ANSOFT軟件在電機設計中的具體應用

1、ANSOFT軟件在電機設計中的具體應用永磁同步電機(旋轉電機)PMSM主要內(nèi)容永磁同步電機直線電機（一）永磁同步電機1.工作原理永磁同步電機工作原理 3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行電勢方程式3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行電勢相量圖 E0U時空載或輕載的狀態(tài). 需要永磁體多.驅動用電機在功率因數(shù)無特殊要求的情況下,額定點不設計在過勵容性去磁狀態(tài).3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行電勢相量圖 E0U時空載或輕載的狀態(tài). 當電機達到額定負載點附近時,電機不適合運行該狀態(tài),否則功率因數(shù)很低,PMSM優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮.3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行電勢相量圖 理想工作狀態(tài).永磁體用量少,電機尺寸小.力能指標高. K=E0/U,k

2、受Ke=Xq/Xd影響.一般Ke在(0.81.3)范圍內(nèi),電機工作在C狀態(tài)3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行功角特性 在忽略定子銅耗,并將鐵耗,雜散損耗都計入電磁功率的前提下,得到功率和轉矩的表達式：3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行功角特性3.永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行功角特性4.永磁同步電機電樞反應直交軸概念直交軸磁路4.永磁同步電機電樞反應永磁同步電機電樞反應折合系數(shù)Kad,Kaq4.永磁同步電機電樞反應永磁同步電機電樞反應折合系數(shù)Kad,Kaq4.永磁同步電機電樞反應電樞電抗計算6.永磁同步電機的設計（一）設計任務書6.永磁同步電機的設計（二）轉子結構形式按照永磁體放置方式分：表面內(nèi)置混合徑向切向按照極數(shù)分：2

3、極4極多極6.電機設計_(二)轉子結構形式表面式轉子典型結構表面式轉子磁路結構的制造工藝簡單成本低，應用較為廣泛，主要適宜于矩形波永磁同步電動機。但因轉子表面無法安放起動繞組，無異步起動能力，不能應用于異步起動永磁同步電動機。永磁體放置方式分類徑向6.電機設計_(二)轉子結構形式內(nèi)置式轉子結構這類結構的永磁體位于轉子內(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。內(nèi)置式轉子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護，其轉子結構的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉矩有助于提高電動機的過載能力和功率

4、密度，而且易于弱磁擴速。切向永磁體放置方式分類6.電機設計_(二)轉子結構形式內(nèi)置式轉子結構混合式永磁體放置方式分類6.電機設計_(二)轉子結構形式2極電機極對數(shù)分類需緊圈.加工難度大.永磁體利用率低.永磁體利用率高,漏磁大6.電機設計_(二)轉子結構形式2極電機極對數(shù)分類鼠籠條空間更靈活,永磁體放置量受限6.電機設計_(二)轉子結構形式2極電機極對數(shù)分類加工成本下降,漏磁增加6.電機設計_(二)轉子結構形式2極電機極對數(shù)分類 永磁體結構簡單,鼠籠放置靈活,沖片分割,工藝復雜 交軸隔磁槽減小Xq/Xd值,便于啟動6.電機設計_(二)轉子結構形式4極電機極對數(shù)分類聚磁作用.結構復雜,強度差電樞反

5、應程度正反轉不對稱適合單方向運行隔磁槽減小漏磁,非整體結構增加工藝難度,結構強度差6.電機設計_(二)轉子結構形式4極電機極對數(shù)分類有效利用空間聚磁作用.轉軸隔磁或非磁性軸6.電機設計_(二)轉子結構形式4極電機極對數(shù)分類空氣隔磁,轉子整體性,工頻情況下強度滿足要求6.電機設計_(二)轉子結構形式4極電機極對數(shù)分類采用兩種永磁體,降低成本.最簡單的4極結構6.電機設計_(二)轉子結構形式多極電機極對數(shù)分類漏磁小,鼠籠內(nèi)側削弱啟動效果.一般6極及6極以上多極PMSM一般采用這種結構.6.電機設計_(二)轉子結構形式多極電機極對數(shù)分類一般6極及6極以上多極PMSM一般采用這種結構.6.電機設計（三

6、）永磁體材料選擇磁性能-高矯頑力和剩磁感應.6.電機設計（四）基本尺寸確定6.電機設計（五）定子沖片設計1定子沖片：可參照異步電機設計再做調(diào)整。2繞組設計: 繞組形式，每槽導體數(shù)，線徑，槽（六）轉子沖片和永磁體設計在基本尺寸，結構形式和永磁體材料性能確定以后，轉子沖片的設計就是合理利用有效空間安置鼠籠條（需要自啟動），永磁體及磁路結構的問題。滿率，核算電密，電負荷等。6.電機設計（六）轉子沖片和永磁體設計所需永磁體體積:6.電機設計轉子永磁體確定考慮因素：1多極電機比2極電機方式方式靈活方便2工作點比(BH)max略高一點3結構影響,比如漏磁大的結構永磁體用量多4短粗的永磁同步電機節(jié)省永磁體5

7、永磁體去磁問題等6.電機設計 目的是保證磁路的合理設計.包括磁路參數(shù)計算,空載磁路和負載磁路三部分. 磁化特性計算和漏磁計算等,如氣隙磁勢降,定子齒軛磁勢降,轉子齒軛磁勢降,空載漏磁系數(shù)等. 磁密分布是否合理,齒軛磁密,反電勢波形,漏磁計算等.（七）磁路計算路算場算6.電機設計氣隙磁密分布云圖場算6.電機設計空載氣隙齒磁密場算6.電機設計空載氣隙磁密波形圖場算6.電機設計負載電壓源電流源設置Ua=179.624 * sin(2*pi*50*time+10.5*pi/180)場算6.電機設計輸入三相電壓場算6.電機設計負載輸出轉矩場算6.電機設計負載三相反電勢場算6.電機設計繞組三相電流場算6.

8、電機設計定義：電機空載時總磁通與主磁通之比。包括極間漏磁和端部漏磁。準確計算空載漏磁系數(shù)需要用三維磁場求解。計算漏磁系數(shù)場算6.電機設計_空載漏磁系數(shù)建模點選矢量A選點Valueeval求矢量磁位A值的方法6.電機設計（八）特性計算和校核例如計算效率等.（二）直線電機永磁直線同步電機PMLSM主要內(nèi)容直線電機概述工作原理 數(shù)學模型脈動問題電磁推力控制策略直線電機設計的熱點問題:(1)減小直線電機體積和質(zhì)量、提高推力及推力密度;(2)直線電機特殊的端部效應問題;(3)削弱和抑制由于直線電機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，獲得直接驅動系統(tǒng)的快速響應能力和良好的

9、控制性能;(5)為避免“零”傳動系統(tǒng)出現(xiàn)機械振蕩，獲得穩(wěn)定的控制，系統(tǒng)還應該具備足夠高的動態(tài)剛度和靜態(tài)剛度。1.脈動問題齒槽效應引起的齒槽力由邊端效應引起的的邊端力由電流和電勢波形的非正弦變化引起的推力紋波由于PMLSM直接帶機械負載,負載阻力的擾動無緩沖的作用于動子上,對運動速度的波動影響比較大.推力波動產(chǎn)生的原因移極技術不像PM斜極那樣，會產(chǎn)生PM磁極形狀的制造困難，在平板結構電機中PM磁極還保留矩形適合大批量生產(chǎn)。1 移極技術1.脈動問題_齒槽力移1/2槽距2 分數(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，

10、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)生很強的齒諧波。1.脈動問題_齒槽力由于q為分數(shù)，每極所占的槽數(shù)為分數(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平滑運動更有意義。分數(shù)槽:采用分數(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_齒槽力缺點是分數(shù)槽繞組的合成磁勢

11、會出現(xiàn)低次(v1)諧波，這些低次諧波將引起電機局部飽和，降低平均推力，增大附加損耗。斜槽、閉口槽和分數(shù)槽情況下的齒槽力波動的比較，采用分數(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，并得到了較采用斜槽、閉口槽好的削弱齒槽力波動的效果。1.脈動問題_齒槽力通過減小槽口寬度、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雜性。槽開口將引起動子鐵心各向異性的程度，影響到磁導變化。缺點：閉口槽結構完全消除齒槽力波動的影響。漏磁問題。1.脈動問題_齒槽力槽高的變化對齒槽力的影響較小算例 槽高影響注：算例摘自文獻浙江大學博士論文

12、作者邵波 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 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4 斜槽或斜極斜槽有效減小推力波動。減少電磁推力。電磁推力是否減少？斜極工藝將使裝配和充磁變得較為困難。否1.脈動問題_齒槽力斜槽齒槽力波動和斜槽角有關，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

13、，所以影響齒槽轉矩。問題1.脈動問題_齒槽力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_齒槽力端部鐵心斷開1.脈動問題_端部效應縱向端部效應是端部磁場畸變和結構斷開對直線電機性能和設計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1.脈動問題_端部效應（注：參考文獻：永磁直線同步電機縱向端部效應補償方法。電機工程學報。）1.脈動問題_端部效應例如加大邊齒的寬度1.脈動問題_端部效應舉例加大邊齒的氣隙長度減小端部效應推力波動的方法：1采用多極結構2增加氣隙長

14、度3增加直線電機兩端的齒寬等方法1.脈動問題_端部效應單邊平板型PMLSM電磁推力特點：(1)法向力遠大于推力，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K=1時，直線電機極距等于齒距，此時導致該直線電機推力和法向力脈動范圍非常大，應該避免發(fā)生這種情況。2.電磁推力由表達式推出永磁直線同步電機動子和定子結構參數(shù)對電機推力的影響。2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響推力標么值隨氣隙及結構參數(shù)的變化2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響隨著氣隙增大，推力減小;當氣隙一定時，不同的結構參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化

15、關系。動子槽距加大，直線電機推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機推力減小趨勢有所減弱;k變大推力標么值隨氣隙及結構參數(shù)的變化隨著氣隙增大，推力減小;當氣隙一定時，不同的結構參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關系。動子槽型加深，直線電機推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機推力減小趨勢有所減弱;k變大2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響推力標么值隨氣隙及結構參數(shù)的變化隨著氣隙增大，推力減小;當氣隙一定時，不同的結構參數(shù)對推力的影響不同，呈現(xiàn)非線性的變化關系。增加槽寬，直線電機推力趨于增加，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機推力減小趨勢有所減弱;k變大2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響推力標

16、么值隨永磁體磁化高度及結構參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機推力迅速上升，達到一定數(shù)值后，電機推力變化趨向飽和，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，而且由于電機體積和重量增大，反而導致推力密度降低。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_結構參數(shù)對推力影響推力標么值隨永磁體磁化高度及結構參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機推力迅速上升，達到一定數(shù)值后，電機推力變化趨向飽和，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，而且由于電機體積和重量增大，反而導致推力密度降低。在永磁體磁化高度

17、一定情況下，氣隙減小，推力增大。k變大2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響推力標么值隨永磁體磁化高度及結構參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機推力迅速上升，達到一定數(shù)值后，電機推力變化趨向飽和，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，而且由于電機體積和重量增大，反而導致推力密度降低。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_結構參數(shù)對推力影響推力標么值隨永磁體磁化高度及結構參數(shù)的變化隨著永磁體磁化高度增加，直線電機推力迅速上升，達到一定數(shù)值后，電機推力變化趨向飽和，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

18、力增加緩慢，而且由于電機體積和重量增大，反而導致推力密度降低。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_結構參數(shù)對推力影響隨著氣隙增大，推力減小;當氣隙一定時，動子槽距加大、槽型加深，減小槽寬，直線電機推力減小，并且隨著槽型尺寸的增加，直線電機推力減小趨勢有所減弱;隨著永磁體磁化高度的增加，直線電機推力也增加，但增加趨勢有所減弱。結構參數(shù)對推力的影響： 隨著永磁體磁化高度增加，直線電機推力迅速上升，達到一定數(shù)值后，電機推力變化趨向飽和。在永磁體磁化高度一定情況下，槽距增大、槽深增加，減小槽寬，則推力減小;氣隙減小，推力增大。2.電磁推力_結構參數(shù)對推力影響電機在一個極

19、距下產(chǎn)生推力體積密度推力體積密度計算示意圖2.電磁推力_推力密度電機在一個極距下產(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。磁化高度增加電機在一個極距下產(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;動子高度增加電機在一個極距下產(chǎn)生推力體積密度永磁體磁化高度增加永