变频调速永磁同步电动机及气隙磁场优化设计的研究

摘要

变频调速永磁同步电动机及其驱动控制系统的设计已成为电机领域中的热点问题，论文以电机理论为基础借助于前人的设计经验以及计算机辅助设计完成一套简单适用的电机设计程序。对气隙磁密这一影响电机性能的重要因素进行了分析，提出了一种不等厚磁钢设计方法。并对一体化电机系统进行了仿真研究。
　　论文首先在永磁同步电动机的电磁设计中，根据永磁同步电动机应用领域的不同分析了电机设计过程中参数的确定依据、永磁材料、绕组结构、冲片结构等重点问题，并借助于面向对象编程语言Delphi完成了永磁同步电动机电磁设计程序的编写，简化了电机设计过程。
　　其次，以永磁体的数学模型为理论基础，分别以表贴式磁钢和内藏式磁钢为例，对影响气隙磁密的磁极厚度、气隙长度、极弧系数、转轴材料等因素进行了比较详细的研究，并对产生影响的具体原因进行了重点分析。磁钢气隙磁密的优化设计是文章的重点问题，论文以有限元法、曲线拟合法和最小二乘法为基础，通过Autocad、Ansoft、Mathcad等软件建立了一种简单适用的不等厚磁钢设计法，并通过Ansoft软件的仿真证明方法的可行性。
　　最后，依据电磁设计及有限元分析得到的永磁同步电动机的参数，建立了永磁同步电动机磁场定向控制仿真模型，在Ansoft公司Simplorer电机仿真软件环境下，实现了电机的转速控制，并给出了仿真结果。通过对样机进行测试，验证了论文所设计的电机系统的合理性。

目录

变频调速永磁同步电动机及气隙磁场优化设计的研究

STUDY ON PMSM DESIGN AND AIR GAP MAGNETIC FIELD OPTIMIZING DESIGN

摘要

Abstract

绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 永磁同步电动机的国内外研究现状及分析

1.2.1 变频调速永磁同步电动机的特点

1.2.2 国内外永磁同步电动机的发展状况

1.3 论文中的关键技术

1.3.1 永磁同步电动机电磁场有限元分析方法

1.3.2 永磁同步电动机电磁场逆问题的研究

1.3.3 永磁同步电动机矢量控制方法

1.4 论文研究的主要研究内容及安排

第2章 变频调速永磁同步电动机的电磁设计

2.1 引言

2.2 永磁同步电动机设计中的关键技术分析

2.2.1 永磁同步电动机的总体结构

2.2.2 永磁同步电动机主要参数的确定

2.2.3 永磁同步电动机定转子主要尺寸确定

2.3 永磁同步电动机的电磁计算过程

2.3.1 额定数据和技术要求

2.3.2 绕组和定子冲片尺寸计算

2.3.3 参数计算、工作特性计算

2.4 永磁同步电动机的计算机辅助电磁计算程序设计

2.4.1 Delphi编程语言介绍

2.4.2 永磁同步电动机电磁设计程序流程图

2.4.3 永磁同步电动机计算程序的编写

2.5 本章小结

第3章 磁钢结构分析及气隙磁场优化设计

3.1 引言

3.2 永磁同步电动机空载磁场

3.2.1 永磁体数学模型分析

3.2.2 永磁同步电动机气隙磁场分析

3.3 永磁同步电动机磁钢选择及优化设计

3.3.1 永磁材料的选择

3.3.2 磁钢工作点的选择

3.3.3 磁钢结构的分析选择

3.4 永磁同步电动机有限元分析方法

3.4.1 电磁场有限元分析方法原理

3.4.2 空载气隙磁场的有限元模型

3.5 气隙磁场影响因素的分析

3.5.1 气隙变化对气隙磁密的影响

3.5.2 转轴材料对于气隙磁密的影响

3.5.3 极弧系数对于气隙磁密的影响

3.5.4 磁钢厚度对于气隙磁密的影响

3.5.5 磁极对数对于气隙磁密的影响

3.6 气隙磁场优化设计方法

3.6.1 设计充磁极头发实现正弦形气隙磁场

3.6.2 设计不等厚磁钢法实现正弦形气隙磁场

3.7 正弦气隙磁场建立方法的研究

3.7.1 拟合法的基本原理

3.7.2 曲线拟合法的数学模型

3.7.3 曲线拟合法流程图

3.7.4 曲线拟合的实现

3.7.5 利用有限元分析解算出空载磁场及反电势波形

3.8 本章小结

第4章 永磁同步电动机的驱动控制系统仿真研究

4.1 引言

4.2 电机仿真软件Simplorer简介

4.3 永磁同步电动机驱动控制方案确定

4.3.1 控制策略

4.3.2 永磁同步电动机驱动控制系统仿真模型的建立

4.4 永磁同步电动机驱动控制系统的仿真分析

4.4.1 驱动电路的仿真分析

4.4.2 脉宽调制波的形成

4.4.3 电流环的建立

4.4.4 速度环建立

4.5 速度伺服系统仿真实现

4.6 样机实验

4.6.1 电势系数测试

4.6.2 阶跃响应测试

4.7 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致谢