永磁同步电动机

基于ANSYS的永磁同步电动机设计系统,报告人：杨振华导师：胡虔生周建华单位：东南大学电气工程学院,主要内容,一、绪论二、永磁同步电动机的基本理论和设计特点三、永磁同步电动机的有限元分析四、永磁同步电机软件对ANSYS的封装五、永磁同步电动机设计系统六、样机的设计、制造与实验七、总结与展望,第一章绪论,1.1课题背景及实际研究意义,我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低。永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。永磁同步电动机磁路结构复杂，传统设计方法无法满足高性能永磁同步电动机的发展需求。现代计算机技术的发展使得电磁场的研究成为永磁同步电动机的新方法。,第一章绪论,1.2永磁同步电动机的发展及研究现状,发展：1831年出现了世界上第一台永磁电机。永磁同步电动机是随着永磁体材料的不断发展而发展的。直到第三代稀土永磁材料的问世，永磁电机得到了飞速发展。研究现状：国外：80年代、90年代出现了大量永磁同步电动机理论和研究方法的文章。国内：80年代起，以唐任远的现代永磁电机理论和设计和李钟明的稀土永磁电机为代表。,第一章绪论,目前来说，国内外对永磁同步电机的研究主要在以下几个方面：结构设计研究优化设计磁场分析计算和数值方法的研究测试技术的研究调速系统的研究,第一章绪论,1.3永磁同步电动机的设计方法,用于永磁同步电动机电磁性能分析的方法主要有以下三种：等效磁路法简单快速，采用大量经验数据或曲线，设计周期长，精确度不高。电磁场数值计算法精度高，占用计算机资源较多，时间较长。场路结合法结合了等效磁路法和电磁场数值计算法的优点。,第一章绪论,1.4本文的主要研究内容,本文采用场路结合法，借助于有限元计算软件ANSYS和程序设计语言C+，编写了一套较完整的永磁同步电动机设计分析软件系统。功能如下：具有友好的人机界面和方便的数据库管理系统。具有三种磁路结构的计算方案建立了ANSYS和C+设计程序的接口，有效地实现了场路结合法。提供各种图形和表格供设计人员参考。本文设计了样机并进行了实验，验证了本设计系统的准确性，同时也积累了工程设计经验。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,2.1PMSM的结构特点,按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。表面式这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体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仅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。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种。,凸出式插入式,特点：隐极，结构简单，成本低，转动惯量小,特点：凸极，磁阻转矩，动态性能好，漏磁大，成本高本低,第二章PMSM的基本理论和设计特点,内置式按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，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。径向式：漏磁系数小，不需隔磁措施，极弧系数易控制，转子强度高，永磁体不易变形。切向式：漏磁系数大，需隔磁措施，每极磁通大，极数多，磁阻转矩大。混合式：结合径向式和切向式优点，结构和工艺复杂，成本高。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,下图是一种W型的混合式转子磁路结构，其永磁体的径向部分和切向部分的磁化长度相等，也采用了隔磁磁桥隔磁。在该结构中，转子可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也小，但制造工艺更复杂，转子冲片的机械强度也下降。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,2.2PMSM的稳态性能,相量图根据永磁同步电动机的电路模型，当电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压方程：,右图为感性去磁作用下的相量图，稀土永磁同步电动机的额定工作状态一般都设计在此状态下。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,功角特性稀土永磁同步电动机的，其功角特性与电磁式同步电动机有明显的差异，如下图所示。其凸极效应转矩在090范围内呈现负值，最大功角大于90，额定功角相对较大，甚至会在原点附近出现一个不可实现的“回环”。,稀土永磁,电磁式,第二章PMSM的基本理论和设计特点,效率与电磁式同步电动机相比，稀土永磁同步电动机无励磁铜损耗；与异步电机相比，稀土永磁同步电动机转子无铜损耗。工作特性曲线计算出电动机的E0、Xd、Xq和R1等参数后，给定一系列不同的转矩角，便可求出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机的损耗，便可得到电动机的输出功率P2和效率，从而得到电动机稳态运行性能（P、和等）与输出功率P2之间的关系曲线，即电动机的工作特性曲线。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,2.3设计特点,永磁同步电动机电磁设计的主要任务是确定电机主要尺寸、选择永磁体材料和转子磁路结构、估算永磁体的尺寸、设计定转子的冲片和选择绕组数据，然后利用有关的公式对初始设计方案进行性能校核，调整电动机的某些设计参数，直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。主要尺寸及气隙长度的选择由电动机的功率和转速可选定电动机的，然后凭经验选取一定的主要尺寸比，得出电动机的主要尺寸。气隙长度参照相同规格或近似规格的感应电动机的气隙长度，并加以适当的修改。,第二章PMSM的基本理论和设计特点,定转子槽数选择定子槽数选择原则与感应电动机相同，转子槽数通常被选定为电动机极数的整数倍。转子设计设计时应根据待设计电动机的具体性能指标按照不同转子磁路结构的特点选，或者研究、开发新的转子磁路结构。永磁体设计磁化方向长度hM：从成本和退磁考虑。宽度bM：从空载漏磁系数和电动机磁负荷考虑。绕组设计可参考普通交流电动机的绕组设计，绕组匝数和线规可根据电动机的电磁负荷、定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定。,第三章PMSM的有限元分析,3.1运用ANSYS进行有限元分析,应用ANSYS对样机进行有限元分析时，需要永磁同步电动机的几何尺寸（定转子内外径、槽型、气隙等）、转子磁路结构、铁心材料（硅钢片的磁化曲线）、永磁体参数（磁导率、矫顽力等）等主要的参数。应用ANSYS进行有限元分析，主要包括以下三个步骤。前处理整个前处理都是在MainMenu的Preprocessor中完成的。定义物理环境：包括坐标选用、单位制设定、有限元单元选用等。,第三章PMSM的有限元分析,定义材料属性：气隙定义为空气；槽与转轴定义为铜；定转子冲片选用DW510-50硅钢片；永磁体采用钕铁硼NTP264，Br=1.12T，Hc=820kA/m。建模：创建一个模型的顺序是由点到线、由线到面。槽的建立是电机建模的重要部分。为了使建立的模型更通用化，要根据槽型确定其各个关键点相对于电机轴中心的逻辑位置。转子磁路结构的建立是整个电机建模的关键部分。本设计系统包含3种磁路结构：表面型、U型和W型转子磁路结构。根据每种结构的特点以及永磁体相对于电机轴中心的逻辑位置，分别建立一组关键点公式，从而完成转子磁路结构的建立。,第三章PMSM的有限元分析,样机采用的是U型永磁体的转子磁路结构，其整个模型如下图所示。,第三章PMSM的有限元分析,赋予模型属性：把之前定义的各个材料的属性赋予模型中相应的面。剖分网格：ANSYS具有强大的网格剖分能力，样机采用了自由剖分。加载和求解这部分的工作在MainMenu的Solution中完成。首先需要对模型施加边界条件（即第一类边界条件、第二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）。将定子外侧表面取为第一类边界条件，即Az取为0。永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励。在命令输入窗口中输入命令magsolve就可以进行求解了。,第三章PMSM的有限元分析,后处理ANSYS有两个结果后处理器：POST1和POST26，本文采用POST1，它是通用后处理器，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。常用的图形显示选择有：等位线绘图ContourPlot，矢量绘图VectorPlot、磁力线FluxLines。,第三章PMSM的有限元分析,通过ANSYS对电磁场的有限元分析，可以准确地获得电机内磁场的分布，并求出电机的各种计算系数，如漏磁系数、极弧系数等等。气隙磁通在ANSYS中，可以通过宏命令FLUXV求出在一个极距路径上的气隙磁通(单位轴向长度)。如右图所示。,3.2运用ANSYS计算主要参数,第三章PMSM的有限元分析,空载漏磁系数两点间标量磁位的绝对值之差就是通过单位轴向长度内两点间的磁通量，根据空载漏磁系数的定义，其永磁体空载时的总磁通与进入电枢的气隙主磁通0之比，即。,式中，A1-A8是节点1-8处的磁位值。,第三章PMSM的有限元分析,计算极弧系数计算极弧系数可以定义为气隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。结合ANSYS对样机磁场的分析，一个极距范围内分布的空载磁场气隙径向磁通密度如右图所示。,第三章PMSM的有限元分析,交直轴电枢反应电抗当定子中通入三相对称电流时，即,令t=0时刻电机的A相绕组轴线与转子q轴轴线重合，则三相电流产生的电枢反应磁势与q轴有一固定角90-，如右图所示。以直轴电抗为例，当=0时，此时的电枢反应磁势只有d轴分量，在ANSYS中根据槽面积并加载三相定子电流密度，得到直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密分布图。,第三章PMSM的有限元分析,直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密分布图如下图所示。,第三章PMSM的有限元分析,运用ANSYS内部自带的傅立叶函数，对直轴电枢反应气隙磁密进行傅立叶分解后得到基波幅值Bd1，从而计算得直轴合成电动势Ed，然后根据,求得Xad。,同理可得Xaq。交轴电枢反应时交轴的磁密分布图以及气隙磁密分布图，如下图所示。,第四章PMSM软件对ANSYS的封装,APDL语言是ANSYS软件提供的参数化设计语言，它的全称是ANSYSParametricDesignLanguage。它是一种类似FORTRAN的解释性语言，实质上由类似于FORTRAN的程序设计语言和1000多条ANSYS命令组成。其中，程序设计语言部分与其他编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。,4.1APDL语言,第四章PMSM软件对ANSYS的封装,整个设计软件系统的流程图如右图。它主要由前处理参数输入、传递参数到APDL文件、提交APDL文件给ANSYS进行批处理计算以及ANSYS计算结果后处理等部分组成。,4.2VC调用ANSYS程序设计,第四章PMSM软件对ANSYS的封装,在程序设计系统中，提交APDL文件给ANSYS进行批处理计算是核心部分，起着接受用户界面参数的输入、创建进程及调用ANSYS对APDL文件进行计算的重要工作，该模块的程序流程图如图4-3所示。,第五章PMSM设计系统,系统结构,5.1设计系统概述,第五章PMSM设计系统,控制结构,第五章PMSM设计系统,整个设计系统由电磁设计功能、图形辅助功能、报表输出功能和打印输出功能等四大功能组成。电磁设计功能：包括电磁场计算、磁路性能计算两大部分，整个磁路性能模块可以分为额定数据计算、主要尺寸计算、永磁体计算、定转子冲片计算、绕组计算、磁路计算、参数计算、交轴磁化曲线计算、工作特性计算和起动性能计算等十个部分，每个部分都是以函数形式存在。图形辅助功能：可以绘制电机示意图、定子槽形图、转子槽形图、永磁体示意图、磁路结构图、绕组示意图等几何模型确定的结构示意图。,5.2系统功能,第六章样机的设计、制造和实验,6.1样机设计,第六章样机的设计、制造和实验,磁路结构选择为了提高永磁体的利用率，增大气隙磁密，本文设计了基于上表各参数的W型和U型两种转子磁路结构的永磁同步电动机（永磁体宽度和厚度均相同），现将计算结果列出如下表。,样机的设计从磁路结构选择、永磁体尺寸选择以及电磁计算结果等三方面来进行分析设计。,第六章样机的设计、制造和实验,永磁体尺寸选择为了在永磁体的用量和同步电动机性能之间取得一个最佳结合点，同时也为了减小永磁体的用量，减小设计成本，本文针对永磁体磁化方向厚度与漏磁系数、气隙最大磁密之间的关系作了一定的分析，计算结果见表6-3。,第六章样机的设计、制造和实验,电磁计算结果分析通过对计算工作特性数据的分析可知，样机的额定功率（转矩）点所对应的转矩角为41.2，最大功率（转矩）点对应的转矩角为101.0。由于永磁同步电动机d、q轴磁路不对称，因此转矩最大值所对应的转矩角大于90，而不像电励磁同步电动机那样小于90，这也是永磁同步电动机的特点。同时，也对不同转矩角情况下的电机，运用ANSYS进行了电磁场计算，发现随着转矩角的增加，电枢电流也在不断地增大，直轴电枢反应的去磁作用也在不断地增大，定子齿、轭部的磁密慢慢减小。,第六章样机的设计、制造和实验,整个实验分为空载实验、负载实验和温升实验三部分组成。空载实验在空载条件下，室温17.9，三相相电压有效值为220V，相电流值为0.437A，转速为1500rpm。相电压采用高压探头进行测量，相电流波形采用PR电流钳型表进行测量。空载情况下的波形如下图所示。,6.2样机实验,第六章样机的设计、制造和实验,负载实验本次实验的负载是一台变频调速的4极异步电动机。输入功率由瓦特表测量得到，而输出功率则由XJW微机扭矩仪测量。在负载条件下，室温17.9，三相相电压有效值为220V，转速保持为1500rpm，测得数据见下表。,第六章样机的设计、制造和实验,根据负载实验作出了效率曲线和功率因数曲线，并且和计算得出的效率曲线和功率曲线进行了比较，如下图所示（左效率，右功率因数）。,第六章样机的设计、制造和实验,温升实验电机绕组为星型连接，电阻采用LCR阻抗测试仪测量，测量值为相电阻。实验数据如下表。,第七章总结与展望,本文的研究工作和取得的成果主要包括以下几个方面：1.应用ANSYS对永磁同步电动机进行了分析计算，得出永磁同步电动机空载磁场分布图和气隙磁密波形分布图。同时，也得到了磁路法分析中不易准确计算的一些重要参数，如气隙磁通、空载漏磁系数、计算极弧系数等。2.应用ANSYS分析了永磁同步电动机内部负载磁场的分布，分别通过加载交、直轴电流，得到电机交、直轴磁场分布图和气隙磁密波形图，通过计算得到了交、直轴电枢反应电抗。,7.1总结,第七章总结与展望,3.使用C+程序设计语言，VisualC+集成开发环境，结合有限元计算软件ANSYS10.0Multiphysics，根据场路结合法，开发了一套基于WindowsNT/2000/XP操作平台的永磁同步电动机计算机辅助设计软件系统。4.软件系统通过参数化设计语言APDL，建立了ANSYS和程序设计软件C+之