永磁同步电机毕业设计

哈尔滨理工大学学士学位论文永磁同步电动机的电磁设计与分析摘要永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。还通过 Ansoft 软件的 Rmxprt 模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。又通过Ansoft 软件 Maxwell 2D 的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。关键词 永磁同步电动机；电磁设计；性能分析哈尔滨理工大学学士学位论文1 -The design of Permanent-Magnet Synchronous MotorAbstractPMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss . The paper mainly introduces the PMSMs development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density.Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis哈尔滨理工大学学士学位论文2 -目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .41.1 课题背景 .41.2 永磁电机发展趋势 .51.3 本文研究主要内容 .6第 2 章 永磁同步电动机的原理 .72.1 永磁材料 .72.1.1 永磁材料的概念和性能 .72.1.2 钕铁硼永磁材料 .82.2 永磁同步电动机的基本电磁关系 .92.2.1 转速和气隙磁场有关系数 .92.2.2 感应电动势和向量图 .102.2.3 交直轴电抗及电磁转矩 .122.3 小结 .13第 3 章 永磁同步电动机的电磁设计 .143.1 永磁同步电机本体设计 .143.1.1 永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 .143.1.2 定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 .153.1.3 转子铁心的设计 .163.2 永磁同步电动机本体设计示例 .183.2.1 额定数据及主要尺寸 .183.2.2 永磁体及定转子冲片设计 .193.2.3 绕组计算 .233.2.4 磁路计算 .263.2.5 参数计算 .293.2.6 工作特性计算 .333.2.7 起动特性计算 .373.3 小结 .41第 4 章 永磁同步电动机的性能分析及磁场分析 .424.1 永磁同步电动机的性能分析 .424.1.1 永磁同步电动机性能曲线 .424.1.2 重要参数的变化对性能的影响 .444.2 永磁同步电动机的磁路分析 .46哈尔滨理工大学学士学位论文3 -4.2.1 永磁同步电动机的模型 .464.2.2 在 Ansoft Maxwell 2D 中运行后的结果图 .474.3 小结 .52结论 .53致谢 .54参考文献 .55附录 A .56哈尔滨理工大学学士学位论文4 -第 1 章 绪论1.1 课题背景永磁同步电动机（PMSM）具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发，有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展，某些永磁同步电机已形成系列化产品，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展 1。与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化，提高了可靠性，又节约用铜，省去了转子铜耗，提高了电机效率 2。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域 3。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展，同时也解决了制约稀土永磁电机发展的共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20%，加工费降低50% 4。日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会 5。从1996年，丰田汽车公司的电动机 RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50k W，最高转速1300r/min 到本田公2001年推出的燃料电池试验车 FCX-V4的驱动电机最高功率为60kW ，最大转矩为272Nm。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速为12,500r/min，最大输出功率32k W。美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。美国两个最高车速分别为72km/h 和56km/h 的短程混合电动公交车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机 6。哈尔滨理工大学学士学位论文5 -1.2 永磁电机发展趋势永磁电机向大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻发展。目前永磁同步电机广泛应用于电动汽车、有轨无轨机车、航空航天、电梯、家用电器、航海等领域，开发出高功率、高转速、高力矩、高效率、质轻的永磁同步电机，可见对节能环保、高效高质量服务等方面具有很大的推动作用，这也是永磁同步电机的发展趋势。高功率：德国西门子公司于1986年完成了1100k W，230r/ min 机电一体化的交流永磁同步推进电机；另外1760kW 永磁同步推进电机装于 U-212潜艇试用，其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少很多。目前研制的永磁同步电动机最大功率为14MW，转速 150r/min，用于 Siemens 公司和 Schotel 公司联合生产的 SSP吊仓式电力推进系统 7。高转速：超高速电机典型产品如美国通用电气公司早期研制的150k W，转速为 23000r/min 的航空用起动发电机和日本的1000kW，转速为15000r/min 的钐钴永磁同步发电机。超高速电机在旋转时有很大的离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。高效率：永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达15%20%。美国 GM 公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21kg 降低到 4.2kg，体积减少了1/3，而且效率提高了45%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上 8；窦满锋等 9提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电机的设计方法，研制的REPMSM 比相应的异步电机效率提高6.5%，功率因数提高13%，起动转矩提高50% 。在油田抽油机上使用节能效果明显等等。国外提高电动机效率的主要途径是：（1）通过对同步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；（2）采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗；（3）合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；（4）通过改进设计和工艺，降低杂散损耗。国外已开发出高效同步电机。美国提出将电动机推至极限，将生产超高效电动机。我国沈阳工业大学开发的超高效稀土永磁电机效率为94.7% 10。永磁电机的轻型化、微型化、高功能化、专业化、微型化。航空航天产品，电动车辆、数控机床，计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品、电梯等，都对电机提出体积小、重量轻，不同性能侧重点都提出了严格的要求；医疗微型机器、管道检修机器人等等都对微型化电机提出了挑战；宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。已开发的150W、转速3000 r/min，工作在200300高温和哈尔滨理工大学学士学位论文6 -133.3 Pa 真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径 105 mm、长145 610mm，采用高温特性好的 永磁体 8。国外专用电机占有量达80%，217SmCo通用电机占有量占20%，而我国正好相反。专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%，可见专业电机的节能潜力和高功能匹配性。动力传动一体化电机驱动系统对整个动力传动系统（电机、减速齿轮、传动轴）进行一体化建模和控制，构建高性能、高可靠性或高精度的一体化驱动系统。高性能、高档永磁同步电机伺服系统高性能、高档永磁同步电机伺服系统随着我国航空航天、汽车、船舶、电站设备和国防工业等制造业的高速发展，数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显。优化方面如 G. H. Lee 等 11通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力矩波动最小的优化控制；WU Zhihong 等 12通过使用神经网络以速度和力矩作为输入，正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机控制永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷。高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、百格拉，美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司 13。1.3 本文研究主要内容本文主要研究永磁同步电动机的本体设计，先掌握永磁同步电动机的原理，在此基础上对一台 30kW 容量的永磁同步电动机进行设计，并对其电机性能和磁场分布进行仿真分析，具体内容如下：1）论述永磁同步电动机的原理，包括永磁材料的特点，永磁同步电动机的基本电磁关系。2）说明永磁电动机的本体设计，并对一台 30kW 的永磁同步电动机进行设计，包括对永磁同步电动机的永磁体设计，定、转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算和起动性能计算，得出了永磁同步电动机的工作特性表和合成转矩表。3）用 Ansoft 软件的 Rmxprt 模块对永磁同步电动机进行性能分析，得到了永磁同步电动机的功率因数、电流、效率、转矩的特性曲线，分别改变了永磁同步电动机的定子铁心长，每槽导体数和永磁体磁化方向长度，得出这些参数对永磁同步电动机性能的影响。用 Ansoft 软件 Maxwell 2D的瞬态模块进行磁场计算，得到永磁同步电动机的模型、剖分面、转矩曲线和电流曲线，不同时刻的磁力线分布图和磁通密度分布图。哈尔滨理工大学学士学位论文7 -第 2 章 永磁同步电动机的原理2.1 永磁材料2.1.1 永磁材料的概念和性能永磁材料又称“ 硬磁材料”。永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁、矫顽力、内禀矫顽力、磁能积。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度、可工作温度、剩磁及内禀矫顽力的温度系数、回复导磁率、退磁曲线方形度、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。在铁磁材料中，磁感应强度 与外加磁场强度 的函数关系式非常复BH杂， 的变化落后于 的变化，这种现象称为磁滞，用磁滞回线描述，如BH图 2-1，磁滞回线宽的为永磁材料，磁滞回线窄的为软磁材料 14。图 2-1 磁滞回线对同一铁磁材料，以不同的磁场强度 分别进行反复多次反复磁化，mH可得到多个大小不等的磁滞回线，如下图 2-2 所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。哈尔滨理工大学学士学位论文8 -图 2-2 基本磁化曲线2.1.2 钕铁硼永磁材料钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁能积、高矫顽力、高机械强度等优点，但目前尚存在温度系数大和使用温度低等缺点。钕铁硼永磁材料是 1983 年问世的高性能永磁材料 15。钕铁硼永磁的主要成分是 ，是目前磁性能最强的永磁材料。它的最大磁能积可214NdFeB达 ，为铁氧体永磁材料的 512 倍、铝镍钴永磁材料的 310 倍，398J/mk理论值为 ；剩磁可达 1.47T，矫顽力最高可超过 1000kA/m，能57/吸起相当于自身重量 640 倍的重物。由于不含钴且钕在稀土中的含量远高于钐，钕铁硼的价格比稀土钴要低得多。钕铁硼永磁的居里温度低，为310到410 ，温度稳定性较差，剩磁