永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析畢業(yè)設(shè)計報告

1、畢業(yè)設(shè)計論文永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)誠 信 承 諾 書本人慎重承諾和聲明：所撰寫的永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下自主完成，文中所有引文或引用數(shù)據(jù)、圖表均已注解說明來源，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)責(zé)任。設(shè)計(論文)的研究成果歸屬學(xué)校所有。 學(xué)生(簽名) 年 月 日 湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目： 永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析 姓名 * 系* 專業(yè)電氣工程及其自動化 班級 * 學(xué)號 *指導(dǎo)老師 * 職稱 * 教研室主任 * 一、 基本任務(wù)及要求： 1、基本數(shù)據(jù)：1） 額定功率：pn =7

2、.5kw 2） 連接方式：y 3） 額定電壓：un =400v 4） 額定轉(zhuǎn)速：nn =1500rmin 5） 相數(shù)： m=3 6） 功率因數(shù)：cos=0.9 7） 效率： = 0.94 8） 冷卻方式：空氣冷卻 2、本畢業(yè)設(shè)計課題主要完成以下設(shè)計內(nèi)容： （1）按所給定技術(shù)要求完成永磁同步發(fā)電機的電磁設(shè)計方案； （2）用ansoft或ansys有限元法對發(fā)電機磁場進行仿真研究； （3）說明書編制。 二、 進度安排及完成時間： 2月27 日 3月 10日：查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告 3月11 日 3月 23日：畢業(yè)實習(xí)、撰寫實習(xí)報告3月24 日 4月 25日：畢業(yè)設(shè)計（電磁設(shè)計） 4月

3、 26日 5月 20日：畢業(yè)設(shè)計（磁場有限元分析） 5月下旬：畢業(yè)設(shè)計中期抽查 5月21 日6月1日：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 6月2 日6月9日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計說明書（論文），并將電子文檔上傳ftp6月10 日6月12日：畢業(yè)設(shè)計答辯 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文前 言 隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，能源的需求量也日益增加。電能作為現(xiàn)代工業(yè)中最重要的二次能源，也發(fā)揮著越來越重要的作用。而電機作為電能的生產(chǎn)者和主要的消費者，它的需求量在工業(yè)制造中占有很大的比例。電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為了在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法：一種是在電機繞組內(nèi)

4、通以電流來產(chǎn)生磁場，例如普通的直流電機和同步電機，這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場，這就是既可簡化結(jié)構(gòu)，又可以節(jié)約能量的永磁電機。永磁同步發(fā)電機的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，功率大的如航空、航天用主發(fā)電機、大型火電機組用副勵磁機，功率小的如汽車、拖拉機用發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、小型水力發(fā)電機、小型內(nèi)燃發(fā)電機組等都廣泛采用各種類型的永磁同步發(fā)電機。永磁電機的發(fā)展依賴于永磁材料等相關(guān)電機材料，從最初的永磁電機的誕生到近年來各種高性能永磁電機的出現(xiàn)，

5、這正是永磁電機隨著永磁材料的更新?lián)Q代的過程。永磁電機的應(yīng)用從最初的單一領(lǐng)域而發(fā)展到如今的國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹雀鼮閺V泛的應(yīng)用領(lǐng)域；同時也隨著各種現(xiàn)代化技術(shù)的日益成熟向著大功率化、微型化、多樣化、高性能化等方向不斷發(fā)展。我國稀土資源豐富，“稀土不稀”，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的四倍左右，號稱“稀土王國”。我國稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列，因此充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值。目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1永磁材料發(fā)展概況11.2 永磁同步發(fā)

6、電機顯著優(yōu)點11.3 永磁同步發(fā)電機的發(fā)展方向和前景2第2章 永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)和原理32.1永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)32.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)32.1.2 定子結(jié)構(gòu)32.2永磁同步發(fā)電機原理及特性42.2.1 工作原理42.2.2 運行特性42.3 永磁同步發(fā)電機的設(shè)計特點62.3.1 永磁材料和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇62.3.2 固有電壓調(diào)整率和降低措施6第3章 設(shè)計方案83.1轉(zhuǎn)子設(shè)計83.1.1永磁材料的選擇83.1.2轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)83.2定子設(shè)計93.2.1定子鐵心93.2.2定子繞組形式10第4章 電磁設(shè)計程序114.1額定數(shù)據(jù)：114.2永磁材料的參數(shù)尺寸確定114.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸:134.4

7、定子繞組和定子沖片尺寸134.5 磁路計算164.6 電壓調(diào)整率和短路電路計算224.7 損耗和效率計算23第5章 磁場有限元分析255.1 有限元分析法和ansoft軟件介紹255.2電機的電磁仿真及設(shè)計優(yōu)化255.2.1采用rmxprt進行路的方法計算255.2.2 maxwell2d 動態(tài)仿真和相關(guān)參數(shù)設(shè)置365.2.3 動態(tài)性能曲線及分析375.2.4 結(jié)論40結(jié)束語42參考文獻43致 謝44附 錄永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析永磁同步發(fā)電機的設(shè)計及磁場有限元分析摘 要：隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器

8、件的進一步發(fā)展，永磁電機以其優(yōu)越的性能和結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代航空航天.國防.工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。永磁電機采用永磁體勵磁，電機內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會帶來較大的誤差，為保證計算的準(zhǔn)確，一般采用有限元法對電機內(nèi)部電磁場進行數(shù)值計算。本課題主要是針對永磁同步發(fā)電機的主要尺寸，轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)，定子繞組形式，定子沖片和槽數(shù)槽型尺寸以及電磁場的仿真研究，主要做一下工作：首先介紹永磁發(fā)電機的基本原理、特性、設(shè)計特點以及永磁材料的特性和選擇；其次運用傳統(tǒng)電機設(shè)計方法對電機的主要尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子繞組形式以及相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計和計算；最后基于ansoft磁場仿真軟件

9、對所設(shè)計的電機的性能指標(biāo)進行計算、優(yōu)化設(shè)計和建立二維仿真模型進行二維瞬態(tài)分析關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機 電磁設(shè)計 磁場有限元分析- i-design and finite element analysis of magnetic field of permanent magnet synchronous generator abstract: in recent years，continues increase and improve the performance of permanent magnetic materials, particularly neodymium-iron-boron

10、 permanent magnetic materials and improvement of corrosion resistance and thermal stability of prices and gradually reduced, as well as the further development of power electronic devices, permanent magnet motor with superior performance and structure in modern aerospace. defense. industrial and agr

11、icultural production and has been widely used in all areas of daily life. permanent magnet motor with permanent magnet excitation, complexity of the electro-magnetic field distribution inside the motor, using the traditional method of equivalent magnetic circuit analysis will lead to large errors, f

12、or the calculation of accurate, within general motors using finite element method for numerical calculation of magnetic field. this topic is intended for permanent magnet synchronous generator of main dimensions, rotor of permanent magnet structure, form of stator windings, number of stator laminati

13、ons and groove dimensions and the simulation of electro-magnetic fields, mainly: the first describes the basic principles, characteristics of permanent magnet generator, design features and characteristics and selection of permanent magnet materials; second using traditional design methods on main d

14、imensions, structure of the rotor, stator of electric motor winding design of forms and the related parameters; finally motor based on ansoft design by magnetic field simulation software optimization design and calculation of performance indicators and the establishment of two dimensional simulation

15、 model for analysis of two-dimensional transient keyword: simulation of magnetic field of permanent magnet synchronous generator electromagnetic design asoftkeywords: permanent magnet synchronous generator electromagnetism design finite element analysis for magnetic field- ii -第1章 緒 論1.1永磁材料發(fā)展概況19世紀(jì)

16、20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的永磁電機。但當(dāng)時所用的永磁材料是天然鐵礦石（fe3o4）,磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85kjm3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁材料（最大磁能積現(xiàn)可達40 kjm3），磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機也紛紛使用永磁體來勵磁。這段時期在永磁電機設(shè)計理論、計算方法、充磁和和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性發(fā)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36160kam），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.20.44t），限

17、制了它們在電機中的應(yīng)用范圍。一直到上世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性的退磁曲線等優(yōu)異性能特別適合制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。稀土永磁材料的發(fā)展大致可以分為三個階段。1967年美國kjstrnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學(xué)式可以表示成rco5（其中r代表釤、鐠等稀土元素），產(chǎn)品最大的磁能積現(xiàn)已超過199kjm3（25mgoe）。1973年又出現(xiàn)了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化學(xué)式為r2co7.產(chǎn)品的最大磁能積現(xiàn)已達258.6kjm3（32mgoe）。1983年日本住友

18、特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼（ndfeb）永磁，在實驗室中的最大磁能積現(xiàn)高達431.3kjm3（54.2mgoe），商品生產(chǎn)現(xiàn)已達397.9 kjm3（50mgoe），稱為第三代稀土永磁。由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資-鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學(xué)界的和電機界的極大關(guān)注，紛紛投入大量的人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，希望能有更大的突破。1.2 永磁同步發(fā)電機顯著優(yōu)點永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與電勵磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大體相似，其主要結(jié)構(gòu)分別由

19、定子、轉(zhuǎn)子和機座組成。永磁電機的定子由定子鐵心和定子三相對稱繞組構(gòu)成，其有別與電勵磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、永磁體及相關(guān)支撐部件組成。由于其采用永磁材料，固其具有以下優(yōu)點：1 體積小，重量輕 轉(zhuǎn)子部分采用高磁場的永磁體代替電磁線圈，轉(zhuǎn)子體積要小得多，因此該發(fā)電機的體積和重量要小于常規(guī)電勵磁發(fā)電機。2 效率高，節(jié)能效果顯著 由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場，這樣就省去了勵磁損耗，因此三相永磁同步發(fā)電機比常規(guī)發(fā)電機明顯節(jié)約能量；其效率能提高10-15%，是一種典型節(jié)能產(chǎn)品。3 電壓波形質(zhì)量好，適用于各種負(fù)載情況 由于采用機電一體化技術(shù)，發(fā)電機在各種不同負(fù)載（包括感性和容性負(fù)載）情況下

20、都可以使電壓波形畸變率保持在較小的范圍。4 過載能力強，適合于在各種惡劣環(huán)境下工作5 無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用壽命長 無電刷和滑環(huán)，同時轉(zhuǎn)子上既無線圈，也無電子元器件，轉(zhuǎn)子上的永磁體和鐵心固成一個剛性整體，結(jié)構(gòu)非常簡單，其可靠性和使用壽命都遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的電勵磁發(fā)電機。1.3 永磁同步發(fā)電機的發(fā)展方向和前景永磁同步發(fā)電機有別于傳統(tǒng)電勵磁同步發(fā)電機，其最主要的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子采用永磁材料來產(chǎn)生磁場；其次永磁同步發(fā)電機與不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡單，減少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉(zhuǎn)速提高到最佳值，提高功率質(zhì)量比。當(dāng)代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采

21、用稀土永磁發(fā)電機。其典型產(chǎn)品為美國通用電氣公司制造的150kva 14極12000 r/min21000r/min和100kva6000 r/min的稀土鈷永磁同步發(fā)電機。國內(nèi)研發(fā)的第一臺稀土永磁電機即為3kw 20000r/min的永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機，80年代我國研制成功當(dāng)時世界容量最大的40 kva160kva稀土永磁副勵磁機，配備200mw600mw汽輪發(fā)電機后大大提高電站運行的可靠性。 從永磁電機的已有發(fā)展可以看出其發(fā)展是隨著永磁材料性能的不斷改進而發(fā)展起來。目前，獨立電源用的內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風(fēng)輪直接驅(qū)動的永磁風(fēng)力發(fā)電機正在逐步推廣。

22、隨著現(xiàn)代的電力電子技術(shù)的不斷成熟和機電一體化設(shè)備的廣泛運用，永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁場不可調(diào)節(jié)性以及其他相關(guān)不理想因素也將不斷改善，其將會隨著永磁材料和電力電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展向著大功率化、微型化、多樣化、高性能化等方向發(fā)展。第2章 永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)和原理2.1永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)2.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于其轉(zhuǎn)子磁場由永磁材料產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣化。永磁發(fā)電機的磁路形式多樣，有許多不同的分類方法。1） 按永磁體所在位置分類，可分為旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，其永磁體在轉(zhuǎn)子上，電樞是靜止的，永磁同步電動機，無刷直流電動機都采用該種結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)電樞式磁路結(jié)構(gòu)，其永磁體在定子上，電樞旋轉(zhuǎn)，永

23、磁直流電機采用該種磁路結(jié)構(gòu)。2） 按所用材料分類，可分為單一式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)。在一臺電機中，只采用一種永磁材料，稱為單一式結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)電機都采用該種結(jié)構(gòu)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)通常采用兩種性能特點不同的永磁體（將矯頑力低的永磁體置于磁極的前部，將矯頑力高的永磁體置于磁極后部），揚長避短，充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)勢，提高電機的性能，降低制造成本。3） 按永磁體的安置方式分類，可分為表面式和內(nèi)置式。表面式磁極的永磁體直接面對空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點，但永磁體直接承受點電樞反應(yīng)的去磁作用;內(nèi)置式磁極的永磁體置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復(fù)雜，漏磁大，但可以放置較多的永磁體來提高氣隙磁密，減小電機的重量和體

24、積。4） 按永磁體的形狀分類，進行永磁體設(shè)計時必須保證永磁體在磁路中產(chǎn)生足夠的磁通和磁動勢，可分為瓦片形、極弧形、環(huán)形、爪極形、星形、矩形磁極。5） 按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，可分為切向式、徑向式、混合式和軸向式。2.1.2 定子結(jié)構(gòu) 定子鐵心是構(gòu)成永磁電機磁通回路和固定定子線圈的重要部件，它由沖片和三相對稱繞組以及各緊固件壓緊成一個整體。定子鐵心的基本要求：1）導(dǎo)磁性能好，損耗低；2）剛度好，振動??；3）結(jié)構(gòu)布置上有良好的通風(fēng)冷卻效果；4）疊壓后鐵心內(nèi)徑和槽型尺寸應(yīng)滿足設(shè)計精度要求。定子繞組的基本要求：1） 在一定的導(dǎo)體數(shù)下，有合理的最大的基波電動勢和基波磁動勢；2） 在三相

25、繞組中，三相基波電動勢和三相基波磁動勢必須對稱，即大小相等，相位上互差120度電角度，并且三相的阻抗也要求相等；3） 相電動勢和相磁動勢波形力求接近正弦波，為此要求它們的諧波分量盡可能??；此外還要求用銅少，絕緣性能和機械強度可靠，散熱條件好，制造工藝簡單，檢修方便。定子交流繞組主要有以下幾種分類形式：1） 按相數(shù)分為單相，兩相和三相繞組；2） 按槽內(nèi)層數(shù)分為單層、雙層繞組，其中單層有等元件、交叉式和同心繞組，雙層繞組有波繞組和疊繞組，它們一般采用短距分布繞組形式；3） 按每極每相槽數(shù)分為整數(shù)槽繞組和分?jǐn)?shù)槽繞組。2.2永磁同步發(fā)電機原理及特性2.2.1 工作原理 永磁同步發(fā)電機主要電磁結(jié)構(gòu)為定子

26、和轉(zhuǎn)子，定轉(zhuǎn)子之間有氣隙。定子上有ax,by,cz三相對稱繞組，相繞組由多匝串聯(lián)的繞組元件連接而成，每相繞組匝數(shù)相等，在空間上相差120度電角度。轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生機械磁場，其磁通由轉(zhuǎn)子n極出來，經(jīng)過氣隙，定子鐵心，氣隙進入s極而構(gòu)成回路。在原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n（同步轉(zhuǎn)速）旋轉(zhuǎn)時，磁極的磁力線將切割定子繞組導(dǎo)體，在定子導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電勢，當(dāng)定子三相繞組外接三相對稱負(fù)載時，便會在三相繞組中感生出三相對稱電流，從而實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，相繞組中的感應(yīng)電勢正好交變一次（稱為交變了一個周波），實際電機有p對極。永磁同步電機和電勵磁同步電機一樣，電機轉(zhuǎn)速

27、和定子電流的頻率嚴(yán)格遵守n=60fp的關(guān)系。2.2.2 運行特性永磁同步發(fā)電機的運行性能的主要三個重要性能指標(biāo)：固有電壓調(diào)整率、短路電流倍數(shù)、電壓波形正弦性畸變率。1） 固有電壓調(diào)整率永磁發(fā)電機在空載運行時，空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生勵磁電動勢e0（v）；在負(fù)載運行時，氣隙合稱基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生氣隙合成電動勢e（v），計算公式為： （2-1） （2-2）空載氣隙磁通和氣隙合成磁通需要根據(jù)所選用的永磁材料性能，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸，運用電磁場數(shù)值解法求出或用等效磁路法求出。對于切向、徑向、混合式結(jié)構(gòu)，可以將永磁材料等效地化為兩個恒磁通源并聯(lián)供應(yīng)同一條外磁路的等效磁路。2） 短路

28、電流倍數(shù)永磁同步發(fā)電機的短路狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)短路和瞬態(tài)（沖擊）短路兩種。瞬態(tài)短路電流通常大于穩(wěn)態(tài)短路電流，但計算比較復(fù)雜，工程中通常先求出穩(wěn)態(tài)短路電流，然后利用經(jīng)驗修正系數(shù)得出瞬態(tài)短路電流倍數(shù)。短路電流對永磁體去磁作用的大小，除與短路電流倍數(shù)有關(guān)外，還取決于轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式和空載漏磁系數(shù)的大小。對于軟鐵極靴，極間澆鑄非磁性材料，轉(zhuǎn)子上安裝阻尼籠等有阻尼系統(tǒng)的磁路結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)短路電流對永磁體的去磁作用大大減弱，并接近于穩(wěn)態(tài)。短路電流的作用，對于無極靴的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由于永磁體的電阻率很大，幾乎沒有阻尼作用，固瞬態(tài)短路電流的去磁作用很大。為了避免永磁體在發(fā)電機短路過程中發(fā)生不可逆的退磁，在設(shè)計過程中進行

29、最大去磁工作點的校核計算，應(yīng)保證此工作點在最高工作溫度時回復(fù)線的線性段應(yīng)高于或者等于回復(fù)線的拐點。3）電壓波形正弦性畸變率在永磁同步發(fā)電機負(fù)載運行中，負(fù)載對發(fā)電機所發(fā)出的電動勢波形有嚴(yán)格的要求，實際電動勢（通常指空載線電壓）波形與正弦波形之間的偏差程度用電壓波形正弦性畸變率來表示。在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，電壓波形正弦性畸變率是指電壓波形中不包括基波在內(nèi)的所有各次諧波有效值平方和的平方根值與該波形基波有效值的百分比。為了減小電壓波形正弦畸變率，除采用分布繞組、短距繞組、正弦繞組、斜槽等措施外、還應(yīng)改善氣隙磁場波形，它不但與氣隙形狀和極弧系數(shù)有關(guān)外，還與有無軟鐵極靴和穩(wěn)磁處理的方法有關(guān)。微型和小功率永磁

30、同步發(fā)電機如對電壓波形要求不高時，通常采用均勻氣隙?？蛰d氣隙磁場可近似看成寬度為，幅值為的矩形波。當(dāng)發(fā)電機容量較大或?qū)﹄妷翰ㄐ我髧?yán)格時，需對極靴形狀進行加工，使氣隙不均勻并選用合適的極弧系數(shù)，從而使氣隙磁場分布波形盡可能接近正弦。2.3 永磁同步發(fā)電機的設(shè)計特點2.3.1 永磁材料和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇既然永磁同步發(fā)電機采用永磁材料來建立轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)磁場，因此永磁材料的合理選擇在電機設(shè)計當(dāng)中是非常關(guān)鍵的,一般衡量永磁材料的指標(biāo)有：（1）退磁曲線永磁材料的磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線，它是永磁材料的基本特性曲線。退磁曲線上的兩個極限位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數(shù)。退磁曲線上磁場強度h

31、為零時，相對應(yīng)的磁感應(yīng)強度（磁通密度）值稱為剩余磁感應(yīng)強度，簡稱剩磁密度或剩磁。退磁曲線上與磁感應(yīng)強度b為零時，所對應(yīng)的磁場強度值稱為磁感應(yīng)強度矯頑力，簡稱矯頑力。磁場能量密度m=bh2，因此退磁曲線上任一點的磁通密度與磁場強度的乘積可反映磁場能量密度，被稱為磁能積。（2）回復(fù)線退磁曲線所表示的磁通密度與磁場強度間的關(guān)系，只有在磁場強度單方向變化時才存在。實際上，在電機運行時受到作用的退磁磁場強度是反復(fù)變化的。當(dāng)對已充磁的永磁體施加退磁磁場強度時，磁通密度會沿退磁曲線下降。如果下降到最低點時消去外加退磁磁場強度，則磁通密度并不沿退磁曲線回復(fù)。因此保證退磁曲線和回復(fù)線重合是非常重要的設(shè)計過程。（

32、3）內(nèi)稟退磁曲線內(nèi)稟退磁曲線是描述內(nèi)稟磁感應(yīng)強度與磁場強度之間關(guān)系的曲線。（4）穩(wěn)定性為了保證永磁發(fā)電機的電氣性能不發(fā)生變化和長期可靠運行，需要保證永磁材料的熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。永磁電機磁性材料的選擇直接關(guān)系到電機中轉(zhuǎn)子機械磁場以及定子感應(yīng)電勢、電流等相關(guān)參數(shù)的波形。從以上永磁材料的衡量指標(biāo)可以清晰認(rèn)識到在永磁電機的設(shè)計過程中，永磁材料的選擇必須充分考慮到以上這幾個永磁材料的性能指標(biāo)，這也是永磁電機設(shè)計有別于電勵磁電機設(shè)計最主要的設(shè)計特點。2.3.2 固有電壓調(diào)整率和降低措施 永磁同步發(fā)電機制成后，氣隙磁場調(diào)節(jié)困難。為了使其能得到大量推廣，需要對永磁同步發(fā)電機的固有電壓

33、調(diào)整率有嚴(yán)格要求。發(fā)電機的固有電壓調(diào)整率是指在負(fù)載變化而轉(zhuǎn)速保持不變時所出現(xiàn)的電壓變化，其數(shù)值完全取決于發(fā)電機本身的基本特性。 從永磁同步發(fā)電機的電壓平衡方程中可以得知，為了降低電壓調(diào)整率必須在給定的空載電勢e0的情況下盡量增大輸出電壓u。為此既要設(shè)法降低電樞反應(yīng)引起的去磁磁通，又要減小電樞電阻r1和漏抗x1。 a )為了降低電樞反應(yīng)引起的去磁磁通，首先要增大永磁體的抗去磁能力，即增大永磁體的抗去磁磁動勢，為此應(yīng)選用矯頑力大，回復(fù)磁導(dǎo)率小的永磁材料；同時增大永磁體磁化方向長度，使工作點提高，削弱電樞反應(yīng)影響。其次需減少電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和增加轉(zhuǎn)子漏磁導(dǎo)以削弱電樞反應(yīng)對永磁體的去磁作用，因此選

34、用剩磁密度大的永磁材料；并且應(yīng)增大永磁體提供每極磁通的橫截面積，這時磁通明顯增加，可以有效地減少每相串聯(lián)匝數(shù)。 b）為了減小定子漏抗x1，需要選擇寬而淺的定子槽型；減小電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，但要注意小的電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)使短路電流增大；縮短繞組端部長度，適當(dāng)加大氣隙長度，加大長徑比。 c）為了減少電樞電阻，需減小電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和增大導(dǎo)體橫截面積。在上述措施中，都將導(dǎo)致耗用更多的永磁材料，所以在滿足規(guī)定的性能指標(biāo)的前提下，合理的選擇參數(shù)，盡量減少永磁材料的用量。第3章 設(shè)計方案3.1轉(zhuǎn)子設(shè)計3.1.1永磁材料的選擇對于永磁材料的選擇原則為：1） 永磁體應(yīng)能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場

35、和規(guī)定的電機性能指標(biāo)；2） 在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定；3） 有良好的經(jīng)濟性能及加工裝配方便；4） 經(jīng)濟性好，價格便宜。釹鐵硼是現(xiàn)代工業(yè)和民用電機中得到了廣泛的運用，其磁性高于稀土鈷永磁，室溫下其剩磁感應(yīng)密度br高達1.47t，磁感應(yīng)矯頑力hc可達992kam,最大磁能積高達397.9kjm3是目前磁性能最高的永磁材料。釹鐵硼不足之處在于居里溫度較低，一般為320-410攝氏度左右；溫度系數(shù)較高，br的溫度系數(shù)可達-0.13%k-1，的溫度系數(shù)達。綜合考慮電機性能及各方面要求，本設(shè)計采用釹鐵硼永磁材料，其牌號為n35h，剩磁密度為1.22t矯頑力923kam預(yù)計

36、工作溫度為80oc。圖 3.1退磁（brhc）曲線3.1.2轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 根據(jù)永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有切向式、徑向式、混合式和軸向式。本設(shè)計采用切向套環(huán)式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖（如圖2-2）磁通路徑為：永磁體n極, 軟鐵極靴, 套環(huán)的磁性材料段, 氣隙, 定子鐵心, 氣隙套環(huán)的磁性材料段, 軟鐵極靴, 永磁體s極。切向式磁路結(jié)構(gòu)永磁體的磁化方向為轉(zhuǎn)子圓周的切線方向；永磁體并聯(lián)作用，由兩個永磁體截面對氣隙提供每極磁通，可以提高氣隙磁通密度，但是永磁體的磁化方向與磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠(yuǎn)。為減少永磁體向里側(cè)漏磁，轉(zhuǎn)軸襯套需由非磁性構(gòu)成。圖 3.2 轉(zhuǎn)子截面圖3.2定子

37、設(shè)計3.2.1定子鐵心 電機對定子鐵心的要求：導(dǎo)磁性能好、損耗低、剛度好、振動小，在結(jié)構(gòu)布置上有良好的通風(fēng)冷卻效果，疊壓后鐵心內(nèi)徑和槽型尺寸應(yīng)滿足設(shè)計精度要求。為滿足以上要求本設(shè)計的定子鐵心采用0.35mm厚的冷軋無取向硅鋼片沖制而成，其具體尺寸見（附錄1）。3.2.2定子繞組形式 在本設(shè)計中，為滿足電機對定子繞組的各方面要求，采用雙層短距分布式繞組，其具體結(jié)構(gòu)如下：總槽數(shù)z=36；極數(shù)2p=4；相數(shù)m=3；每極每相槽數(shù)q=z2mp=3(整數(shù)槽繞組)；相帶為60度（電角度）；槽距角=20度（電角度）；并聯(lián)支路數(shù)a=1；線圈節(jié)距取y=8。其繞組展開圖具體詳見（附錄2）表3.1 繞組分相第一對極相

38、帶a1c1b1a1c1b1槽號1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二對極相帶a2c2b2a2c2b2槽號19,20,2122,23,24,25,26,2728,29,30,31,32,33,34,35,36上表中為每匝線圈的上層導(dǎo)體邊，下層導(dǎo)體邊按照短距繞組形式（節(jié)距y=8）放置于各槽的下層。第4章 電磁設(shè)計程序4.1額定數(shù)據(jù)（1）額定功率： pn=7.5kw（2）相數(shù)： m=3（3）額定電壓（線電壓）：un=400v 額定相電壓（y型接法）：v（4）額定相電流： a（5）效率： （6）功率因數(shù)： （滯后）（7）額定轉(zhuǎn)速： （8）額定頻率: （9）冷

39、卻方式: 空氣冷卻（10）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方式：切向套環(huán)式（11）固有電壓調(diào)整率：4.2永磁材料的參數(shù)尺寸確定（12）永磁材料牌號：n35h（13）預(yù)計工作溫度：（14）剩余磁通密度： 工作溫度時的剩磁密度： （15）計算矯頑力 工作溫度時的計算矯頑力： （16）相對回復(fù)磁導(dǎo)率： 真空磁導(dǎo)率，（17）在最高工作溫度時退磁曲線拐點位置（18）永磁體磁化方向長度：（19）永磁體寬度：（20）永磁體軸向長度：（21）永磁體段數(shù)：（22）極對數(shù)： （23）永磁體每極截面積: 切向結(jié)構(gòu) （24）永磁體每對極磁化方向長度： （25）永磁體體積: （26）永磁體質(zhì)量：釹鐵硼永磁 4.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸（27）氣隙長度

40、: 均勻氣隙 空氣隙長度（cm） :無緯玻璃絲帶厚度或非磁性材料套環(huán)厚度，cm（28）轉(zhuǎn)子外徑:（29）軸孔直徑：（30）轉(zhuǎn)子鐵心長度： （31）襯套厚度：切向套環(huán)結(jié)構(gòu) 其中 （32）極距： （33）極弧系數(shù)：（34）極間寬度：4.4 定子繞組和定子沖片尺寸（35）定子外徑：（36）定子內(nèi)徑： （37）定子鐵心長度：（38）每極每相槽數(shù)：（39）定子槽數(shù)：（40）繞組節(jié)距：（41）短距系數(shù)：雙層繞組（42）分布系數(shù)： （43）斜槽因數(shù)： 斜槽中心角， 斜槽寬距離，（44）繞組系數(shù)： （45）預(yù)估永磁體空載工作點：（46）預(yù)估空載漏磁系數(shù)：（47）預(yù)估空載磁通： （48）預(yù)估空載電動勢： v（4

41、9）繞組每相串聯(lián)匝數(shù)： （50）每槽導(dǎo)體數(shù)： （取16）（51）實際每相串聯(lián)匝數(shù)： （52）估算繞組線規(guī)：假設(shè) 采用兩根直徑為1.3mm和一根直徑為0.9mm三根并繞，絕緣后直徑分別為1.41mm和1.0mm?？偨孛娣e：（53）實際電流密度： （54）電負(fù)荷： （55）定子沖片槽型設(shè)計：圖4-1 定子槽型（56）槽滿率：槽面積 槽絕緣占面積：4.5 磁路計算（57）計算空載磁通： wb（58）計算極弧系數(shù)（均勻氣隙）： （59）鐵心有效長度（定，轉(zhuǎn)子軸向長度相等）： （60）氣隙磁密： t（61）氣隙系數(shù)： （62）氣隙磁位差： a（63）定子齒磁密： t（64）定子齒磁位差： a 取115.

42、2 取1.073（65）定子軛磁密： t（66）定子軛磁位差： a -定子軛磁場強度取 -考慮軛部磁通密度不均勻而引入的軛部磁路長度校正系數(shù)，取0.32 -定子軛磁路計算長度： cm（67）極靴平均磁密： t -極靴軸向長度17cm（68）極靴磁位差： a 查表取1.063 取4.8cm（69）磁性襯套平均磁密：對于切向式結(jié)構(gòu)，t（70）磁性襯套磁位差： a（71）總磁位差： （72）主磁導(dǎo)： h 主磁導(dǎo)標(biāo)幺值：（73）漏磁導(dǎo)（利用電磁計算而得到）： 漏磁導(dǎo)標(biāo)幺值： （74）外磁路總磁導(dǎo)： h 外磁路總磁導(dǎo)標(biāo)幺值： （75）永磁體空載工作點： （76）空載漏磁系數(shù)： （77）空載氣隙磁通： （

43、通過）（78）空載氣隙磁密： t（79）空載定子齒磁密： t（80）空載定子軛磁密： t（81）繞組平均半匝長： cm -線圈端部平均長，取15.75cm（82）每相繞組電阻： （83）槽比漏磁導(dǎo)：（84）端部比漏磁導(dǎo)： （85）差漏磁導(dǎo)： （86）齒頂比漏磁導(dǎo)： （87）總漏磁導(dǎo)系數(shù)： （88）每相繞組漏抗： 每相繞組漏抗標(biāo)幺值： （89）每極電樞磁動勢： a（90）交軸電樞反應(yīng)電抗： （91）交軸同步電抗： 交軸同步電抗標(biāo)幺值： （92）內(nèi)功率因數(shù)角： （93）每極直軸電樞磁動勢： 每極直軸電樞磁動勢標(biāo)幺值： （94）主磁體負(fù)載工作點： （95）額定負(fù)載氣隙磁通： （96）負(fù)載漏磁系數(shù)：

44、（97）負(fù)載氣隙磁密： t （98）負(fù)載定子齒磁密：（99）負(fù)載定子軛磁密： （100）直軸電樞反應(yīng)電抗： 直軸電樞反應(yīng)電抗標(biāo)幺值：（101）直軸同步電抗： 直軸同步電抗標(biāo)幺值： 4.6 電壓調(diào)整率和短路電路計算（102）空載勵磁電勢： （103）額定負(fù)載時直軸內(nèi)電動勢：（104）輸出電壓：（105）電壓調(diào)整率： （106）短路電流倍數(shù)： =7.674（107）永磁體最大去磁工作點: 4.7 損耗和效率計算（108）定子齒質(zhì)量： （109）定子軛質(zhì)量： （110）齒部單位鐵耗：（111）軛部單位鐵耗：（112）定子鐵耗： （113）定子繞組銅耗： （114）機械損耗：（115）雜散損耗： （1

45、16）總損耗： （117）效率 第5章 磁場有限元分析5.1 有限元分析法和ansoft軟件介紹磁場有限元分析是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。在這種方法中一個物體或系統(tǒng)被分解為由多個相互聯(lián)結(jié)的、簡單的、獨立的點組成的幾何模型。在這種方法中這些獨立的點的數(shù)量是有限的，因此被稱為有限元。由實際的物理模型中推導(dǎo)出來得平衡方程式被使用到每個點上，由此產(chǎn)生了一個方程組。這個方程組可以用線性代數(shù)的方法來求解，然后得到各節(jié)點的磁位，進而得到相應(yīng)的磁場量。稀土永磁電機的永磁體具有很高的磁能、單位體積的力能指標(biāo)高、電磁負(fù)荷高、電機尺寸小等優(yōu)點得到越來越快的發(fā)展。傳統(tǒng)的電機設(shè)計過程是采用磁場

46、耦合法對電機磁場進行計算，但是這種方法在稀土電機設(shè)計中存在難以得到準(zhǔn)確的磁路計算結(jié)果、設(shè)計結(jié)果和實際的電機相差比較大、研發(fā)周期長、成本高等缺點。隨著數(shù)據(jù)計算和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，采用磁路法和有限元方法相結(jié)合對電機的電磁場進行分析和計算，可獲得更加準(zhǔn)確的計算結(jié)果，同時可以縮短研發(fā)周期和節(jié)約成本。本文利用ansoft公司最新版的maxwell 2d仿真軟件建立永磁同步發(fā)電機的模型，它結(jié)合了基于磁路法設(shè)計旋轉(zhuǎn)電機的rmxprt軟件和基于有限元法的電磁場計算軟件maxwell12。本發(fā)電機在其他參數(shù)不變的情況下，通過改變永磁體磁化方向長度和氣隙大小進行分析，并通過兩個軟件進行仿真對比，從而使得電機的設(shè)

47、計更結(jié)合理。根據(jù)永磁同步發(fā)電機的設(shè)計指標(biāo)，首先通過ansoft中的rmxprt軟件進行電機設(shè)計仿真和優(yōu)化，它能快速提供基于磁路法的分析結(jié)果，然后觀察電機主要參數(shù)對磁密和電機特性的影響，相應(yīng)調(diào)整電機尺寸和繞組結(jié)構(gòu)得到最佳電機設(shè)計方案。本設(shè)計要求的額定功率為7.5kw，額定轉(zhuǎn)速為1500rmin，極對數(shù)2，頻率50hz，效率94%。5.2電機的電磁仿真及設(shè)計優(yōu)化5.2.1采用rmxprt進行路的方法計算1.建立項目啟動maxwell control panel 進入maxwell控制板建立所設(shè)計電機項目，本設(shè)計項目名為yctf，如圖5.1所示。圖5.1建立項目2.輸入數(shù)據(jù)1）輸入基本數(shù)據(jù)功率7.5

48、kw、功率因數(shù)0.9、電壓400v、極數(shù)4、頻率50hz、摩擦損耗70w、工作溫度75oc、連接方式y(tǒng) 以及仿真類型。圖5.2 基本數(shù)據(jù)的輸入2）輸入定子鐵心數(shù)據(jù)定子外徑220mm、內(nèi)徑146mm、槽數(shù)36、斜槽數(shù)1以及槽型尺寸。圖5.3定子鐵心數(shù)據(jù)的輸入3）輸入定子繞組數(shù)據(jù)鐵心長度170mm、疊壓系數(shù)0.93、定子沖片型號m19-24g、并聯(lián)支路數(shù)1、每槽導(dǎo)體數(shù)32、節(jié)距8以及繞組形式。圖5.4定子繞組數(shù)據(jù)輸入4）輸入轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)氣隙長度2mm、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑40mm、轉(zhuǎn)子鐵心長175、轉(zhuǎn)子沖片疊壓系數(shù)0.93、沖片型號m19-24g、永磁體牌號n35h、永磁體尺寸以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型。圖 5.5轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)

49、的輸入3通過rmxprt窗口中runanalytical design操作運行所輸入的參數(shù)，輸出數(shù)據(jù)、圖形和曲線如下：（1）輸出數(shù)據(jù)：permanent magnet synchronous generator design file: d:/仿真軟件/maxwell/default/yctf.pjt/yctf.res general datarated output power (kw):7.5rated power factor:0.9rated voltage (v):400number of poles:4frequency (hz):50friction and wind loss (