ANSOFT軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

1、ANSOFT軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用永磁同步電機(jī)(旋轉(zhuǎn)電機(jī))PMSM主要內(nèi)容永磁同步電機(jī)直線電機(jī)（一）永磁同步電機(jī)1.工作原理永磁同步電機(jī)工作原理 3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電勢方程式3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電勢相量圖 E0U時(shí)空載或輕載的狀態(tài). 需要永磁體多.驅(qū)動(dòng)用電機(jī)在功率因數(shù)無特殊要求的情況下,額定點(diǎn)不設(shè)計(jì)在過勵(lì)容性去磁狀態(tài).3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電勢相量圖 E0U時(shí)空載或輕載的狀態(tài). 當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定負(fù)載點(diǎn)附近時(shí),電機(jī)不適合運(yùn)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(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電勢相量圖 理想工作狀態(tài).永磁體用量少,電機(jī)尺寸小.力能指標(biāo)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(jī)工作在C狀態(tài)3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功角特性 在忽略定子銅耗,并將鐵耗,雜散損耗都計(jì)入電磁功率的前提下,得到功率和轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式：3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功角特性3.永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功角特性4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng)直交軸概念直交軸磁路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,Kaq4.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,Kaq4.永磁同步電機(jī)電樞反應(yīng)電樞電抗計(jì)算6.永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)任務(wù)書6.永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)（二）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(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)用較為廣泛，主要適宜于矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)。但因轉(zhuǎn)子表面無法安放起動(dòng)繞組，無異步起動(dòng)能力，不能應(yīng)用于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁體放置方式分類徑向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(dòng)的作用，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用于要求有異步起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的過載能力和功率

4、密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。切向永磁體放置方式分類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)混合式永磁體放置方式分類6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式2極電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式2極電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式2極電機(jī)極對數(shù)分類加工成本下降,漏磁增加6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式2極電機(jī)極對數(shù)分類 永磁體結(jié)構(gòu)簡單,鼠籠放置靈活,沖片分割,工藝復(fù)雜 交軸隔磁槽減小Xq/Xd值,便于啟動(dòng)6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式4極電機(jī)極對數(shù)分類聚磁作用.結(jié)構(gòu)復(fù)雜,強(qiáng)度差電樞反

5、應(yīng)程度正反轉(zhuǎn)不對稱適合單方向運(yùn)行隔磁槽減小漏磁,非整體結(jié)構(gòu)增加工藝難度,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式4極電機(jī)極對數(shù)分類有效利用空間聚磁作用.轉(zhuǎn)軸隔磁或非磁性軸6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式4極電機(jī)極對數(shù)分類空氣隔磁,轉(zhuǎn)子整體性,工頻情況下強(qiáng)度滿足要求6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式4極電機(jī)極對數(shù)分類采用兩種永磁體,降低成本.最簡單的4極結(jié)構(gòu)6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式多極電機(jī)極對數(shù)分類漏磁小,鼠籠內(nèi)側(cè)削弱啟動(dòng)效果.一般6極及6極以上多極PMSM一般采用這種結(jié)構(gòu).6.電機(jī)設(shè)計(jì)_(二)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式多極電機(jī)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(jié)構(gòu).6.電機(jī)設(shè)計(jì)（三

6、）永磁體材料選擇磁性能-高矯頑力和剩磁感應(yīng).6.電機(jī)設(shè)計(jì)（四）基本尺寸確定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（六）轉(zhuǎn)子沖片和永磁體設(shè)計(jì)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置鼠籠條（需要自啟動(dòng)），永磁體及磁路結(jié)構(gòu)的問題。滿率，核算電密，電負(fù)荷等。6.電機(jī)設(shè)計(jì)（六）轉(zhuǎn)子沖片和永磁體設(shè)計(jì)所需永磁體體積:6.電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子永磁體確定考慮因素：1多極電機(jī)比2極電機(jī)方式方式靈活方便2工作點(diǎn)比(BH)max略高一點(diǎn)3結(jié)構(gòu)影響,比如漏磁大的結(jié)構(gòu)永磁體用量多4短粗的永磁同步電機(jī)節(jié)省永磁體5

7、永磁體去磁問題等6.電機(jī)設(shè)計(jì) 目的是保證磁路的合理設(shè)計(jì).包括磁路參數(shù)計(jì)算,空載磁路和負(fù)載磁路三部分. 磁化特性計(jì)算和漏磁計(jì)算等,如氣隙磁勢降,定子齒軛磁勢降,轉(zhuǎn)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(jì)算等.（七）磁路計(jì)算路算場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)氣隙磁密分布云圖場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)空載氣隙齒磁密場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)空載氣隙磁密波形圖場算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6.電機(jī)設(shè)計(jì)輸入三相電壓場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)載三相反電勢場算6.電機(jī)設(shè)計(jì)繞組三相電流場算6.

8、電機(jī)設(shè)計(jì)定義：電機(jī)空載時(shí)總磁通與主磁通之比。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。計(jì)算漏磁系數(shù)場算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)Valueeval求矢量磁位A值的方法6.電機(jī)設(shè)計(jì)（八）特性計(jì)算和校核例如計(jì)算效率等.（二）直線電機(jī)永磁直線同步電機(jī)PMLSM主要內(nèi)容直線電機(jī)概述工作原理 數(shù)學(xué)模型脈動(dòng)問題電磁推力控制策略直線電機(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(dòng)問題;(4)采取必要的控制策略，獲得直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和良好的

9、控制性能;(5)為避免“零”傳動(dòng)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(dòng)態(tài)剛度和靜態(tài)剛度。1.脈動(dòng)問題齒槽效應(yīng)引起的齒槽力由邊端效應(yīng)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(jī)械負(fù)載,負(fù)載阻力的擾動(dòng)無緩沖的作用于動(dòng)子上,對運(yùn)動(dòng)速度的波動(dòng)影響比較大.推力波動(dòng)產(chǎn)生的原因移極技術(shù)不像PM斜極那樣，會(huì)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(dòng)問題_齒槽力移1/2槽距2 分?jǐn)?shù)槽整數(shù)槽繞組在任何時(shí)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(dòng)，對所有磁極來說也一樣的，

10、由磁極磁通的脈動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)子繞組的各相串聯(lián)線圈中的齒諧波電勢在時(shí)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(dòng)問題_齒槽力由于q為分?jǐn)?shù)，每極所占的槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，任一時(shí)刻，相鄰兩磁極相對于動(dòng)子齒槽位置必有位移，各磁極磁通的脈動(dòng)情況不一致，由其所產(chǎn)生的動(dòng)子繞組的各相串聯(lián)線圈中的齒諧波電勢在時(shí)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(dòng)起到很大的作用，這對提高PMLSM平滑運(yùn)動(dòng)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(dòng)問題_齒槽力缺點(diǎn)是分?jǐn)?shù)槽繞組的合成磁勢

11、會(huì)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(dòng)的比較，采用分?jǐn)?shù)槽，PMLSM的齒槽力波動(dòng)幅值最小，僅為在整距開口槽情況下齒槽力波動(dòng)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(dòng)的效果。1.脈動(dòng)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(huì)減小PMLSM齒槽力波動(dòng)。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(dòng)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)完全消除齒槽力波動(dòng)的影響。漏磁問題。1.脈動(dòng)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(xiàn)浙江大學(xué)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(dòng)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(lì)磁磁勢。1.脈動(dòng)問題_齒槽力 閉口槽齒槽力波動(dòng)與閉口槽口高成反比。h0槽口高1.脈動(dòng)問題_齒槽力4 斜槽或斜極斜槽有效減小推力波動(dòng)。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(dòng)問題_齒槽力斜槽齒槽力波動(dòng)和斜槽角有關(guān)，斜槽對齒槽力波動(dòng)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(shí)也增加了斜槽漏磁。1.脈動(dòng)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(huì)導(dǎo)致PMLSM電磁推力的減小。氣隙的大小影響著動(dòng)子齒槽和永磁體的相互作用

13、，所以影響齒槽轉(zhuǎn)矩。問題1.脈動(dòng)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(dòng)。但是，氣隙的增大，需要增大勵(lì)磁。1.脈動(dòng)問題_齒槽力端部鐵心斷開1.脈動(dòng)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(dòng)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)1.脈動(dòng)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(bào)。）1.脈動(dòng)問題_端部效應(yīng)例如加大邊齒的寬度1.脈動(dòng)問題_端部效應(yīng)舉例加大邊齒的氣隙長度減小端部效應(yīng)推力波動(dòng)的方法：1采用多極結(jié)構(gòu)2增加氣隙長

14、度3增加直線電機(jī)兩端的齒寬等方法1.脈動(dòng)問題_端部效應(yīng)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(dòng)范圍增加。當(dāng)K=1時(shí)，直線電機(jī)極距等于齒距，此時(shí)導(dǎo)致該直線電機(jī)推力和法向力脈動(dòng)范圍非常大，應(yīng)該避免發(fā)生這種情況。2.電磁推力由表達(dá)式推出永磁直線同步電機(jī)動(dòng)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(shí)，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

15、關(guān)系。動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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)對推力影響推力標(biāo)

16、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

17、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

18、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)對推力影響隨著氣隙增大，推力減小;當(dāng)氣隙一定時(shí)，動(dòng)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)對推力影響電機(jī)在一個(gè)極

19、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_推力密度電機(jī)在一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(jī)在一個(gè)極距下產(chǎn)生推力體積密度hy動(dòng)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(shí)，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(shí)，動(dòng)子高度增加較小時(shí)，推力體密度加大，但顯著加大動(dòng)子高度會(huì)使推力密度值緩慢增加;動(dòng)子高度增加電機(jī)在一個(gè)極距下產(chǎn)生推力體積密度永磁體磁化高度增加永