永磁同步发电机的电磁场分析

摘要

由于永磁同步发电机的众多优点，其应用范围越来越广泛。为了满足永磁同步发电机的高性能要求，需要对其电磁参数进行准确计算。本文根据磁路解析法设计了一台永磁同步发电机，并从电磁场基本理论出发，利用基于Ansys软件的有限元法对该电机进行了电磁分析和参数计算。并且用Ansoft软件验证了计算结果的正确性。
　　 本文首先介绍了课题的研究背景及国内外研究现状。列举了永磁同步发电机四种常用结构，分析了每种结构的特点及应用领域。推导出了用于磁路解析法的永磁电机的等效磁路。介绍了永磁体的有限元处理方法，并采用矢量磁位法进行永磁等效。
　　 其次介绍了有限元法和有限元软件Ansys和Ansoft以及两种软件的特点。利用磁路解析法设计了一台永磁同步发电机，并用有限元法对电机的静态场进行了仿真分析，计算了空载漏磁系数、波形系数、计算极弧系数、气隙系数等重要系数。计算并分析了空载气隙磁密、空载感应电势及其波形，介绍了改善感应电势波形的措施。计算了电机的齿槽转矩并分析了减小齿槽转矩的方法。
　　 用负载电流迭代法对永磁同步发电机额定工况进行了仿真，计算了额定负载的端电压。对降低永磁电机固有电压调整率的措施进行了细致的定量研究，最终得到了降低固有电压调整率的有效措施。计算了直交轴同步电抗，并基于能量法计算了定子绕组每相槽漏抗。
　　 对永磁同步发电机的暂态过程进行了分析，建立了永磁电机的电磁场模型和场路耦合模型。用Ansys软件建立了场路耦合时步有限元法的瞬态模型，计及了端部的影响，计算了定子绕组三相突然短路电流。基于Ansys软件的静态参数和瞬态参数的分析计算结果的正确性得到了Ansoft软件的验证。
　　 最后从改变永磁体磁极形状和改变永磁体磁极的充磁方式这两个方面，对永磁同步发电机的气隙磁密波形进行了优化，使得电机的电磁性能更佳。
　　 本文的工作对永磁同步发电机的电磁设计、分析和优化有着一定的工程实用价值。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 课题背景及研究意义

1．2 研究动态

1．2．1 国外研究动态

1．2．2 国内研究动态

1．3 本文研究的主要内容

第二章 永磁同步发电机模型与有限元法简介

2．1 永磁同步发电机的模型

2．1．1 永磁同步发电机结构简介

2．1．2 永磁同步发电机的等效磁路

2．1．3 永磁体的有限元模型

2．1．4 永磁同步发电机的负载运行模型

2．2 有限元法简介

2．3 有限元软件简介

2．3．1 Ansys软件介绍

2．3．2 Ansoft软件介绍

2．4 小结

第三章 永磁同步发电机稳态参数计算

3．1 基于磁路解析法的永磁同步发电机设计和有限元模型

3．1．1 基于磁路解析法的永磁同步发电机设计

3．1．2 有限元模型

3．2 永磁同步发电机重要系数求解

3．2．1 空载漏磁系数的求解

3．2．2 计算极弧系数和波形系数的求解

3．2．3 气隙系数的求解

3．3 永磁同步发电机空载运行参数求解

3．3．1 空载感应电动势的求解

3．3．2 空载感应电动势波形及改善措施

3．3．3 齿槽转矩的计算及其减小措施

3．4 永磁同步发电机额定负载参数计算

3．4．1 永磁同步发电机额定负载端电压计算

3．4．2 额定负载端电压计算结果验证

3．4．3 固有电压调整率的计算及减小措施

3．4．4 直交轴同步电抗的计算

3．5 基于能量法的定子槽漏抗计算

3．6 小结

第四章 永磁同步发电机瞬态特性分析

4．1 永磁同步发电机瞬态电磁场模型

4．1．1 电磁场计算模型

4．1．2 场路耦合模型

4．2 永磁同步发电机三相突然短路电流计算

4．2．1 运动有限元法介绍

4．2．2 永磁同步发电机空载三相突然短路电流计算

4．2．3 永磁同步发电机空载三相突然短路电流计算结果验证

4．3 小结

第五章 永磁同步发电机气隙磁密波形优化

5．1 永磁体尺寸优化方法介绍

5．1．1 基本假设

5．1．2 永磁体尺寸优化方法

5．2 永磁体尺寸优化

5．3 永磁体充磁方式优化

5．4 小结

结论

参考文献

个人简历、攻读学位期间的研究成果

致谢

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