軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用PPT課件

1、永磁同步電機(jī)(旋轉(zhuǎn)電機(jī))PMSMu主要內(nèi)容 永磁同步電機(jī) 直線電機(jī)第1頁/共101頁（一）永磁同步電機(jī)第2頁/共101頁1.工作原理 永磁同步電機(jī)工作原理 第3頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 電勢方程式第4頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 電勢相量圖第5頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 電勢相量圖第6頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 電勢相量圖第7頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 功角特性第8頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 功角特性第9頁/共101頁3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 功角特性第10頁/共101頁4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng) 直交軸概念第11頁/共10

2、1頁4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng) 永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng)折合系數(shù)Kad,Kaq第12頁/共101頁4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng) 永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng)折合系數(shù)Kad,Kaq第13頁/共101頁4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng) 電樞電抗計(jì)算第14頁/共101頁6.永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)任務(wù)書第15頁/共101頁6.永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)（二）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式第16頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式 表面式轉(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的制造工藝簡單成本低，應(yīng)用較為表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的制造工藝簡單成本低，應(yīng)用較為廣泛，主要適宜于矩形波永磁同步電動機(jī)。但因轉(zhuǎn)子表廣泛，主要適宜于矩形波永磁同步電動機(jī)。但因轉(zhuǎn)子表

3、面無法安放起動繞組，無異步起動能力，不能應(yīng)用于異面無法安放起動繞組，無異步起動能力，不能應(yīng)用于異步起動永磁同步電動機(jī)。步起動永磁同步電動機(jī)。永磁體放置方式分類永磁體放置方式分類第17頁/共101頁徑向6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動的作用，動穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用于要求有異步起動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高電動機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。切向永磁體放置方式分類

4、永磁體放置方式分類第18頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式混合式 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體放置方式分類永磁體放置方式分類第19頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第20頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第21頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第22頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第23頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第24頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第25頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)

5、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第26頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第27頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第28頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式極對數(shù)分類極對數(shù)分類第29頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) （三）永磁體材料選擇磁性能-高矯頑力和剩磁感應(yīng).第30頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) （四）基本尺寸確定第31頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) （五）定子沖片設(shè)計(jì)1定子沖片：可參照異步電機(jī)設(shè)計(jì)再做調(diào)整。2繞組設(shè)計(jì): 繞組形式，每槽導(dǎo)體數(shù)，線徑，槽在基本尺寸，結(jié)構(gòu)形式和永磁體材料性能確定以后，轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)就是合理利用有效空間安

6、置鼠籠條（需要自啟動），永磁體及磁路結(jié)構(gòu)的問題。第32頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)所需永磁體體積:第33頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)第34頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)路算路算場算場算第35頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 氣隙磁密分布云圖場算場算第36頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 空載氣隙齒磁密場算場算第37頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 空載氣隙磁密波形圖場算場算第38頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 負(fù)載電壓源電流源設(shè)置Ua=179.624 * sin(2*pi*50*time+10.5*pi/180)場算場算第39頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 輸入三相電壓場算場算第40頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩場算

7、場算第41頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 負(fù)載三相反電勢場算場算第42頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì) 繞組三相電流場算場算第43頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)u定義：電機(jī)空載時總磁通與主磁通之比。u包括極間漏磁和端部漏磁。準(zhǔn)確計(jì)算空載漏磁系數(shù)需要用三維磁場求解。場算場算 計(jì)算漏磁系數(shù)120134mAAAA第44頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)_空載漏磁系數(shù) 建模點(diǎn) 選矢量A 選點(diǎn) Value eval求矢量磁位A值的方法第45頁/共101頁6.電機(jī)設(shè)計(jì)第46頁/共101頁（二）直線電機(jī)第47頁/共101頁永磁直線同步電機(jī)PMLSMu主要內(nèi)容 直線電機(jī)概述 工作原理 數(shù)學(xué)模型 脈動問題 電磁推力 控制策略第48頁

8、/共101頁直線電機(jī)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問題:(1)減小直線電機(jī)體積和質(zhì)量、提高推力及推力密度;(2)直線電機(jī)特殊的端部效應(yīng)問題;(3)削弱和抑制由于直線電機(jī)自身和外界因素引起的推力減小和推力脈動問題;(4)采取必要的控制策略，獲得直接驅(qū)動系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和良好的控制性能;(5)為避免“零”傳動系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械振蕩，獲得穩(wěn)定的控制，系統(tǒng)還應(yīng)該具備足夠高的動態(tài)剛度和靜態(tài)剛度。第49頁/共101頁1.脈動問題u齒槽效應(yīng)引起的齒槽力u由邊端效應(yīng)引起的的邊端力u由電流和電勢波形的非正弦變化引起的推力紋波u由于PMLSM直接帶機(jī)械負(fù)載,負(fù)載阻力的擾動無緩沖的作用于動子上,對運(yùn)動速度的波動影響比較大.推力波動產(chǎn)生的原

9、因第50頁/共101頁移極技術(shù)不像PM斜極那樣，會產(chǎn)生PM磁極形狀的制造困難，在平板結(jié)構(gòu)電機(jī)中PM磁極還保留矩形適合大批量生產(chǎn)。1 移極技術(shù)1.脈動問題_齒槽力移1/2槽距第51頁/共101頁2 分?jǐn)?shù)槽整數(shù)槽繞組在任何時刻，定子磁極與電樞齒槽的相對位置，對所有磁極來說都是一樣的，因此磁極磁通的脈動，對所有磁極來說也一樣的，由磁極磁通的脈動所產(chǎn)生的動子繞組的各相串聯(lián)線圈中的齒諧波電勢在時間上是同相的，它們直接相加，使在相電勢中產(chǎn)生很強(qiáng)的齒諧波。1.脈動問題_齒槽力第52頁/共101頁由于q為分?jǐn)?shù)，每極所占的槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，任一時刻，相鄰兩磁極相對于動子齒槽位置必有位移，各磁極磁通的脈動情況不一致，由

10、其所產(chǎn)生的動子繞組的各相串聯(lián)線圈中的齒諧波電勢在時間上并不同相，必須采用向量相加，這樣使各相串聯(lián)線圈中的齒諧波電勢大部分相互抵消，使每相的齒諧波電勢大為削弱，對減小齒槽力的波動起到很大的作用，這對提高PMLSM平滑運(yùn)動更有意義。分?jǐn)?shù)槽:采用分?jǐn)?shù)槽繞組，等效每相每極槽數(shù)q增大，極大的改善了電勢波形。1.脈動問題_齒槽力第53頁/共101頁缺點(diǎn)是分?jǐn)?shù)槽繞組的合成磁勢會出現(xiàn)低次(v1)諧波，這些低次諧波將引起電機(jī)局部飽和，降低平均推力，增大附加損耗。斜槽、閉口槽和分?jǐn)?shù)槽情況下的齒槽力波動的比較，采用分?jǐn)?shù)槽，PMLSM的齒槽力波動幅值最小，僅為在整距開口槽情況下齒槽力波動幅值的1/5，并得到了較采用斜

11、槽、閉口槽好的削弱齒槽力波動的效果。1.脈動問題_齒槽力第54頁/共101頁通過減小槽口寬度、采用磁性槽楔或者閉口槽，將會減小PMLSM齒槽力波動。3 槽口寬度增加線圈下線工藝的復(fù)雜性。槽開口將引起動子鐵心各向異性的程度，影響到磁導(dǎo)變化。缺點(diǎn)：閉口槽結(jié)構(gòu)閉口槽結(jié)構(gòu)完全消除齒槽力波動的影響。漏磁問題。1.脈動問題_齒槽力第55頁/共101頁槽高的變化對齒槽力的影響較小算例 槽高影響槽高影響注：算例摘自文獻(xiàn)浙江大學(xué)博士論文作者邵波第56頁/共101頁 槽寬影響槽寬影響隨著槽寬的變小，齒槽力波動在一定程度上得到了抑制。由于過小的槽寬，制約了線圈的排布和勵磁磁勢。1.脈動問題_齒槽力第57頁/共101

12、頁 閉口槽閉口槽齒槽力波動與閉口槽口高成反比。h0槽口高1.脈動問題_齒槽力第58頁/共101頁4 斜槽或斜極斜槽斜槽有效減小推力波動。減少電磁推力。電磁推力是否減少？斜極斜極工藝將使裝配和充磁變得較為困難。否1.脈動問題_齒槽力第59頁/共101頁斜槽斜槽齒槽力波動和斜槽角有關(guān)，斜槽對齒槽力波動抑制作用也較大，但斜槽(或斜極)給制造工藝增添了困難，同時也增加了斜槽漏磁。1.脈動問題_齒槽力第60頁/共101頁5 氣隙長度增加氣隙的大小可以抑制齒槽力的影響？氣隙的變大，會導(dǎo)致PMLSM電磁推力的減小。氣隙的大小影響著動子齒槽和永磁體的相互作用，所以影響齒槽轉(zhuǎn)矩。問題問題1.脈動問題_齒槽力第6

13、1頁/共101頁氣隙長度氣隙長度氣隙的增大能部分的減小齒槽力的波動。但是，氣隙的增大，需要增大勵磁。1.脈動問題_齒槽力第62頁/共101頁端部鐵心斷開端部鐵心斷開1.脈動問題_端部效應(yīng)縱向端部效應(yīng)是端部磁場畸變和結(jié)構(gòu)斷開對直線電機(jī)性能和設(shè)計(jì)帶來的一系列變化的總稱.1定位力(detent force)造成的推力波動2磁場分布變3奇數(shù)磁極3三相電感不相等 現(xiàn)象等等。產(chǎn)生縱向端部效應(yīng)產(chǎn)生縱向端部效應(yīng)第63頁/共101頁1.脈動問題_端部效應(yīng)（注：參考文獻(xiàn)：永磁直線同步電機(jī)縱向端部效應(yīng)補(bǔ)償方法。電機(jī)工程學(xué)報。）第64頁/共101頁1.脈動問題_端部效應(yīng)例如加大邊齒的寬度第65頁/共101頁1.脈動問

14、題_端部效應(yīng)舉例加大邊齒的氣隙長度第66頁/共101頁減小端部效應(yīng)推力波動的方法：1采用多極結(jié)構(gòu)2增加氣隙長度3增加直線電機(jī)兩端的齒寬等方法1.脈動問題_端部效應(yīng)第67頁/共101頁單邊平板型PMLSM電磁推力特點(diǎn)：(1)法向力遠(yuǎn)大于推力，數(shù)值上相差十倍以上。(2)定子極距對電磁推力的影響. K是定子極距與初級繞組齒距的比值.隨著K值增加，推力和法向力脈動范圍增加。當(dāng)K=1時，直線電機(jī)極距等于齒距，此時導(dǎo)致該直線電機(jī)推力和法向力脈動范圍非常大，應(yīng)該避免發(fā)生這種情況。2.電磁推力第68頁/共101頁由表達(dá)式推出永磁直線同步電機(jī)動子和定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)推力的影響。2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第

15、69頁/共101頁推力標(biāo)么值隨氣隙及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系。動子槽距加大，直線電機(jī)推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機(jī)推力減小趨勢有所減弱;k變大第70頁/共101頁推力標(biāo)么值隨氣隙及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系。同樣在氣隙不變的情況下，隨著永磁體磁化高度的增加，直線電機(jī)推力也增加，但增加趨勢有所減弱。換句話說，永磁體磁化高度的顯著增加并不能顯著增加推力。考慮到永磁材料

16、的高成本應(yīng)該合適選擇永磁體尺寸。k變大第71頁/共101頁推力標(biāo)么值隨氣隙及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系。動子槽型加深，直線電機(jī)推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機(jī)推力減小趨勢有所減弱;k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第72頁/共101頁推力標(biāo)么值隨氣隙及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系。增加槽寬，直線電機(jī)推力趨于增加，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機(jī)推力減小趨勢有所減弱;k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第73頁/共101頁推力標(biāo)

17、么值隨永磁體磁化高度及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機(jī)推力迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，電機(jī)推力變化趨向飽和，也就是說，在其它條件不變的情況下，永磁體磁化高度尺寸太大，不但推力增加緩慢，而且由于電機(jī)體積和重量增大，反而導(dǎo)致推力密度降低。在永磁體磁化高度一定情況下，槽深增加則推力減小。k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第74頁/共101頁推力標(biāo)么值隨永磁體磁化高度及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機(jī)推力迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，電機(jī)推力變化趨向飽和，也就是說，在其它條件不變的情況下，永磁體磁化高度尺寸太大，不但推力增加緩慢，而且由于電機(jī)體積和重量增大，反而導(dǎo)致推力密度降

18、低。在永磁體磁化高度一定情況下，氣隙減小，推力增大。k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第75頁/共101頁推力標(biāo)么值隨永磁體磁化高度及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機(jī)推力迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，電機(jī)推力變化趨向飽和，也就是說，在其它條件不變的情況下，永磁體磁化高度尺寸太大，不但推力增加緩慢，而且由于電機(jī)體積和重量增大，反而導(dǎo)致推力密度降低。在永磁體磁化高度一定情況下，槽距增大，則推力減小。k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第76頁/共101頁推力標(biāo)么值隨永磁體磁化高度及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機(jī)推力迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，電機(jī)推力變化趨向飽和，也就

19、是說，在其它條件不變的情況下，永磁體磁化高度尺寸太大，不但推力增加緩慢，而且由于電機(jī)體積和重量增大，反而導(dǎo)致推力密度降低。在永磁體磁化高度一定情況下，槽寬增加，推力提高。k變大2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第77頁/共101頁隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時，動子槽距加大、槽型加深，減小槽寬，直線電機(jī)推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機(jī)推力減小趨勢有所減弱;隨著永磁體磁化高度的增加，直線電機(jī)推力也增加，但增加趨勢有所減弱。結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力的影響： 隨著永磁體磁化高度增加，直線電機(jī)推力迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，電機(jī)推力變化趨向飽和。在永磁體磁化高度一定情況下，槽距增大、槽深增加，減小槽

20、寬，則推力減小;氣隙減小，推力增大。2.電磁推力_結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響第78頁/共101頁電機(jī)在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度推力體積密度計(jì)算示意圖2.電磁推力_推力密度第79頁/共101頁電機(jī)在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度Hpm為永磁體磁化高度2.電磁推力_推力密度永磁體寬度增加，推力密度增加;當(dāng)永磁體寬度增加到一定值時，推力密度增加變緩并有減小的趨勢。當(dāng)永磁體寬度一定時，推力密度將隨著永磁體磁化高度增加而減小，且磁化高度增加值越大推力密度減小趨緩。磁化高度增加第80頁/共101頁電機(jī)在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度hy動子高度2.電磁推力_推力密度永磁體寬度增加，推力密度增加;當(dāng)永磁體寬度增加到一定值時，推力密度增加變緩并有減小的趨勢。當(dāng)永磁體寬度一定時，動子高度增加較小時，推力體密度加大，但顯著加大動子高度會使推力密度值緩慢增加;動子高度增加第81頁/共101頁電機(jī)在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度永磁體磁化高度增加永磁體寬度增加，推力密度增加;當(dāng)永磁體寬度增加到一定值時，推力密度增加變緩并有減小的趨勢。當(dāng)永磁體寬度一定時，推力密度與極距的變化關(guān)系存在一個最高點(diǎn)，適當(dāng)選擇極距尺寸非常重要。在推力達(dá)到最高點(diǎn)后，極距一定時，隨著磁化高度增加推力密度減小。2.電磁推力_推力密度第82頁/共101頁電機(jī)在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度動子