基于ANSOFT永磁同步电机电磁设计及性能研究

摘要

随着绿色工业现代化的不断发展，工业设备应用对电机的技术要求也越来越高，永磁同步电机作为现代电机应用中的新兴驱动设备，凭借着优异的性能，稳定的运行能力与高精度的控制方式，已逐渐替代传统电励磁电机，被广泛应用于各行各业之中。尤其在工业设备轻量化的发展趋势中，永磁同步电机体积要求越来越小，功率密度也越来越高，传统永磁电机设计以无法满足要求，采用高性能材料以场路结合的设计方法与仿真才是永磁同步电机的新设计思路。本文研究并设计的是一台3.3kW工业用永磁同步电机，额定转速2000r/min，调速范围广，适用于多转速下工作。设计采用高效能永磁材料与低损耗硅钢片，配合先进的工艺方法，并采用散热胶灌封的方法降低电机温升，提高电机性能，缩小电机体积，本设计顺应了现代工业电机高功率化与轻量化的发展趋势。 首先，综述和分析了永磁同步电机的国内外研究现状与发展趋势，讨论了永磁同步电机的几种结构形式与设计特点，并对永磁同步电机的几种分析计算方法进行了对比研究。研究中分析了场路结合计算分析方法的设计优势，可通过Ansoft有限元分析软件进行设计分析与验证，有效缩短产品开发周期，提高设计准确性。 其次，分析了永磁同步电机的基本原理，建立了永磁同步电机dq坐标系下的数学模型，分析电机等效电路，为电机的设计提供了理论依据。同时结合永磁同步电机的技术指标、外形尺寸要求与具体应用环境及控制特点，分析永磁同步电机的设计重点与参数选取原则，以经验值为依托，预估电磁负荷与电密，初步确定电机槽型、槽数、转子结构形式、永磁体极数、定子绕组形式、绕组热负荷等参数。 再次，采用磁路计算方法，对永磁同步电机的主要尺寸参数进行详细计算，结合电磁场分析方法，借助Ansoft有限元分析软件，对电机进行建模与仿真。观察电机的磁力线与磁密云图，透过仿真结果对电机的空载磁场与负载磁场进行分析，研究电机反电势波形、转矩、电流波形并观察电机齿槽转矩波动，并对电机谐波进行分析。同时以此为基础，通过改变永磁体的充磁方向，厚度尺寸参数、每槽定子绕组匝数、气隙长度等，深入分析不同参数设计结果对电机性能产生的影响。 最后，对永磁同步电机进行了实验测试与分析，包括电机的负载性能测试、过载能力测试、反电势波形测量、齿槽转矩测试，不同负载、不同转速下的运行情况，对测试结果与磁路计算结果及仿真结果进行三方面的比较与分析，研究设计误差产生的原因，通过实验验证了磁路计算与仿真分析的结果，证明了场路结合电机设计方法的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 永磁同步电机研究现状

1．2．1 永磁材料与永磁电机的发展概况

1．2．2 永磁电机的分类

1．2．3 永磁同步电机的特点

1．2．4 永磁同步电机的分析方法研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 永磁同步电机的设计分析

2．1 永磁同步电机的基本原理

2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．1 电压方程与转矩方程

2．2．2 等效电路

2．3 永磁同步电机的设计特点

2．4 技术指标及设计重点

2．4．1 技术指标

2．4．2 技术重点

2．5 永磁同步电机的电磁设计

2．5．1 电磁负荷的选取

2．5．2 定子冲片的设计

2．5．3 电机主要尺寸

2．5．4 永磁体的设计

2．5．5 定子绕组设计

2．5．6 绕组温升

2．6 本章小结

3 永磁同步电机电磁计算仿真与性能分析

3．1 磁路计算法

3．1．1 设计指标

3．1．2 电机主要尺寸

3．1．3 永磁体计算

3．1．4 定子冲片计算

3．1．5 绕组计算

3．1．6 磁路计算

3．2 电磁场基本理论和有限元算法

3．2．1 电磁场基本理论

3．2．2 有限元计算方法

3．3 永磁同步电机的建模与仿真

3．3．1 永磁同步电机模型及网格剖分

3．3．2 空载磁场分析

3．3．3 负载磁场分析

3．4 永磁同步电机性能分析

3．4．1 永磁体对电机性能的影响

3．4．2 绕组对电机性能的影响

3．4．3 气隙对电机性能的影响

3．5 本章小结

4 永磁同步电机性能的试验验证

4．1 试验装置

4．2 性能测试

4．3 反电势测试与分析

4．4 齿槽转矩测试与分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢