直轴电抗小于交轴电抗，即Xdbt2bt1=13(bt1-bt1)+bt1(厘米) (3.36)也可以使用 bt1=2Pt0akFeZ1BzsLef (3.37)其中，t0为空载有效磁通，Bzs为定轭部内允许的磁感应强度，a为极弧系数。【54】 定子计算轭高hj1=De1-Di12-h01+hs12+R/3 (3.38)也可以使用以下式子进行估算：hj1=t02KFeBasLef (3.39)其中Bas是定子齿部允许的磁感应强度。【55】 定子齿部磁路计算长ht1=hs1+hs2+R/3 (厘米) (3.40)【56】 定子轭部磁路计算长lj1= Di1-hj14p (3.41)3.2.5 转子冲片设计【57】 冲片材料【58】 转子槽形尺寸【59】 转子齿距t2=De2Z2 (3.42)【60】 转子齿宽（厘米）bt2=De2-2(h02+hr1)Z2-br1 (3.43)【61】 转子计算轭高（厘米）hj2=De2-Di22-(h02+hr12) (3.44)【62】 转子齿部磁路计算长（厘米）ht2=hr12 (3.45)【63】 转子轭部磁路计算长（厘米）lj2=(Di2+hj2)2*4p (3.46)3.2.6 磁路计算【64】 气隙磁密B=0lef*104 (3.47)【65】 气隙系数K1=t1(4.4+0.75b01)t14.4+0.75b01-b012 (3.48)K2=t2(4.4+0.75b02)t24.4+0.75b02-b022 (3.49)【66】 气隙磁势(安)F=0.8BK*104 (3.50)【67】 定子齿磁密(特)Bt1=Bt1bt1KFe (3.51)【68】 定子轭磁密（特）Bj1=02lt1KFehj1*104 (3.52)【69】 转子齿磁密(特)Bt2=Bt2bt2KFe (3.53)【70】 转子轭磁密Bj2=02lt2KFehj2*104 (3.54)【71】 根据所用材料此话曲线，对照各部分磁密查得每厘米所需安匝数Ht1,Hj1, Ht2,Hj2 【72】 定子齿部磁势Ft1=Ht1ht1 (3.55)【73】 定子轭部磁势Fj1=1Hj1lj1 (安) (3.56)【74】 转子轭部磁势Ft2=Ht2ht2 (3.57)【75】 定子轭部磁势Fj2=2Hj2lj2 (安) (3.58)【76】 每对极总磁势F=2(F+Ft1+Fj1+Ft2+Fj2) ( 安) (3.59)3.2.7 磁导及磁钢空载工作点计算【77】 主磁导m=0F （亨） (3.60)标么值： m=mM (3.61)式中： M=0rSmlm (3.62)【78】 漏磁导近似计算a.内、外侧漏磁导r+ib.极靴间端部漏磁导1c.磁钢间端部漏磁导2d.端部圆周方向棱边漏磁导3e.端部轴向棱边漏磁导4f.端角之间漏磁导5g.总漏磁导=K(r+i+1+2+3+4+5) (亨) (3.63)式中， K =1.11.15 (对于切向结构取较大值)标么值： = (3.64)【79】 外磁路总磁导标么值n=m+ (3.65)【80】 磁钢空载工作点b0=nn+1 (3.66)注：这应与40项b0相符h0=1-b0 (3.67)【81】 空载漏磁系数0=nm (3.68)注：这应与41项0相符【82】 空载磁通(韦)0=b0BrSm0*10-4 (3.69)【83】 空载电势E0=1Kp*4.44fWKdp0 (3.70)注：此值应与43项假定值E0相符3.2.8 参数设计【84】 平均匝长（对于单层） lwar=2(lt1+2d1+Ksy) (3.71)式中，d1线圈直线部分伸出铁芯长，取13厘米，机座大、极数少者取较大值。Ks经验值，对4、6极取Ks=1.2 ,对2极取Ks=1.16y=Di1+2h01+hs1+hs2+R2p (3.72)【85】 定子相电阻：R1=lwarWaNS0*10-2 (3.73)标么值：R1=IU (3.74)【86】 定子槽漏磁导系数单层绕组s1=0.31+2hs3(dd+dx)+h01dx+2h3dx+b01+h01b01 (3.75)E1=0.47qlt1(lE1-0.64) (3.76)式中,lE1=2d1+Ksy(厘米) (3.78)【87】 定子端部漏磁导系数1=111.9*t1KK (3.79)【88】 定子差漏磁导系数式中K=F+Ft1+Ft2F (3.80)【89】 斜槽漏磁