永磁同步发电机的设计及磁场项目设计方案.doc

永磁同步发电机的设计及磁场项目设计方案1.1永磁材料发展概况19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然铁矿石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85KJm3）和50年代出现的铁氧体永磁材料（最大磁能积现可达40 KJm3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。这段时期在永磁电机设计理论、计算方法、充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36160KAm），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.20.44T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到上世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国KJStrnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成RCO5（其中R代表钐、镨等稀土元素），产品最大的磁能积现已超过199KJm3（25MGOe）。1973年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2CO7.产品的最大磁能积现已达258.6KJm3（32MGOe）。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431.3KJm3（54.2MGOe），商品生产现已达397.9 KJm3（50MGOe），称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资-钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。1.2 永磁同步发电机显著优点永磁同步发电机的结构与电励磁同步发电机的结构大体相似，其主要结构分别由定子、转子和机座组成。永磁电机的定子由定子铁心和定子三相对称绕组构成，其有别与电励磁同步发电机的结构是转子，转子主要由转轴、永磁体及相关支撑部件组成。由于其采用永磁材料，固其具有以下优点：1 体积小，重量轻 转子部分采用高磁场的永磁体代替电磁线圈，转子体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。2 效率高，节能效果显著 由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁损耗，因此三相永磁同步发电机比常规发电机明显节约能量；其效率能提高10-15%，是一种典型节能产品。3 电压波形质量好，适用于各种负载情况 由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下都可以使电压波形畸变率保持在较小的范围。4 过载能力强，适合于在各种恶劣环境下工作5 无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长 无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁体和铁心固成一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。1.3 永磁同步发电机的发展方向和前景永磁同步发电机有别于传统电励磁同步发电机，其最主要的区别在于转子采用永磁材料来产生磁场；其次永磁同步发电机与不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA 14极12000 r/min21000r/min和100kVA6000 r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3KW 20000r/min的永磁发电机。永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功当时世界容量最大的40 kVA160KVA稀土永磁副励磁机，配备200MW600MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。 从永磁电机的已有发展可以看出其发展是随着永磁材料性能的不断改进而发展起来。目前，独立电源用的内燃机驱动发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的永磁风力发电机正在逐步推广。随着现代的电力电子技术的不断成熟和机电一体化设备的广泛运用，永磁同步发电机的转子磁场不可调节性以及其他相关不理想因素也将不断改善，其将会随着永磁材料和电力电子技术等相关技术的发展向着大功率化、微型化、多样化、高性能化等方向发展。第2章 永磁同步发电机结构和原理2.1永磁同步发电机结构2.1.1 转子结构由于其转子磁场由永磁材料产生，转子结构多样化。永磁发电机的磁路形式多样，有许多不同的分类方法。1） 按永磁体所在位置分类，可分为旋转磁极式和旋转电枢式。旋转磁极式结构，其永磁体在转子上，电枢是静止的，永磁同步电动机，无刷直流电动机都采用该种结构。旋转电枢式磁路结构，其永磁体在定子上，电枢旋转，永磁直流电机采用该种磁路结构。2） 按所用材料分类，可分为单一式结构和混合式结构。在一台电机中，只采用一种永磁材料，称为单一式结构，绝大多数电机都采用该种结构。混合式结构通常采用两种性能特点不同的永磁体（将矫顽力低的永磁体置于磁极的前部，将矫顽力高的永磁体置于磁极后部），扬长避短，充分发挥永磁材料的优势，提高电机的性能，降低制造成本。3） 按永磁体的安置方式分类，可分为表面式和内置式。表面式磁极的永磁体直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但永磁体直接承受点电枢反应的去磁作用;内置式磁极的永磁体置于铁心内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的永磁体来提高气隙磁密，减小电机的重量和体积。4） 按永磁体的形状分类，进行永磁体设计时必须保证永磁体在磁路中产生足够的磁通和磁动势，可分为瓦片形、极弧形、环形、爪极形、星形、矩形磁极。5） 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式、径向式、混合式和轴向式。2.1.2 定子结构 定子铁心是构成永磁电机磁通回路和固定定子线圈的重要部件，它由冲片和三相对称绕组以及各紧固件压紧成一个整体。定子铁心的基本要求：1）导磁性能好，损耗低；2）刚度好，振动小；3）结构布置上有良好的通风冷却效果；4）叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。定子绕组的基本要求：1） 在一定的导体数下，有合理的最大的基波电动势和基波磁动势；2） 在三相绕组中，三相基波电动势和三相基波磁动势必须对称，即大小相等，相位上互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相等；3） 相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，为此要求它们的谐波分量尽可能小；此外还要求用铜少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好，制造工艺简单，检修方便。定子交流绕组主要有以下几种分类形式：1） 按相数分为单相，两相和三相绕组；2） 按槽内层数分为单层、双层绕组，其中单层有等元件、交叉式和同心绕组，双层绕组有波绕组和叠绕组，它们一般采用短距分布绕组形式；3） 按每极每相槽数分为整数槽绕组和分数槽绕组。2.2永磁同步发电机原理及特性2.2.1 工作原理 永磁同步发电机主要电磁结构为定子和转子，定转子之间有气隙。定子上有AX,BY,CZ三相对称绕组，相绕组由多匝串联的绕组元件连接而成，每相绕组匝数相等，在空间上相差120度电角度。转子上有永磁材料产生机械磁场，其磁通由转子N极出来，经过气隙，定子铁心，气隙进入S极而构成回路。在原动机拖动发电机转子以恒定转速n（同步转速）旋转时，磁极的磁力线将切割定子绕组导体，在定子导体中感应出交变电势，当定子三相绕组外接三相对称负载时，便会在三相绕组中感生出三相对称电流，从而实现将机械能转化为电能。当转子为一对极时，转子旋转一周，相绕组中的感应电势正好交变一次（称为交变了一个周波），实际电机有P对极。永磁同步电机和电励磁同步电机一样，电机转速和定子电流的频率严格遵守n=60fP的关系。2.2.2 运行特性永磁同步发电机的运行性能的主要三个重要性能指标：固有电压调整率、短路电流倍数、电压波形正弦性畸变率。1） 固有电压调整率永磁发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E0（V）；在负载运行时，气隙合称基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势E（V），计算公式为： （2-1） （2-2）空载气隙磁通和气隙合成磁通需要根据所选用的永磁材料性能，转子磁路结构形式和具体尺寸，运用电磁场数值解法求出或用等效磁路法求出。对于切向、径向、混合式结构，可以将永磁材料等效地化为两个恒磁通源并联供应同一条外磁路的等效磁路。2） 短路电流倍数永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路和瞬态（冲击）短路两种。瞬态短路电流通常大于稳态短路电流，但计算比较复杂，工程中通常先求出稳态短路电流，然后利用经验修正系数得出瞬态短路电流倍数。短路电流对永磁体去磁作用的大小，除与短路电流倍数有关外，还取决于转子磁路结构形式和空载漏磁系数的大小。对于软铁极靴，极间浇铸非磁性材料，转子上安装阻尼笼等有阻尼系统的磁路结构，瞬态短路电流对永磁体的去磁作用大大减弱，并接近于稳态。短路电流的作用，对于无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电阻率很大，几乎没有阻尼作用，固瞬态短路电流的去磁作用很大。为了避免永磁体在发电机短路过程中发生不可逆的退磁，在设计过程中进行最大去磁工作点的校核计算，应保证此工作点在最高工作温度时回复线的线性段应高于或者等于回复线的拐点。3）电压波形正弦性畸变率在永磁同步发电机负载运行中，负载对发电机所发出的电动势波形有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。在国家标准规定中，电压波形正弦性畸变率是指电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根值与该波形基波有效值的百分比。为了减小电压波形正弦畸变率，除采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组、斜槽等措施外、还应改善气隙磁场波形，它不但与气隙形状和极弧系数有关外，还与有无软铁极靴和稳磁处理的方法有关。微型和小功率永磁同步发电机如对电压波形要求不高时，通常采用均匀气隙。空载气隙磁场可近似看成宽度为，幅值为的矩形波。当发电机容量较大或对电压波形要求严格时，需对极靴形状进行加工，使气隙不均匀并选用合适的极弧系数，从而使气隙磁场分布波形尽可能接近正弦。2.3 永磁同步发电机的设计特点2.3.1 永磁材料和转子结构的选择既然永磁同步发电机采用永磁材料来建立转子机械旋转磁场，因此永磁材料的合理选择在电机设计当中是非常关键的,一般衡量永磁材料的指标有：（1）退磁曲线永磁材料的磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。退磁曲线上的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时，相对应的磁感应强度（磁通密度）值称为剩余磁感应强度，简称剩磁密度或剩磁。退磁曲线上与磁感应强度B为零时，所对应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力。磁场能量密度m=BH2，因此退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积可反映磁场能量密度，被称为磁能积。（2）回复线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，在电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度会沿退磁曲线下降。如果下降到最低点时消去外加退磁磁场强度，则磁通密度并不沿退磁曲线回复。因此保证退磁曲线和回复线重合是非常重要的设计过程。（3）内禀退磁曲线内禀退磁曲线是描述内禀磁感应强度与磁场强度之间关系的曲线。（4）稳定性为了保证永磁发电机的电气性能不发生变化和长期可靠运行，需要保证永磁材料的热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。永磁电机磁性材料的选择直接关系到电机中转子机械磁场以及定子感应电势、电流等相关参数的波形。从以上永磁材料的衡量指标可以清晰认识到在永磁电机的设计过程中，永磁材料的选择必须充分考虑到以上这几个永磁材料的性能指标，这也是永磁电机设计有别于电励磁电机设计最主要的设计特点。2.3.2 固有电压调整率和降低措施 永磁同步发电机制成后，气隙磁场调节困难。为了使其能得到大量推广，需要对永磁同步发电机的固有电压调整率有严格要求。发电机的固有电压调整率是指在负载变化而转速保持不变时所出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。 从永磁同步发电机的电压平衡方程中可以得知，为了降低电压调整率必须在给定的空载电势E0的情况下尽量增大输出电压U。为此既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通，又要减小电枢电阻R1和漏抗X1。 a )为了降低电枢反应引起的去磁磁通，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力大，回复磁导率小的永磁材料；同时增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应影响。其次需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用，因此选用剩磁密度大的永磁材料；并且应增大永磁体提供每极磁通的横截面积，这时磁通明显增加，可以有效地减少每相串联匝数。 b）为了减小定子漏抗X1，需要选择宽而浅的定子槽型；减小电枢绕组每相串联匝数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比。 c）为了减少电枢电阻，需减小电枢绕组每相串联匝数和增大导体横截面积。在上述措施中，都将导致耗用更多的永磁材料，所以在满足规定的性能指标的前提下，合理的选择参数，尽量减少永磁材料的用量。第3章 设计方案3.1转子设计3.1.1永磁材料的选择对于永磁材料的选择原则为：1） 永磁体应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标；2） 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定；3） 有良好的经济性能及加工装配方便；4） 经济性好，价格便宜。钕铁硼是现代工业和民用电机中得到了广泛的运用，其磁性高于稀土钴永磁，室温下其剩磁感应密度Br高达1.47T，磁感应矫顽力Hc可达992KAm,最大磁能积高达397.9KJm3是目前磁性能最高的永磁材料。钕铁硼不足之处在于居里温度较低，一般为320-410摄氏度左右；温度系数较高，Br的温度系数可达-0.13%K-1，的温度系数达。综合考虑电机性能及各方面要求，本设计采用钕铁硼永磁材料，其牌号为N35H，剩磁密度为1.22T矫顽力923KAm预计工作温度为80oC。图 3.1退磁（BrHc）曲线3.1.2转子磁路结构 根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，转子磁路结构有切向式、径向式、混合式和轴向式。本设计采用切向套环式结构，其结构示意图（如图2-2）磁通路径为：永磁体N极, 软铁极靴, 套环的磁性材料段, 气隙, 定子铁心, 气隙套环的磁性材料段, 软铁极靴, 永磁体S极。切向式磁路结构永磁体的磁化方向为转子圆周的切线方向；永磁体并联作用，由两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可以提高气隙磁通密度，但是永磁体的磁化方向与磁通轴线接近垂直且离气隙较远。为减少永磁体向里侧漏磁，转轴衬套需由非磁性构成。图 3.2 转子截面图3.2定子设计3.2.1定子铁心 电机对定子铁心的要求：导磁性能好、损耗低、刚度好、振动小，在结构布置上有良好的通风冷却效果，叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。为满足以上要求本设计的定子铁心采用0.35mm厚的冷轧无取向硅钢片冲制而成，其具体尺寸见（附录1）。3.2.2定子绕组形式 在本设计中，为满足电机对定子绕组的各方面要求，采用双层短距分布式绕组，其具体结构如下：总槽数Z=36；极数2p=4；相数m=3；每极每相槽数q=Z2mp=3(整数槽绕组)；相带为60度（电角度）；槽距角=20度（电角度）；并联支路数a=1；线圈节距取y=8。其绕组展开图具体详见（附录2）表3.1 绕组分相第一对极相带A1C1B1A1C1B1槽号1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极相带A2C2B2A2C2B2槽号19,20,2122,23,24,25,26,2728,29,30,31,32,33,34,35,36上表中为每匝线圈的上层导体边，下层导体边按照短距绕组形式（节距y=8）放置于各槽的下层。第4章 电磁设计程序4.1额定数据（1）额定功率： PN=7.5kw（2）相数： m=3（3）额定电压（线电压）：UN=400V 额定相电压（Y型接法）：V（4）额定相电流： A（5）效率： （6）功率因数： （滞后）（7）额定转速： （8）额定频率: （9）冷却方式: 空气冷却（10）转子结构方式：切向套环式（11）固有电压调整率：4.2永磁材料的参数尺寸确定（12）永磁材料牌号：N35H（13）预计工作温度：（14）剩余磁通密度： 工作温度时的剩磁密度： （15）计算矫顽力 工作温度时的计算矫顽力： （16）相对回复磁导率： 真空磁导率，（17）在最高工作温度时退磁曲线拐点位置（18）永磁体磁化方向长度：（19）永磁体宽度：（20）永磁体轴向长度：（21）永磁体段数：（22）极对数： （23）永磁体每极截面积: 切向结构 （24）永磁体每对极磁化方向长度： （25）永磁体体积: （26）永磁体质量：钕铁硼永磁 4.3 转子结构尺寸（27）气隙长度: 均匀气隙 空气隙长度（cm） :无纬玻璃丝带厚度或非磁性材料套环厚度，cm（28）转子外径:（29）轴孔直径：（30）转子铁心长度： （31）衬套厚度：切向套环结构 其中 （32）极距： （33）极弧系数：（34）极间宽度：4.4 定子绕组和定子冲片尺寸（35）定子外径：（36）定子内径： （37）定子铁心长度：（38）每极每相槽数：（39）定子槽数：（40）绕组节距：（41）短距系数：双层绕组（42）分布系数： （43）斜槽因数： 斜槽中心角， 斜槽宽距离，（44）绕组系数： （45）预估永磁体空载工作点：（46）预估空载漏磁系数：（47）预估空载磁通： （48）预估空载电动势： V（49）绕组每相串联匝数： （50）每槽导体数： （取16）（51）实际每相串联匝数： （52）估算绕组线规：假设 采用两根直径为1.3mm和一根直径为0.9mm三根并绕，绝缘后直径分别为1.41mm和1.0mm。总截面积：（53）实际电流密度： （54）电负荷： （55）定子冲片槽型设计：图4-1 定子槽型（56）槽满率：槽面积 槽绝缘占面积：4.5 磁路计算（57）计算空载磁通： Wb（58）计算极弧系数（均匀气隙）： （59）铁心有效长度（定，转子轴向长度相等）： （60）气隙磁密： T（61）气隙系数： （62）气隙磁位差： A（63）定子齿磁密： T（64）定子齿磁位差： A 取115.2 取1.073（65）定子轭磁密： T（66）定子轭磁位差： A -定子轭磁场强度取 -考虑轭部磁通密度不均匀而引入的轭部磁路长度校正系数，取0.32 -定子轭磁路计算长度： cm（67）极靴平均磁密： T -极靴轴向长度17cm（68）极靴磁位差： A 查表取1.063 取4.8cm（69）磁性衬套平均磁密：对于切向式结构，T（70）磁性衬套磁位差： A（71）总磁位差： （72）主磁导： H 主磁导标幺值：（73）漏磁导（利用电磁计算而得到）： 漏磁导标幺值： （74）外磁路总磁导： H 外磁路总磁导标幺值： （75）永磁体空载工作点： （76）空载漏磁系数： （77）空载气隙磁通： （通过）（78）空载气隙磁密： T（79）空载定子齿磁密： T（80）空载定子轭磁密： T（81）绕组平均半匝长： cm -线圈端部平均长，取15.75cm（82）每相绕组电阻： （83）槽比漏磁导：（84）端部比漏磁导： （85）差漏磁导： （86）齿顶比漏磁导： （87）总漏磁导系数： （88）每相绕组漏抗： 每相绕组漏抗标幺值： （89）每极电枢磁动势： A（90）交轴电枢反应电抗： （91）交轴同步电抗： 交轴同步电抗标幺值： （92）内功率因数角： （93）每极直轴电枢磁动势： 每极直轴电枢磁动势标幺值： （94）主磁体负载工作点： （95）额定负载气隙磁通： （96）负载漏磁系数： （97）负载气隙磁密： T （98）负载定子齿磁密：（99）负载定子轭磁密： （100）直轴电枢反应电抗： 直轴电枢反应电抗标幺值：（101）直轴同步电抗： 直轴同步电抗标幺值： 4.6 电压调整率和短路电路计算（102）空载励磁电势： （103）额定负载时直轴内电动势：（104）输出电压：（105）电压调整率： （106）短路电流倍数： =7.674（107）永磁体最大去磁工作点: 4.7 损耗和效率计算（108）定子齿质量： （109）定子轭质量： （110）齿部单位铁耗：（111）轭部单位铁耗：（112）定子铁耗： （113）定子绕组铜耗： （114）机械损耗：（115）杂散损耗： （116）总损耗： （117）效率 第5章 磁场有限元分析5.1 有限元分析法和Ansoft软件介绍磁场有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单的、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解，然后得到各节点的磁位，进而得到相应的磁场量。稀土永磁电机的永磁体具有很高的磁能、单位体积的力能指标高、电磁负荷高、电机尺寸小等优点得到越来越快的发展。传统的电机设计过程是采用磁场耦合法对电机磁场进行计算，但是这种方法在稀土电机设计中存在难以得到准确的磁路计算结果、设计结果和实际的电机相差比较大、研发周期长、成本高等缺点。随着数据计算和仿真技术的不断发展，采用磁路法和有限元方法相结合对电机的电磁场进行分析和计算，可获得更加准确的计算结果，同时可以缩短研发周期和节约成本。本文利用Ansoft公司最新版的Maxwell 2D仿真软件建立永磁同步发电机的模型，它结合了基于磁路法设计旋转电机的Rmxprt软件和基于有限元法的电磁场计算软件Maxwell12。本发电机在其他参数不变的情况下，通过改变永磁体磁化方向长度和气隙大小进行分析，并通过两个软件进行仿真对比，从而使得电机的设计更结合理。根据永磁同步发电机的设计指标，首先通过Ansoft中的Rmxprt软件进行电机设计仿真和优化，它能快速提供基于磁路法的分析结果，然后观察电机主要参数对磁密和电机特性的影响，相应调整电机尺寸和绕组结构得到最佳电机设计方案。本设计要求的额定功率为7.5KW，额定转速为1500rmin，极对数2，频率50Hz，效率94%。5.2电机的电磁仿真及设计优化5.2.1采用RMxprt进行路的方法计算1.建立项目启动Maxwell Control Panel 进入Maxwell控制板建立所设计电机项目，本设计项目名为YCTF，如图5.1所示。图5.1建立项目2.输入数据1）输入基本数据功率7.5Kw、功率因数0.9、电压400V、极数4、频率50Hz、摩擦损耗70W、工作温度75oC、连接方式Y 以及仿真类型。图5.2 基本数据的输入2）输入定子铁心数据定子外径220mm、内径146mm、槽数36、斜槽数1以及槽型尺寸。图5.3定子铁心数据的输入3）输入定子绕组数据铁心长度170mm、叠压系数0.93、定子冲片型号M19-24G、并联支路数1、每槽导体数32、节距8以及绕组形式。图5.4定子绕组数据输入4）输入转子数据气隙长度2mm、转子内径40mm、转子铁心长175、转子冲片叠压系数0.93、冲片型号M19-24G、永磁体牌号N35H、永磁体尺寸以及转子结构类型。图 5.5转子数据的输入3通过Rmxprt窗口中RunAnalytical Design操作运行所输入的参数，输出数据、图形和曲线如下：（1）输出数据：PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR DESIGN File: d:/仿真软件/maxwell/default/yctf.pjt/yctf.res GENERAL DATARated Output Power (kW):7.5Rated Power Factor:0.9Rated Voltage (V):400Number of Poles:4Frequency (Hz):50Friction and Wind Loss (W):70Rotor Position:InnerOperating Temperature (C):75Type of Circuit:S3Operation Type:Individual MachineDomain:Frequency STATOR DATA Number of Stator Slots:36Outer Diameter of Stator (mm): 220Inner Diameter of Stator (mm): 146Type of Stator Slot:2Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 1 hs1 (mm): 1.3 hs2 (mm): 8 bs0 (mm): 4 bs1 (mm): 7.2 bs2 (mm): 8.6Top Tooth Width (mm): 5.94233Bottom Tooth Width (mm): 5.93859Skew Width (Number of Slots):1Length of Stator Core (mm): 174Stacking Factor of Stator Core:0.93Type of Steel:M19-24GSlot Insulation Thickness (mm): 0.3End Length Adjustment (mm): 0Number of Parallel Branches:1Number of Conductors per Slot:32Type of Coils:22Average Coil Pitch:8Number of Wires per Conductor:2Wire Diameter (mm): 0.85Wire Wrap Thickness (mm): 0.09Stator Slot Fill Factor (%):71.9001Coil Half-Turn Length (mm): 338.724 ROTOR DATAMinimum Air Gap (mm): 2Inner Diameter (mm): 40Length of Rotor (mm): 175Stacking Factor of Iron Core:0.93Type of Steel:M19-24GShaft Diameter (mm): 33Mechanical Pole Embrace:0.820072Electrical Pole Embrace:0.863649Max. Thickness of Magnet (mm): 20Width of Magnet (mm): 45Type of Magnet:n35hType of Rotor:4 PERMANENT MAGNET DATAResidual Flux Density (Tesla):1.22Coercive Force (kA/m):923Maximum Energy Density (kJ/m3):282Relative Recoil Permeability:1.049Demagnetized Flux Density (Tesla):0.457872Recoil Residual Flux Density (Tesla):1.21891Recoil Coercive Force (kA/m):924.696 MATERIAL CONSUMPTIONArmature Copper Density (kg/m3): 8900Permanent Magnet Density (kg/m3): 7800Armature Core Steel Density (kg/m3): 7650Rotor Core Steel Density (kg/m3): 7650Armature Copper Weight (kg): 3.94136Permanent Magnet Weight (kg): 4.914Armature Core Steel Weight (kg): 21.7192Rotor Core Steel Weight (kg): 13.0731Total Net Weight (kg): 43.6476Armature Core Steel Consumption (kg): 41.1189Rotor Core Steel Consumption (kg): 20.5593 STEADY STATE PARAMETERSStator Winding Factor:0.818579D-Axis Reactive Reactance Xad (ohm):1.61566Q-Axis Reactive Reactance Xaq (ohm):6.36334D-Axis Reactance X1+Xad (ohm):2.92832Q-Axis Reactance X1+Xaq (ohm):7.676Armature Leakage Reactance X1 (ohm):1.31266Zero-Sequence Reactance X0 (ohm):0.697265Armature Phase Resistance R1 (ohm):2.48702 NO-LOAD MAGNETIC DATAStator-Teeth Flux Density (Tesla):1.95904Stator-Yoke Flux Density (Tesla):1.8975Rotor-Yoke Flux Density (Tesla):0.881674Air-Gap Flux Density (Tesla):0.830289Magnet Flux Density (Tesla):0.929284Stator-Teeth Ampere Turns (A.T):348.031Stator-Yoke Ampere Turns (A.T):359.938Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T):2.03805Air-Gap Ampere Turns (A.T):1486.68Magnet Ampere Turns (A.T):-2197.17Leakage-Flux Factor:1Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Stator Yoke:0.14865Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Roor Yoke:0.591888Fundamental Induced Voltage (V):454.508THD of Induced Voltage (%):1.2048Cogging Torque (N.m):1.99316e-011 FULL-LOAD DATALoad Resistance (ohm):51.84Load Inductance (H):0.0799189Load Line Voltage (V):403.537RMS Line Current (A):6.98175RMS Phase Current (A):6.98175Armature Thermal Load (A2/mm3):107.875Specific Electric Loading (A/mm):17.5353Armature Current Density (A/mm2):6.15186Friction and Wind Loss (W):70Iron-Core Loss (W):122.651Armature Copper Loss (W):363.688Total Loss (W):556.34Output Power (W):7508.67Input Power (W):8065.01Efficiency (%):93.1018Apparent Power (VA):8452.4 Synchronous Speed (rpm):1500Rated Torque (N.m):51.3434Short Circuit Current (A):58.2215 WINDING ARRANGEMENTThe 3-phase, 2-layer winding can be arranged in 18 slots as below:AAAAAABBBBBBCCCCCCAngle per slot (elec. degrees):20Phase-A axis (elec. degrees):130First slot center (elec. degrees):0 TRANSIENT FEA INPUT DATA For Armature Winding: Number of Turns:192 Parallel Branches:1 Terminal Resistance (ohm):2.48702 End Leakage Inductance (H):0.001154242D Equivalent Value: Equivalent Air-Gap Length (mm):174 Equivalent Stator Stacking Factor:0.93 Equivalent Rotor Stacking Factor:0.935345 Equivalent Br (Tesla):1.22591 Equivalent Hc (kA/m):924.696Estimated Rotor Inertia (kg m2):0.0544861Ansoft中RMxprt模块是基于传统电机设计方法（路的计算方法）而进行的电磁设计参数优化，仿真输出主要参数如下：（线电压）Load Line Voltage (V):403.537（线电流）RMS Line Current (A):6.98175（相电流）RMS Phase Current (A):6.98175（输出功率）Output Power (W):7508.67（功率因数）Power Factor:0.888347 （效率）Efficiency (%):93.1018从以上参数可以看出电磁设计中的各项指标已达设计任务书的全部要求，已达最优电磁设计的目的。（2）图形：图 5.6定转子截面图上图中为RMxprt运行后自动生成的电机定转子横截面图。点击viewwinding layout显示图 5.7各相线圈分布图图中真实地反映了定子绕组在定子槽中所放置的顺序，即各相绕组排列方式。（3）输出曲线：在AsoftRMxprt的Performance Curves能清晰的查看所设计电机中各参数随着电角度变化的曲线：图5.9空载下气隙磁通波形从图中可以看出气隙磁密的波形为平顶波，其所含有大量奇次谐波磁通。图 5.8空载额定转速下每匝线圈感应电势波形图中红色的曲线为槽中每根导体所感应出来的电势曲线。红色所反映的为每匝线圈所感应的电势波形，其中也含有各种奇次谐波。从以上两张图形的曲线可以清晰的看出空载下各匝线圈的感应电势的波形和空载气隙磁通的波形基本是相似的，空载磁通在定子线圈中感应出与其同相位的感应电势；但是每匝线圈中的电势波形畸变率非常大，通常采用分布和短距的绕组形式能有效地消除感应电势的奇次（主要是5次和7次）谐波。图5.10空载额定转速下每相绕组感应电势波形由图可以看出在每相绕组均采用短距和分布的绕组形行可以明显的消弱各匝线圈感应电势的各奇次谐波，使之接近于正弦波以满足负载对输出电压波形的要求。图5.11负载下各相绕组电流波形当发电机带额定三相对称负载运行时各相电流波形为上图所示；图中黄、绿、红分别为A、B、C三相的负载电流波形，其中B相滞后于A相120度电角度、C相滞后于B相120度电角度。图5.12负载下线相电势波形（4）建立Maxwell2D几何模型点击下拉菜单AnalysisView Geometry，弹出2D Modeler窗口显示如下：图 5.13电机2D几何模型5.2.