ANSOFT软件在电机设计中的应用

1、ANSOFT软件在电机设计中的应用（四）,报告人：李春艳,永磁同步电机(旋转电机)PMSM,主要内容,永磁同步电机 直线电机,（一）永磁同步电机,1.工作原理,永磁同步电机工作原理,3.永磁同步电机稳态运行,电势方程式,3.永磁同步电机稳态运行,电势相量图,E0U时空载或轻载的状态. 需要永磁体多.驱动用电机在功率因数无特殊要求的情况下,额定点不设计在过励容性去磁状态.,3.永磁同步电机稳态运行,电势相量图,E0U时空载或轻载的状态. 当电机达到额定负载点附近时,电机不适合运行该状态,否则功率因数很低,PMSM优势得不到充分发挥.,3.永磁同步电机稳态运行,电势相量图,理想工作状态.永磁体用量

2、少,电机尺寸小.力能指标高.,K=E0/U,k受Ke=Xq/Xd影响.一般Ke在(0.81.3)范围内,电机工作在C状态,3.永磁同步电机稳态运行,功角特性,在忽略定子铜耗,并将铁耗,杂散损耗都计入电磁功率的前提下,得到功率和转矩的表达式：,3.永磁同步电机稳态运行,功角特性,3.永磁同步电机稳态运行,功角特性,4.永磁同步电机电枢反应,直交轴概念,直交轴磁路,4.永磁同步电机电枢反应,永磁同步电机电枢反应折合系数Kad,Kaq,4.永磁同步电机电枢反应,永磁同步电机电枢反应折合系数Kad,Kaq,4.永磁同步电机电枢反应,电枢电抗计算,6.永磁同步电机的设计,（一）设计任务书,6.永磁同步电

3、机的设计,按照永磁体放置方式分：,表面,内置,混合,径向,切向,按照极数分：,2极,4极,多极,（二）转子结构形式,6.电机设计_(二)转子结构形式,表面式转子典型结构,表面式转子磁路结构的制造工艺简单成本低，应用较为广泛，主要适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能应用于异步起动永磁同步电动机。,永磁体放置方式分类,径向,6.电机设计_(二)转子结构形式,内置式转子结构,这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或启动的作用，动稳态性能好，广泛应用于要求有异步起动能力或动态性能高的

4、永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。,切向,永磁体放置方式分类,6.电机设计_(二)转子结构形式,混合式,内置式转子结构,永磁体放置方式分类,6.电机设计_(二)转子结构形式,2极电机,极对数分类,需紧圈.加工难度大.永磁体利用率低.,永磁体利用率高,漏磁大,6.电机设计_(二)转子结构形式,2极电机,极对数分类,鼠笼条空间更灵活,永磁体放置量受限,6.电机设计_(二)转子结构形式,2极电机,极对数分类,加工成本下降,漏磁增加,6.电机设计_(二)转子结构形式,2极电机,极对数分类,永磁

5、体结构简单,鼠笼放置灵活,冲片分割,工艺复杂,交轴隔磁槽减小Xq/Xd值,便于启动,6.电机设计_(二)转子结构形式,4极电机,极对数分类,聚磁作用.结构复杂,强度差 电枢反应程度正反转不对称 适合单方向运行,隔磁槽减小漏磁,非整体结构增加工艺难度,结构强度差,6.电机设计_(二)转子结构形式,4极电机,极对数分类,有效利用空间,聚磁作用.转轴隔磁或非磁性轴,6.电机设计_(二)转子结构形式,4极电机,极对数分类,空气隔磁,转子整体性,工频情况下强度满足要求,6.电机设计_(二)转子结构形式,4极电机,极对数分类,采用两种永磁体,降低成本.,最简单的4极结构,6.电机设计_(二)转子结构形式,

6、多极电机,极对数分类,漏磁小,鼠笼内侧削弱启动效果.,一般6极及6极以上多极PMSM一般采用这种结构.,6.电机设计_(二)转子结构形式,多极电机,极对数分类,一般6极及6极以上多极PMSM一般采用这种结构.,6.电机设计,（三）永磁体材料选择 磁性能-高矫顽力和剩磁感应.,6.电机设计,（四）基本尺寸确定,6.电机设计,（五）定子冲片设计 1定子冲片：可参照异步电机设计再做调整。 2绕组设计: 绕组形式，每槽导体数，线径，槽,（六）转子冲片和永磁体设计,在基本尺寸，结构形式和永磁体材料性能确定以后，转子冲片的设计就是合理利用有效空间安置鼠笼条（需要自启动），永磁体及磁路结构的问题。,满率，核

7、算电密，电负荷等。,6.电机设计,（六）转子冲片和永磁体设计,所需永磁体体积:,6.电机设计,转子永磁体确定考虑因素：,1多极电机比2极电机方式方式灵活方便 2工作点比(BH)max略高一点 3结构影响,比如漏磁大的结构永磁体用量多 4短粗的永磁同步电机节省永磁体 5永磁体去磁问题等,6.电机设计,目的是保证磁路的合理设计.包括磁路参数计算,空载磁路和负载磁路三部分.,磁化特性计算和漏磁计算等,如气隙磁势降,定子齿轭磁势降,转子齿轭磁势降,空载漏磁系数等. 磁密分布是否合理,齿轭磁密,反电势波形,漏磁计算等.,（七）磁路计算,路算,场算,6.电机设计,气隙磁密分布云图,场算,6.电机设计,空载

8、气隙齿磁密,场算,6.电机设计,空载气隙磁密波形图,场算,6.电机设计,负载电压源电流源设置,Ua=179.624 * sin(2*pi*50*time+10.5*pi/180),场算,6.电机设计,输入三相电压,场算,6.电机设计,负载输出转矩,场算,6.电机设计,负载三相反电势,场算,6.电机设计,绕组三相电流,场算,6.电机设计,定义：电机空载时总磁通与主磁通之比。 包括极间漏磁和端部漏磁。准确计算空载漏磁系数需要用三维磁场求解。,场算,计算漏磁系数,6.电机设计_空载漏磁系数,建模点 选矢量A 选点 Value eval,求矢量磁位 A值的方法,6.电机设计,（八）特性计算和校核,例如

9、计算效率等.,（二）直线电机,永磁直线同步电机PMLSM,主要内容,直线电机概述 工作原理 数学模型 脉动问题 电磁推力 控制策略,直线电机设计的热点问题:,(1)减小直线电机体积和质量、提高推力及推力密度; (2)直线电机特殊的端部效应问题; (3)削弱和抑制由于直线电机自身和外界因素引起的推力减小和推力脉动问题; (4)采取必要的控制策略，获得直接驱动系统的快速响应能力和良好的控制性能; (5)为避免“零”传动系统出现机械振荡，获得稳定的控制，系统还应该具备足够高的动态刚度和静态刚度。,1.脉动问题,齿槽效应引起的齿槽力 由边端效应引起的的边端力 由电流和电势波形的非正弦变化引起的推力纹波

10、 由于PMLSM直接带机械负载,负载阻力的扰动无缓冲的作用于动子上,对运动速度的波动影响比较大.,推力波动产生的原因,移极技术不像PM斜极那样，会产生PM磁极形状的制造困难，在平板结构电机中PM磁极还保留矩形适合大批量生产。,1 移极技术,1.脉动问题_齿槽力,移1/2槽距,2 分数槽,整数槽绕组在任何时刻，定子磁极与电枢齿槽的相对位置，对所有磁极来说都是一样的，因此磁极磁通的脉动，对所有磁极来说也一样的，由磁极磁通的脉动所产生的动子绕组的各相串联线圈中的齿谐波电势在时间上是同相的，它们直接相加，使在相电势中产生很强的齿谐波。,1.脉动问题_齿槽力,由于q为分数，每极所占的槽数为分数，任一时刻

11、，相邻两磁极相对于动子齿槽位置必有位移，各磁极磁通的脉动情况不一致，由其所产生的动子绕组的各相串联线圈中的齿谐波电势在时间上并不同相，必须采用向量相加，这样使各相串联线圈中的齿谐波电势大部分相互抵消，使每相的齿谐波电势大为削弱，对减小齿槽力的波动起到很大的作用，这对提高PMLSM平滑运动更有意义。,分数槽:,采用分数槽绕组，等效每相每极槽数q增大，极大的改善了电势波形。,1.脉动问题_齿槽力,缺点是分数槽绕组的合成磁势会出现低次(v1)谐波，这些低次谐波将引起电机局部饱和，降低平均推力，增大附加损耗。,斜槽、闭口槽和分数槽情况下的齿槽力波动的比较，采用分数槽，PMLSM的齿槽力波动幅值最小，仅

12、为在整距开口槽情况下齿槽力波动幅值的1/5，并得到了较采用斜槽、闭口槽好的削弱齿槽力波动的效果。,1.脉动问题_齿槽力,通过减小槽口宽度、采用磁性槽楔或者闭口槽，将会减小PMLSM齿槽力波动。,3 槽口宽度,增加线圈下线工艺的复杂性。,槽开口将引起动子铁心各向异性的程度，影响到磁导变化。,缺点：,闭口槽结构,完全消除齿槽力波动的影响。 漏磁问题。,1.脉动问题_齿槽力,槽高的变化对齿槽力的影响较小,算例,槽高影响,注：算例摘自文献浙江大学博士论文作者邵波,槽宽影响,随着槽宽的变小，齿槽力波动在一定程度上得到了抑制。由于过小的槽宽，制约了线圈的排布和励磁磁势。,1.脉动问题_齿槽力,闭口槽,齿槽

13、力波动与闭口槽口高成反比。,h0槽口高,1.脉动问题_齿槽力,4 斜槽或斜极,斜槽,有效减小推力波动。,减少电磁推力。,电磁推力是否减少？,斜极,工艺将使装配和充磁变得较为困难。,否,1.脉动问题_齿槽力,斜槽,齿槽力波动和斜槽角有关，斜槽对齿槽力波动抑制作用也较大，但斜槽(或斜极)给制造工艺增添了困难，同时也增加了斜槽漏磁。,1.脉动问题_齿槽力,5 气隙长度,增加气隙的大小可以抑制齿槽力的影响？,气隙的变大，会导致PMLSM电磁推力的减小。,气隙的大小影响着动子齿槽和永磁体的相互作用，所以影响齿槽转矩。,问题,1.脉动问题_齿槽力,气隙长度,气隙的增大能部分的减小齿槽力的波动。但是，气隙的

14、增大，需要增大励磁。,1.脉动问题_齿槽力,端部铁心断开,1.脉动问题_端部效应,纵向端部效应是端部磁场畸变和结构断开对直线电机性能和设计带来的一系列变化的总称. 1定位力(detent force)造成的推力波动 2磁场分布变 3奇数磁极 3三相电感不相等 现象等等。,产生纵向端部效应,1.脉动问题_端部效应,（注：参考文献：永磁直线同步电机纵向端部效应补偿方法。电机工程学报。）,1.脉动问题_端部效应,例如加大边齿的宽度,1.脉动问题_端部效应,举例加大边齿的气隙 长度,减小端部效应推力波动的方法： 1采用多极结构 2增加气隙长度 3增加直线电机两端的齿宽等方法,1.脉动问题_端部效应,单

15、边平板型PMLSM电磁推力特点：,(1)法向力远大于推力，数值上相差十倍以上。,(2)定子极距对电磁推力的影响. K是定子极距与初级绕组齿距的比值.随着K值增加，推力和法向力脉动范围增加。当K=1时，直线电机极距等于齿距，此时导致该直线电机推力和法向力脉动范围非常大，应该避免发生这种情况。,2.电磁推力,由表达式推出永磁直线同步电机动子和定子结构参数对电机推力的影响。,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随气隙及结构参数的变化,2.电磁推力_结构参数对推力影响,随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响不同，呈现非线性的变化关系。动子槽距加大，直线电机推力减小，并

16、且随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;,k变大,推力标么值随气隙及结构参数的变化,2.电磁推力_结构参数对推力影响,随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响不同，呈现非线性的变化关系。同样在气隙不变的情况下，随着永磁体磁化高度的增加，直线电机推力也增加，但增加趋势有所减弱。换句话说，永磁体磁化高度的显著增加并不能显著增加推力。考虑到永磁材料的高成本应该合适选择永磁体尺寸。,k变大,推力标么值随气隙及结构参数的变化,随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响不同，呈现非线性的变化关系。动子槽型加深，直线电机推力减小，并且随着槽型尺寸的增

17、加，直线电机推力减小趋势有所减弱;,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随气隙及结构参数的变化,随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响不同，呈现非线性的变化关系。增加槽宽，直线电机推力趋于增加，并且随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随永磁体磁化高度及结构参数的变化,随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化

18、高度一定情况下，槽深增加则推力减小。,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随永磁体磁化高度及结构参数的变化,随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定情况下，气隙减小，推力增大。,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随永磁体磁化高度及结构参数的变化,随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高

19、度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定情况下，槽距增大，则推力减小。,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,推力标么值随永磁体磁化高度及结构参数的变化,随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定情况下，槽宽增加，推力提高。,k变大,2.电磁推力_结构参数对推力影响,随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，动子槽距加大、槽型加深，减小槽宽，直线电机

20、推力减小，并且随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;随着永磁体磁化高度的增加，直线电机推力也增加，但增加趋势有所减弱。,结构参数对推力的影响：,随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和。在永磁体磁化高度一定情况下，槽距增大、槽深增加，减小槽宽，则推力减小;气隙减小，推力增大。,2.电磁推力_结构参数对推力影响,电机在一个极距下产生推力体积密度,推力体积密度计算示意图,2.电磁推力_推力密度,电机在一个极距下产生推力体积密度,Hpm为永磁体磁化高度,2.电磁推力_推力密度,永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，推力密度将随着永磁体磁化高度增加而减小，且磁化高度增加值越大推力密度减小趋缓。,磁化高度增加,电机在一个极距下产生推力体积密度,hy动子高度,2.电磁推力_推力密度,永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，动子高度增加较小时，推力体密度加大，但显著加大动子高度会使推力密度值缓慢增加;,动子高度增加,电机在一个极距下产生推力体积密度,永磁体磁化高度增加,永磁体