高性能永磁同步电动机的设计与优化

摘要

近些年，永磁同步电动机凭借其体积小、重量轻、结构简单以及节能高效等优点获得了迅猛的发展。其中的内置式转子结构的永磁电机因为把永磁体嵌进转子的铁心之中，令电机结构更加紧凑，能量密度显著提高，每极可以产生更大的磁通量，极易到达较高性能。与此同时，新出现的永磁材料的磁性能越来越高，而价格却越来越低，这也促使高性能永磁电机变为世界上各个国家的研发重点。 本文在探讨了不同转子结构永磁同步电动机的特点以及有限元计算方法在电磁计算方面应用的基础之上，通过对电磁场数值计算软件JMAG-Designer的使用，对永磁同步电动机的2d电机模型做了电磁场分析，得到了永磁同步电动机空载运行时的磁通密度分布图以及磁势分布图，并以此求出通过传统等效磁路法很难准确计算的一些重要系数:空载漏磁系数、计算极弧系数以及气隙磁通波形系数，然后把此计算结果应用到传统等效磁路法计算之中，完成通过场路结合法对永磁同步电动机进行设计。 电机优化是电机设计过程中重要的一环，它的目标在于在达到客户基本要求的基础之上，最大限度地提高电机的性能，包括效率、功率因数等，而全局优化方法的选择是电机优化的重中之重，优化后电机的性能如何直接由优化方法决定。遗传算法是一个以生物的优胜劣汰遗传机制为原理的随机化搜索方法，是智能优化方法中应用最广泛也最成功的优化方法。因此本文针对永磁同步电动机，通过研究电机的多目标规化问题，设计了一个采用遗传算法的MATLAB平台下的电机优化程序，并通过该程序优化了之前通过场路结合法初步设计的永磁同步电动机的性能参数，成功提升了该电机的性能，同时也验证了优化程序的有效性。本论文还设计了一个永磁电机矢量控制系统，通过该系统分析研究了设计电机运行性能，结果也很令人满意。 本文致力于对高性能永磁同步电机进行设计，通过C++高级编程语言，在Visual Studio2008程序开发软件下，研发了高性能永磁同步电动机分析设计平台，该软件具有界面友好、操作简单的优点，本论文通过该平台对永磁同步电动机进行设计，快速得到电机设计中所需计算的所有参数，缩短了永磁电机的设计时间。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2永磁电机设计方法的研究现状及发展趋势

1．3电机优化方法的研究现状与发展趋势

1．4本文主要研究内容

第2章高性能永磁同步电动机的电磁结构设计

2．1变频起动永磁同步电动机主要性能指标及影响性能的因素

2．2永磁同步电动机的转子结构与特点

2．1．1表面式转子磁路结构

2．1．2内置式转子磁路结构

2．1．3爪极式转子磁路结构

2．3高性能永磁同步电动机电磁结构尺寸的计算

2．2．1主要尺寸计算公式

2．2．2电磁负荷的选择

2．2．3主要尺寸比的选择

2．3．4结构选择

2．3．5主要尺寸设计结果

2．4本章小结

第3章基于有限元法PMSM电磁场分析与关键参数的计算

3．1永磁同步电动机内部的电磁场

3．2有限元法简介

3．3有限元法计算永磁同步电动机关键参数

3．3．1有限元分析软件JMAG-Designer介绍

3．3．2高性能永磁同步电动机有限元模型的建立

3．3．3永磁同步电动机空载磁场有限元分析

3．3．4永磁同步电动机设计中的关键系数的计算

3．3．5通过JMAG-Designer计算电机的电枢反应电抗

3．4本章小结

第4章基于遗传算法的PMSM的优化设计及运行性能研究

4．1场路结合法设计永磁同步电动机

4．2遗传算法优化永磁同步电动机的性能参数

4．2．1遗传算法简介

4．2．2应用遗传算法对电机的性能参数进行优化

4．3优化设计的永磁同步电动机双闭环矢量控制系统的仿真研究

4．3．1通过JMAG-RT生成设计电机的Simulink模型

4．3．2永磁同步电动机控制系统总述

4．3．3控制系统中各模块的Simulink实现

4．3．4永磁同步电动机控制系统的实现及仿真研究

4．4本章小结

第5章永磁同步电动机分析设计平台

5．1永磁同步电动机设计平台基本功能

5．2永磁同步电动机设计平台基本模块介绍及界面展示

5．3本章小结

第6章总结与展望

参考文献

致谢