永磁电机永磁体涡流损耗开题报告

本科生毕业设计 论文 开题报告 论文题目 论文题目 高速电主轴永磁同步电机永高速电主轴永磁同步电机永 磁体涡流损耗的计算研究磁体涡流损耗的计算研究 学学 院 院 电气工程学院 专业班级 专业班级 电气工程及其自动化 0903 班 学生姓名 学生姓名 杨 乐 学学 号 号 090301087 导师姓名 导师姓名 韩雪岩 开题时间 开题时间 2013 年 3 月 18 日 1 1 1 课题背景及意义课题背景及意义 1 11 1 研究高速电主轴永磁同步电机的背景及意义研究高速电主轴永磁同步电机的背景及意义 永磁同步电动机 PMSM 具有效率高 功率密度高 控制性能好等优点 广泛应用于高性能的驱动领域 各国机床行业为了提高自己企业的竞争能力 对数控机床和高档加工中心的研制都投入了相当大的精力 如何能进一步提高机 床的加工精度 加工效率和自动化水平是各国机床行业都在广泛关注的问题 主轴单元作为机床的关键部件 直接影响机床的加工精度 效率以及自动化水平 而主轴电机的性能则直接决定了主轴的优劣 因此研究和开发高性能的主轴电机 对提高机床的水平有着非常重要的意义 1 当前在数控机床和高精密加工领域中的电主轴仍以感应电机为主 这主要是 因为感应电机的设计已经相当成熟 调速范围宽广 但是感应电机作为主轴电机仍 然着具有明显的缺点 1 功率因数低效率差 导致需要配备大容量的逆变器装置 2 转子上有励磁绕组导致转子发热 产生的热源直接传至主轴影响主轴加工精度 3 转矩密度低 电机体积大 4 低速运行时 会产生较大的转矩脉动 与之相比永磁同 步电机使用永磁体励磁具有转子不发热 效率和功率因数高 转动惯量小 动态响 应快和转矩密度高等优点 主轴电机永磁同步化 将是提高数控机床领域竞争能力 的重要途径之一 因此 研究电主轴永磁同步的各部分损耗对有关此领域的发展具有重要的 意义 通过实际测量 永磁体区域的涡流损耗随着槽口的增大而大幅度增加 在一些情况下 不同永磁电机磁极区域的涡流损耗会远远地超过定子铁心损耗 与电枢绕组铜耗 因而 忽略此部分损耗是不正确的 然而 通过查阅国内外 文献 发现关于利用有限元分析永磁电机永磁体内涡流场的研究和论文还相对 较少 在国内也是鲜有研究 近年来 虽然有一些关于永磁电机转子内涡流损 耗的计算方案和相应的研究论文出现 但是由于永磁电机的结构以及电枢绕组 电流加载方式的不同 大多数方案都是简化计算 2 5 在永磁电机永磁体内 真 正意义上的涡流场有限元计算的相关报道还不多见 所以 如何更真实地反映 永磁体内涡流场分布以及准确地计算永磁体内的涡流损耗值 就成为一个很具 有现实意义的课题 而且 通过进一步分析永磁体涡流损耗的影响因素 又可 进一步优化永磁电机的设计 使得电机更加稳定 高效地工作 1 21 2 课题国内外研究现状及发展趋势课题国内外研究现状及发展趋势 国外对电主轴的研究较早 他们生产的电主轴功能部件已经系列化 如瑞士的 FISCHER STEP TEC 德国的 GMN 和 CYTEC 意大利的 CAMFIOR 等 这些 专业厂家设计出来的电主轴主轴套筒直径范围可从 32 毫米到 320 毫米 转速范 2 围从 l0000r min 到 150000r min 功率范围从 0 5kW 到 80kW 扭矩范围从 0 1Nm 到 300Nm 高速 高精度 高功率是国外电主轴的主要发展趋势 20000r min 的 主轴传动系统已经相当普遍 我国的电主轴技术的研发与国外相比相对滞后 在 九五 期间 洛阳轴承有限 责任公司 国家重点科技攻关项目的基础上 以国产电机为主轴电机研制出了最高 转速为 8000r min 10000r min 12000r min 15000r min 的内嵌式电主轴单元 该系列电机的最大扭矩可达 129Nm 直到 2005 年在国家自然科学基金项目的 帮助下湖南大学成功研制出第一台属于我国自主研发的高速高精密永磁同步电 主轴 其研究成果已经不输于欧美等发达国家 该研究成果填补了我国高速加工 领域永磁同步化的空白 使我国的数控机床用电主轴取得了较大突破 该电机的 额定功率达到 35kW 最高转速 18000r min 回旋精度 0 0015mm 在过去的二十年中 我国应用于数控设备中的电主轴研发虽然取得了令人瞩 目的成绩 但是与国外龙头企业相比 在电主轴的生产规模 主轴电机的性能 技术 水平上仍然具有较大的差距 远远不能满足日益增长的国内电主轴产品的需求 高速电主轴单元的研发与多种技术相关 就电机本体设计而言 主轴电机永磁 同步化就可以解决感应电机带来的突出问题 1 转子绕组通电发热导致的主轴精 度降低 2 低速运行时转矩输出能力小 3 效率和功率因数小 体积大 功率密度 低 耗能多 永磁电机采用永磁体励磁 转子不发热 效率和功率因数高 所以开发 大功率 宽调速范围的永磁同步主轴电机可以有效的解决当前主轴电机存在的问 题 1 2 21 2 2 对永磁同步电机涡流损耗的研究概况对永磁同步电机涡流损耗的研究概况 在研究永磁电机的转子永磁体涡流损耗问题时 尤其对于高速电主轴永磁 同步电机的研究认为转子以同步转速旋转 无须考虑转子损耗 然而 对于一 些电导率较高 耐热性能较差的稀土永磁电机 其永磁体内的涡流损耗却不能 忽略 尤其对于高速 大负载 槽口较大的稀土永磁电机 其永磁体内的涡流 损耗计算则更为重要 6 在国内 至今较少有人对 PMSM 的转子永磁体内的涡 流损耗做进一步的研究 7 国内研究主要集中在传统电机及其相应部件的涡流 损耗问题 8 不过近年来在国外 永磁体内涡流损耗问题引起了越来越多研究 者的重视 并提出了多种解析表达式来求解永磁体内涡流损耗 这些解析模型 能够确定气隙内与永磁体内磁场的分布 考虑定子绕组分布及非正弦电流引起 的电枢磁动势空间及时间谐波对磁极内涡流损耗的影响 并研究了切向分层磁 极和极弧对损耗的影响 但是这些模型都是建立在各种假设条件基础上的 并 且只是在二维平面内对涡流损耗进行研究 文献 10 14 则集中研究了非正弦电流 无刷直流电机三相六态工作方式电枢电流和永磁同步电机 PWM 调制作用对永 磁体内涡流损耗的影响 文献 15 通过减小槽开口和增加气隙长度的方法来减小 3 气隙磁阻变化产生的涡流损耗 文献 16 在空载情况下 推导了气隙磁阻变化引 起的转子涡流损耗的解析公式 通过有限元和解析计算的方法对比分析了平行 充磁和径向充磁对转子涡流损耗的影响 得出了平行充磁能够降低转子涡流损 耗的结论 虽然 很多学者对 PMSM 永磁体内涡流损耗进行了大量的研究 但 这些研究都主要集中在定子电枢电流所产生的电枢磁动势对磁极损耗的影响以 及高速永磁电机的转子损耗问题上 较少有人对高速电主轴永磁电机的永磁体 涡流损耗进行研究 实际上即使是在低速空载运行条件下 PMSM 永磁体内也 可能产生较大的涡流损耗 因此 有必要对告诉电主轴 PMSM 的永磁体涡流损 耗做进一步研究 国内学者对永磁电机也进行了大量研究 我校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 一书采用以等效磁路解析求解为主 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 总结了近 年来永磁电机的研究成果 西北工业大学李钟明 刘卫国等编著的 稀土永磁 电机 一书阐述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 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的成果 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精 确计算也有待继续深入研究 随着应用领域的不断拓展 对永磁电机的性能会 提出新的要求 为满足新的需求将会出现新型的设计 所以关于永磁电机的研 究也会不断扩大和深入 同时 随着计算机计算能力的不断增强 有限元数值 计算技术的日益进步 对永磁电机的计算分析研究将会达到更高的水平 2 2 毕业设计研究内容及任务毕业设计研究内容及任务 2 12 1 设计思想设计思想 目前 高性能永磁电机的永磁体多为性能优异的钕铁硼永磁材料 但与铁 氧体相比 它的电导率较高 所以当外磁场变化时 永磁体内会产生涡流 导 致发热 钕铁硼作为采用最多的永磁体材料 虽然性能令人满意 但耐热性差 为此 精确地分析和计算永磁体内的涡流损耗 具有很现实的意义 本课题拟 采用商用有限元软件对高速电主轴永磁电机永磁体的涡流损耗进行分析 以得 到永磁体涡流损耗的大小和分布规律 并研究永磁体涡流损耗的影响因素 从 而为减小永磁体涡流损耗提供依据 2 22 2 设计方案设计方案 1 建立高速电主轴永磁电机有限元模型 对模型进行激励源加载和剖分 为涡流损耗的分析奠定基础 4 2 采用上述模型 计算得到永磁体内涡流损耗的大小和分布 3 分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点 4 着重研究不同极槽数 转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响 提出 减小涡流损耗的措施 为提高电机性能奠定基础 图 1 设计方案流程图 2 32 3 毕业设计拟采用方法和手段毕业设计拟采用方法和手段 毕业设计利用 Ansoft 软件对已有的永磁同步电机建立有限元计算模型 分 析永磁体涡流损耗的大小和分布规律 研究正弦波供电和变频器供电时永磁体 涡流损耗的差异 对比不同极槽数 转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响 利用 Ansoft 对电主轴永磁 同步电机建立有限元模型 考虑变频器供电时间谐波与 空间谐波的激励源的加载 采用 Ansoft 自带的自适应 剖分工具进行网格划分 分析电机内不同因素对电机 内永磁体涡流损耗的影响 分析永磁电机内涡流损耗的 大小与分布规律 研究减小电机涡流损耗的措 施并提高和优化电机的性能 5 进而为提高电机性能提供依据 2 3 12 3 1 电机电磁场模型建立及有限元分析电机电磁场模型建立及有限元分析 Ansoft Maxwell 作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一 在各个 工程电磁场领域都得到了广泛的应用 Ansoft 基于麦克斯韦微分方程 采用有 限元离散形式 将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解 保证了计算的 准确性和快捷性 17 Ansoft 中包含静磁场 涡流场 静电场 恒定电场 交变 电场和瞬态场等数种求解器 满足实际工程中的要求 用有限元法计算电磁场 问题 其基本步骤可归纳如下 简化求解物理模型 导出求解的微分方程 根 据微分方程及边界条件 对已有的永磁同步电机建立有限元计算模型导出有限 元方程组 2 3 22 3 2 永磁同步电机涡流损耗的计算与分析永磁同步电机涡流损耗的计算与分析 效率是电机的一个重要性能指标 它的高低取决于运行时电机中所产生的 损耗 因此损耗分析的意义非常重要 利用有限元软件 通过构建有限元计算 模型 计算得到永磁体内涡流损耗的大小和分布 分析正弦波供电和变频器供 电下永磁体涡流损耗的特点 着重研究不同极槽数 转子磁路结构对永磁体涡 流损耗的影响 最后 针对减小损耗的措施进一步研究 进而优化电机并提高 电机性能 2 42 4 预计毕业设计课题的最终目标及达到的水平预计毕业设计课题的最终目标及达到的水平 通过以上的工作 运用有效的方法计算和分析出电主轴永磁同步电机内涡 流损耗 从永磁电机的实际结构出发 根据永磁电机永磁体内涡流场分析的特 点 求解永磁体内的涡流场 分析和讨论了涡流场对永磁电机性能的影响 分 析出其产生的原因和减小损耗的措施并应用到以后的设计或其它领域中 3 3 毕业设计工作计划及进度安排毕业设计工作计划及进度安排 第 1 周查找与课题相关的文献资料 了解国内外动态 第 2 周查找资料 翻译外文 第 3 周修改外文翻译 撰写开题报告 第 4 周完成开题报告 查阅资料 第 5 周学习 Ansoft 软件 第 6 周建立有限元计算模型分析磁场 第 7 周对模型进行激励源加载和剖分 第 8 周分析电机体内涡流损耗大小和分布规律 6 第 9 周分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点 第 10 周研究不同极槽数 转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响 第 11 周大概了解其他一些因素对电机永磁体涡流损耗的影响 第 12 周研究减小永磁体涡流损耗措施 第 13 周得出计算结果 第 14 周整理并汇总计算数据 第 15 周撰写毕业设计论文 第 16 周修改并完成毕业设计论文 第 17 周交论文 答辩 4 4 参考文献参考文献 1 李烨 严欣平 永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景 J 微电机 2001 34 4 30 33 2 张伯霖 谢影明 肖曙红 超高速切削的原理与应用 中国机械工程 1995 6 1 14 17 3 K Atallah D Howe P H Mellor et al Rotor Loss in Permanent magnet Brushless AC Machines IEEE Trans Ind Appl 2000 36 6 1612 1618 4 H Polinder M J Hoeijmakers Eddy Current Losses in the Permanent Magnets of a PM Machine IEE Proc Electron Power Appl 1999 146 3 261 265 5 徐永向 胡建辉 胡任之 等 永磁同步电机转子涡流损耗计算的实验验证方法 电工技 术学报 2007 22 7 150 154 6 王晓远 李娟 齐利晓 等 永磁同步电机转子永磁体内涡流损耗密度的计算 沈阳工业 大学学报 2007 29 1 48 51 7 P J Hor Z Q Zhu D Howe Eddy Current Loss in a Moving Coil Tubular Permanent Magnet Motor IEEE Trans Magn 1999 35 5 3601 3603 8 王晓远 李娟 齐立晓 等 盘式永磁同步电机永磁体内涡流的有限元分析 微电机 2007 40 1 5 9 9 王坚 基于有限元法的电机铁心涡流损耗分析 大电机技术 2004 4 5 9 10 W N Fu Z J Liu Estimation of Eddy current Loss in Permanent Magnets of Electric Motors Using Network field Coupled Multislice Time stepping Finite element Method IEEE Trans Magn 2002 38 2 1225 1228 11 O Bottauscio G Pellegrino P Guglielmi et al Rotor Loss Estimation in Permanent Magnet Machines With Concentrated Windings IEEE Trans Magn 2005 41 10 3913 3915 12 F Deng Commutation caused Eddy current Losses in Permanent magnet Brushless DC Motors IEEE Trans Magn 1997 33 5 4310 4318 13 F Deng Analytical Modeling of Eddy Current Losses Caused by Pulse Width Modulation 7 Switching in Permanent magnet Brushless DC Motors IEEE Trans Magn 1998 34 5 3728 3726 14 R f Liu C T Mi W Z Gao Modeling of Eddy Current Loss of Electrical Machines and Transformers Operated by Pulse width Modulated Inverters IEEE Trans Magn 2008 44 8 2021 2028 15 J Sagarduy A J Moses F J Anayi Current Losses in Electrical Steels Subjected to Matrix and Classical PWM Excitatio