永磁同步电动机课件

,*,基于ANSYS的永磁同步电动机设计系统,报告人：杨振华,导 师：胡虔生,周建华,单位：东南大学电气工程学院,基于ANSYS的永磁同步电动机设计系统报告人：杨振华,1,主要内容,一、绪论,二、永磁同步电动机的基本理论和设计,特点,三、永磁同步电动机的有限元分析,四、永磁同步电机软件对,ANSYS,的封装,五、永磁同步电动机设计系统,六、样机的设计、制造与实验,七、总结与展望,主要内容一、绪论,2,第一章 绪论,1.1,课题背景及实际研究意义,我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，,效率较低。,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。,永磁同步电动机磁路结构复杂，传统设计方法无,法满足高性能永磁同步电动机的发展需求。,现代计算机技术的发展使得电磁场的研究成为永,磁同步电动机的新方法。,第一章 绪论1.1 课题背景及实际研究意义我国电动机保有量大,3,第一章 绪论,1.2,永磁同步电动机的发展及研究现状,发展：,1831,年出现了世界上第一台永磁电机。,永磁同步电动机是随着永磁体材料的不断发展而发展的。直到第三代稀土永磁材料的问世，永磁电机得到了飞速发展。,研究现状：,国外：,80,年代、,90,年代出现了大量永磁同步电动,机理论和研究方法的文章。,国内：,80,年代起，以唐任远的,现代永磁电机理,论和设计,和李钟明的,稀土永磁电机,为代表。,第一章 绪论1.2 永磁同步电动机的发展及研究现状发展：,4,第一章 绪论,目前来说，国内外对永磁同步电机的研究主要在以下几个方面：,结构设计研究,优化设计,磁场分析计算和数值方法的研究,测试技术的研究,调速系统的研究,第一章 绪论 目前来说，国内外对永磁同步电机的研究主要在,5,第一章 绪论,1.3,永磁同步电动机的设计方法,用于永磁同步电动机电磁性能分析的方法主要有以下三种：,等效磁路法,简单快速，采用大量经验数据或曲线，设计周期,长，精确度不高。,电磁场数值计算法,精度高，占用计算机资源较多，时间较长。,场路结合法,结合了等效磁路法和电磁场数值计算法的优点。,第一章 绪论1.3 永磁同步电动机的设计方法 用于永磁同,6,第一章 绪论,1.4,本文的主要研究内容,本文采用场路结合法，借助于有限元计算软件,ANSYS,和程序设计语言,C+,，编写了一套较完整的永磁同步电动机设计分析软件系统。功能如下：,具有友好的人机界面和方便的数据库管理系统。,具有三种磁路结构的计算方案,建立了,ANSYS,和,C+,设计程序的接口，有效地实现了场路结合法。,提供各种图形和表格供设计人员参考。,本文设计了样机并进行了实验，验证了本设计系统的准确性，同时也积累了工程设计经验。,第一章 绪论1.4 本文的主要研究内容 本文采用场路结合,7,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,2.1 PMSM,的结构特点,按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。,表面式,这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点2.1 PMSM的结构特,8,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种。,凸出式 插入式,特点：隐极，结构简单，成本低，转动惯量小,特点：凸极，磁阻转矩，动态性能好，漏磁大，成本高本低,第二章 PMSM的基本理论和设计特点 表面式转子磁路结,9,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,内置式,按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和混合式三种。,径向式：,漏磁系数小，不需隔磁措施，极弧系数易控制，转子强度高，永磁体不易变形。,切向式：,漏磁系数大，需隔磁措施，每极磁通大，极数多，磁阻转矩大。,混合式：,结合径向式和切向式优点，结构和工艺复杂，成本高。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点内置式,10,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,下图是一种,W,型的混合式转子磁路结构，其永磁体的径向部分和切向部分的磁化长度相等，也采用了隔磁磁桥隔磁。在该结构中，转子可为安放永磁体提供更多的空间，空载,漏磁系数也小，但制造工,艺更复杂，转子冲片的机,械强度也下降。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点 下图是一种W型的,11,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,2.2 PMSM,的稳态性能,相量图,根据永磁同步电动机的电路模型，当电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压方程：,右图为感性去磁作用下的相量图，,稀土永磁同步电动机的额定工作状,态一般都设计在此状态下。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点2.2 PMSM的稳态性,12,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,功角特性,稀土永磁同步电动机的 ，其功角特性与电磁式同步电动机有明显的差异，如下图所示。其凸极效应转矩在,090,范围内呈现负值，最大功角大于,90,，额定功角相对较大，甚至会在原点附近出现一个不可实现的“回环”。,稀土永磁,电磁式,第二章 PMSM的基本理论和设计特点功角特性稀土永磁电磁式,13,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,效率,与电磁式同步电动机相比，稀土永磁同步电动机无励磁铜损耗；与异步电机相比，稀土永磁同步电动机转子无铜损耗。,工作特性曲线,计算出电动机的,E0,、,Xd,、,Xq,和,R1,等参数后，给定一系列不同的转矩角 ，便可求出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机的损耗，便可得到电动机的输出功率,P2,和效率 ，从而得到电动机稳态运行性能（,P,、,和 等）与输出功率,P2,之间的关系曲线，即电动机的工作特性曲线。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点效率,14,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,2.3,设计特点,永磁同步电动机电磁设计的主要任务是确定电机主要尺寸、选择永磁体材料和转子磁路结构、估算永磁体的尺寸、设计定转子的冲片和选择绕组数据，然后利用有关的公式对初始设计方案进行性能校核，调整电动机的某些设计参数，直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。,主要尺寸及气隙长度的选择,由电动机的功率和转速可选定电动机的 ，然后凭经验选取一定的主要尺寸比 ，得出电动机的主要尺寸。,气隙长度参照相同规格或近似规格的感应电动机的气隙长度，并加以适当的修改。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点2.3 设计特点,15,第二章,PMSM,的基本理论和设计特点,定转子槽数选择,定子槽数选择原则与感应电动机相同，转子槽数通常被选定为电动机极数的整数倍。,转子设计,设计时应根据待设计电动机的具体性能指标按照不同转子磁路结构的特点选，或者研究、开发新的转子磁路结构。,永磁体设计,磁化方向长度,hM,：从成本和退磁考虑。,宽度,bM,：从空载漏磁系数和电动机磁负荷考虑。,绕组设计,可参考普通交流电动机的绕组设计，绕组匝数和线规可根据电动机的电磁负荷、定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定。,第二章 PMSM的基本理论和设计特点定转子槽数选择,16,第三章,PMSM,的有限元分析,3.1,运用,ANSYS,进行有限元分析,应用,ANSYS,对样机进行有限元分析时，需要永磁同步电动机的几何尺寸（定转子内外径、槽型、气隙等）、转子磁路结构、铁心材料（硅钢片的磁化曲线）、永磁体参数（磁导率、矫顽力等）等主要的参数。,应用,ANSYS,进行有限元分析，主要包括以下三个步骤。,前处理,整个前处理都是在,Main Menu,的,Preprocessor,中完成的。,定义物理环境：,包括坐标选用、单位制设定、有限元单元选用等。,第三章 PMSM的有限元分析3.1 运用ANSYS进行有限元,17,第三章,PMSM,的有限元分析,定义材料属性：,气隙定义为空气；槽与转轴定义为铜；定转子冲片选用,DW510-50,硅钢片；永磁体采用钕铁硼,NTP264,，,Br=1.12T,，,Hc=820kA/m,。,建模：,创建一个模型的顺序是由点到线、由线到面。,槽的建立是电机建模的重要部分。为了使建立的模型更通用化，要根据槽型确定其各个关键点相对于电机轴中心的逻辑位置。,转子磁路结构的建立是整个电机建模的关键部分。本设计系统包含,3,种磁路结构：表面型、,U,型和,W,型转子磁路结构。根据每种结构的特点以及永磁体相对于电机轴中心的逻辑位置，分别建立一组关键点公式，从而完成转子磁路结构的建立。,第三章 PMSM的有限元分析 定义材料属性：气隙定义为空气,18,第三章,PMSM,的有限元分析,样机采用的是,U,型永磁体的转子磁路结构，其整个模型如下图所示。,第三章 PMSM的有限元分析 样机采用的是U型永磁体的转,19,第三章,PMSM,的有限元分析,赋予模型属性：,把之前定义的各个材料的属性赋予模型中相应的面。,剖分网格：,ANSYS,具有强大的网格剖分能力，样机采用了自由剖分。,加载和求解,这部分的工作在,Main Menu,的,Solution,中完成。,首先需要对模型施加边界条件（即第一类边界条件、第二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）。将定子外侧表面取为第一类边界条件，即,Az,取为,0,。永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励。在命令输入窗口中输入命令,magsolve,就可以进行求解了。,第三章 PMSM的有限元分析 赋予模型属性：把之前定义的各,20,第三章,PMSM,的有限元分析,后处理,ANSYS,有两个结果后处理器：,POST1,和,POST26,，本文采用,POST1,，它是通用后处理器，可以观看整个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载荷组合时的结果。,常用的图形显示选择有：等位线绘图,Contour Plot,，矢量绘图,Vector Plot,、磁力线,Flux Lines,。,第三章 PMSM的有限元分析后处理,21,第三章,PMSM,的有限元分析,通过,ANSYS,对电磁场的有限元分析，可以准确地获得电机内磁场的分布，并求出电机的各种计算系数，如漏磁系数、极弧系数等等。,气隙磁通,在,ANSYS,中，可以通过,宏命令,FLUXV,求出在一个极,距路径上的气隙磁通,(,单位,轴向长度,),。,如右图所示。,3.2,运用,ANSYS,计算主要参数,第三章 PMSM的有限元分析 通过ANSYS对电磁场的,22,第三章,PMSM,的有限元分析,空载漏磁系数,两点间标量磁位的绝对值之差就是通过单位轴向长度内两点间的磁通量，根据空载漏磁系数的定义，其永磁体空载时的总磁通,与进入电枢的气隙主磁通,0,之比，即,。,式中，,A1-A8,是节点,1-8,处,的磁位值。,第三章 PMSM的有限元分析空载漏磁系数式中，A1-A8是节,23,第三章,PMSM,的有限元分析,计算极弧系数,计算极弧系数可以定义为气隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。,结合,ANSYS,对样机,磁场的分析，一个极,距范围内分布的空载,磁场气隙径向磁通密,度如右图所示。,第三章 PMSM的有限元分析计算极弧系数,24,第三章,PMSM,的有限元分析,交直轴电枢反应电抗,当定子中通入三相对称电流时，即,令,t=0,时刻电机的,A,相绕组轴线,与转子,q,轴轴线重合，则三相电,流产生的电枢反应磁势与,q,轴有,一固定角,90-,，如右图所示。,以直轴电抗为例，当,=0,时，此时的电枢反应磁势只有,d,轴分量，在,ANSYS,中根据槽面积并加载三相定子电流密度，得到直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密分布图。,第三章 PMSM的有限元分析交直轴电枢反应电抗 令t=0时,25,第三章,PMSM,的有限元分析,直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密分布图如下图所示。,第三章 P