（电机与电器专业论文）外转子永磁同步电动机及计算机辅助设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r sw i t h e x t e r n a lr o t o r sa n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a n d i d a t e ：z h a oj u a n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gk a i s h e n g j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，pr c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 外转子永磁同步电动机是一种转子在外，定子在内，永磁材料放置在转子上 的永磁同步电机。经过近2 0 年的发展，尤其是高性能永磁材料钕铁硼的发展和应 用，永磁同步电动机越来越受到关注。外转子永磁同步电动机既具有永磁同步电 动机效率高、功率密度大、成本低、节能效果好等优点，又具有与同体积内转子 永磁同步电动机相比又具有转子直径长，转动力臂大的优点，且外转子永磁同步电 动机定子直径小，定子绕组端部接线短，省铜线，减少电动机的发热量，减小转 子损耗，从一定程度上提高电动机整体效率。 外转子电机主要应用于驱动吊扇、曳引机和电动车等，最近也应用于驱动小 功率风力发电机。目前国内外对外转子电机的研究甚少，但作为一种结构特殊和有 专门用途的小功率电机，外转子电机有较好的发展前景，很有必要研究和开发外 转子电机。 目前有关电机设计的书籍、手册和文献资料甚少涉及到外转子电机这种特殊 结构的电机，所以几乎没有成熟的可供借鉴的外转子电机的设计，这就需要开发 人员针对它的特殊结构自行推导外转子电机的电磁计算公式，并编写设计程序， 实现外转子电机的设计，并与已有设计程序对比，对已有设计程序进行补充完善。 本文介绍了研究外转子永磁同步电动机( e x t e r n a lr o t o r sp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r s ，e r p m s m ) 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 系统的目的和意义以及国内外的发展现状，阐述了电机c a d 技术的特点及其研究 内容。本文完成的工作主要包括：讨论了外转子永磁同步电动机与内转子永磁电 机结构的不同之处，介绍了外转子永磁同步电动机转子轭磁压降、计算极弧系数、 定子谐波漏磁导等具体参数的计算方法，在此基础上整理和推导了外转子永磁同 步电动机电磁计算的公式，并编写了外转子永磁同步电动c a d 程序，开发出c a d 系统。系统采用b o r l a n d 公司推出的一种面向对象的可视化编程工具c + + b u i l d e r6 0 开发完成，基于工程数据库管理，采用模块化结构设计。最后通过一个2 0 p 、1 6 8 k w 的外转子永磁同步电动机的设计实例，将该c a d 系统设计结果与前人设计的c a d 系统设计结果进行了比较，证明了该c a d 系统设计结果的可靠性和准确性。所设 广东工业大学工学硕上学位论文 计f l 勺c a d 系统将成为少有的专用于外转子永磁同步电动机设计的软件。该c a d 系 统集电机电磁设计、电机设计方案与电机特性曲线输出为一体，界面友好，操作 更加方便快捷，能有效地辅助电机设计人员进行e r p m s m 的电磁设计。 关键字：外转子；永磁同步电动机；c + + b u i l d e r6 0 ；计算机辅助设计；参数计算 i l a b s t r a c t a bs t r a c t e x t e r n a lr o t o rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( e r - p m s m ) a r ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) w h o s ep e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sa r ei nr o t o r s ， a n d 晰t hs p e c i a ls t r u c t u r e e x t e r n a lr o t o r s ，i n t e r n a ls t a t o r s a f t e rn e a r l y2 0y e a r so f d e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fh i l g hp e r f o r m a n c en d f e bp e r m a n e n t m a g n e t i cm a t e r i a l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s ，p m s mo b t a i nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n e r - p m s mn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fp m s m ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , p o w e r d e n s i t y , l o wc o s ta n dg o o de n e r g ys a v i n g ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fl o n g e rr o t o r d i a m e t e ra n dl a r g e rr o t a t i n ga r m w h a ti sm o r ee r p m s mh a ss m a l l e rs t a t o rd i a m e t e r , s h o r t e rw i n d i n gs e c t i o n ，s a v i n gc o p p e r , l e s sm o t o rh e a ta n dr o t o rl o s s e sc o m p a r e dt o t h es t a t o rr o t o rp m s mi nt h es a l t l ev o l u m e i ti st os o m ee x t e n t ，i m p r o v i n gt h eo v e r a l l e f f i c i e n c yo fe l e c t r i cm o t o r s n o w , e x t e r n a lr o t o rm o t o r sa r em a i n l yu s e di nh o m ec e i l i n gf a n s ，i n d i v i d u a la i r m a c h i n e sa n de l e c t r i cc a r s ，a n di th a sn o ty e tb e e nf u l l yu t i l i z e d ，s ot h e r ei sl i t t l e r e s e a r c h b u ta sas m a l lp o w e rm o t o rw i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o na n ds p e c i a lu s i n g ， t h e r ei s g o o dp r o s p e c t i nd e v e l o p m e n t s oi ti s n e c e s s a r yo fr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n ge x t e r n a lm o t o r t h e r ea r ef e wm o t o rd e s i g nb o o k sa n d d o c u m e n tl i t e r a t u r e sa b o u te x t e r n a lr o t o r m o t o r s t h e r ei sn om a t u r er e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ge x a m p l eo fe x t e r n a lr o t o rm o t o r s t h ed e v e l o p e ri sr e q u i r e dt od e r i v ee x t e r n a lr o t o rm o t o rd e s i g n i n gf o ri t so w ns p e c i a l s t r u c t u r ea n dc o m p i l ep r o g r a m ，c o m p a r ew i t ht h e e x i s t i n gd e s i g np r o c e s s ，a n d c o m p l e m e n te x i s t i n gd e s i g np r o c e d u r e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep u r p o s ea n dc u r r e n td e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a do f e r - p m s mc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s y s t e m i td e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o t o rc a dt e c h n o l o g ya n dt h e r e s e a r c h i n gc o n t e n t s t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e ne r p m s wa n dc o n v e n t i o n a lm o t o r , a n dp r o p o s e sm e t h o d st o c a l c u l a t ep a r a m e t e r so fe r - p m sw ，s u c ha s f jl ，a n de s t h ee r - p m s m i i i 广东工业大学工学硕上学位论文 e l e c t r o m a g n e t i cc a l c u l a t i o nf o r m u l aa n da ne r - p m s mc a ds y s t e ma r ew r i t t e nb a s e d o l lt h a t ac a ds y s t e mw h i c hi s u s i n gc hb u i l d e r6 0 i sd e v e l o p e db a s e d0 1 1 w i n d o w s t h r o u g ha ne x a m p l eo f2 0 p , 16 8 k we r p m s w , t h ec a ds y s t e md e s i g n r e s u l t sa n dp r e d e c e s s o r sd e s i g nc a ds y s t e md e s i g nr e s u l t sa r ec o m p a r e d ，a n dt h e r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ec a ds y s t e mi sp r o v e d t h ec a ds y s t e mw i l lb eo n e o ft h ed e s i g n i n gs o f t w a r ew h i c hi sd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yf o re r - p m s m t h ec a d s y s t e mc o m b i n e se l e c t r o m a g n e t i cm o t o rd e s i g n i n g ，m o t o rd e s i g n i n ga n dm o t o ro u t p u t f o rt h ew h o l ec u r v e ，u s e r - f r i e n d l y , a n di tc a ns u p p l ym o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t o p e r a t i o n ，a n de f f e c t i v e l ya s s i s tm o t o rd e s i g n e r st od e s i g ne r p m s me l e c t r o m a g n e t i c d e s i g n k e y w o r d s ：e x t e r n a lr o t o r ；p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ；c 抖 b u i l d e r6 0 ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) ；p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论：1 1 1 永磁同步电机的发展概况2 1 1 1 永磁材料的发展2 1 1 2 永磁电机的发展2 1 2 外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势4 1 2 1 永磁同步电动机的发展现状及趋势4 1 - 2 2 外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势4 1 3 外转子永磁同步电动机c a d 技术研究5 1 3 1 电机c a d 技术的意义5 1 3 2 电机c a d 技术的发展6 1 3 3 电机c a d 技术的特点7 1 3 4 外转子磁同步电动机c a d 系统研究的内容与意义8 1 4 本论文研究的主要内容9 第二章外转子永磁同步电动机的结构特点和设计1 0 2 1 外转子永磁同步电动机的结构特点1 0 2 1 1 外转子起动永磁同步电动机的结构1 0 2 1 2 外转子起动永磁同步电动机的特点1 2 2 2 外转子永磁同步电动机的设计1 3 2 2 1 外转子永磁同步电动机的设计思想1 3 2 2 2 外转子永磁同步电动机电磁设计1 4 v 广东t 业大学- t 学硕 学位论文 2 3 本章小结2 5 第三章外转子永磁同步电动机c a d 系统的总体设计2 6 3 1c + + b u i l d e r6 0 的新特性2 8 3 2 电机c a d 系统设计原则一2 6 3 3c a d 系统介绍2 9 3 4 系统功能介绍3 2 3 5 本章小结3 3 第四章外转子永磁同步电动机c a d 系统设计实例3 4 4 1c a d 系统登陆界面设计3 5 4 2c a d 系统主界面设计3 6 4 2 1 电磁设计窗口3 6 4 2 2 特性曲线窗口3 8 4 2 3 中间计算变量窗口3 9 4 2 4 报表输出窗口4 0 4 2 5 帮助窗口4 1 4 3c a d 系统可靠性验证4 2 4 4 本章小结4 3 第五章c a d 系统设计新老方案对比4 4 5 1 电机参数对比4 4 5 1 1 转子轭磁压降的计算4 4 5 1 2 计算极弧系数的计算4 4 5 1 3 定子谐波漏磁导的计算4 5 5 2 电机主要性能参数对比4 6 5 3 本章小结4 7 总结与展望4 8 参考文献5 0 攻读硕士期间发表的论文5 2 v i v i i 广东工业大学- t 学硕上学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i l l c o n t e n t s v c h a r p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1d e v e l o p m e n to f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s 2 1 1 1d e v e b p m e mo f p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l 2 1 1 2d e v e l o p m e n to f p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s 2 1 2d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f e r - p m s m 4 1 2 1d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f p m s m 4 1 2 2d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f e r - p m s m 4 1 3m a i np r o b l e m sa b o u tt h er e s e a r c ho f e r p m s m 5 1 3 1s i g n i f i c a n c eo f m o t o rc a d 5 1 3 2d e v e l o p m e n to f m o t o r c a d 6 1 3 3c h a r a c t e r i s t i co f m o t o rc a d 7 1 3 4s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n to f e r - p m s mc a d 8 1 4m a i nc o n t e n t so f p a p e r 9 c h a r p t e r2d e s i g na n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fe r - p m s m 10 2 1s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f e r - p m s m 1 0 2 2 1s t r u c t u r a lo f e r p m s m 。l o 2 2 2c h a r a c t e r i s t i c so f e r p m s m 1 2 2 2d e s i g n o f e r p m s m 1 3 2 2 1 i d e ao f d e s i g n i n ge r - p m s m 1 3 2 2 2e l e c t r o m a g n e t i s mo f e r p m s m ：1 4 2 3s u m m a r y ：1 5 c h a r p t e r3d e s i g no fe r p m s m c a ds y s t e m 2 6 3 1n e wc h a r a c t e r i s t i c so f c + + b u i l d e r 6 0 2 6 v i i i 4 1l a n d i n gi n t e r f a c eo fc a ds y s t e m 3 5 4 2m a i ni n t e r f a c eo f c a ds y s t e m 3 6 4 2 1i n t e r f a c eo f e l e c t r o m a g n e t i s m 3 6 4 2 2o u t p u to f c h a r a c t e r i s t i cr o u t e s 3 8 4 2 3r e s u l to f a l lv a r i a b l e 3 9 4 2 4o u t p u to f r e p o r t 一4 0 4 2 5 h e l p 4 1 4 3c o m p r e s s i o nb e t w e e nc a dr e s u l ta n dt e s tv a l u e 4 2 4 4s u m m a r y 4 3 c h a r p t e r5c o m p r e s s i o nb e t w e e nn e w a n do l dc a d s y s t e m 4 4 5 1c o m p r e s s i o n o f m o t o r p a r a m e t e r s 4 4 5 1 1c a l c u l a t i o no f f j l 4 4 5 1 2c a l c u l a t i o no f 口f 。4 5 5 1 3c a l c u l a t i o no f s 4 6 5 2c o m p r e s s i o no f m a i np e r f o r m a n c em o t o rp a r a m e t e r s 4 6 5 3s u m m a r y 4 7 c o n c l u s i o n 4 8 r e f e r e n c e s 5 0 p a p e rp u b l i s e d 5 2 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 4 a n n e x ! ；! ； i x 高效率的电动机是节能技术的必需要求。传统的三相鼠笼异步电动机是全球应用 最广泛的电动机，但由于其高损耗、低功率因数和低效率的缺点，使异步电机受 到严峻的挑战，如美国能源部已禁止生产高损耗的鼠笼式异步电动机。在我国， 目前三相异步电动机是生产机械最主要的原动机，其用电量占全国总用电量2 0 以上，这些电动机拖动9 0 以上以电为能源的运动机械。根据国家经贸委的初步测 算，我国企业能源和原材料消耗占企业成本的7 0 左右，主要产品的单位耗能比国 外先进水平高3 0 9 0 。若降低一个百分点，就可带来节约成本1 0 0 亿元的惊人效 益。我国如何面对这一挑战? 一方面需要提高我国石油生产量，另一方面需要提 高能源的利用效率。从“可持续战略的角度来讲，后者更为重要。要提高使用 效率，重要的一点是大力发展我国的高科技节能技术和产业r ，】，而且我国是世界第 一稀土大国，稀土的总储量约占全球稀土资源的8 0 ，钱学森院士曾指出：“中国 应该打好稀土这张牌。社会主义中国一定可以成为世界稀土的领头人，犹如南非 是金刚钻的霸主 2 1 。高效节能“稀土永磁同步电动机 就是在这种背景下得到 越来越多的发展和应用。 永磁同步电动机不需电流励磁，不设滑环和电刷，体积小、重量轻、功率因 数高、效率高、节能效果明显。外转子永磁同步电动机是一种转子在外定子在内 的永磁同步电动机。其既具有永磁同步电动机转子损耗小，定子激磁电流小，力 能指标高、易于调速和节能效果好的优点，又具有转动惯量大、节省铜线、在不 稳定负载下电动机的效率和输出功率高的优点，其功率因数可达9 9 ，效率达9 1 以上。因此，外转子永磁同步电动机的设计也备受关注。 电机设计是电机产品开发生产的重要阶段，准确可靠的电机设计是生产高性 能电机的前提和保障。电机计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术 是指电机设计人员通过“人机界面与计算机进行“人机对话”式电机设计。电 广东t 业大学t 学硕士学位论文 机c a d 系统充分发挥计算机计算能力强、运算速度快及拥有逻辑判断功能等优势， 使电机设计以数学模型为基础，利用计算机软、硬件的条件，结合电机设计人员 的设计经验和综合分析能力，辅助设计人员进行电机设计，达到缩短电机设计周 期、降低设计成本、提高电机设计的可靠性【3 】。 1 1 永磁同步电机的发展概况 随着对稀土永磁体等永磁材料研究的进一步加深，永磁材料的性能不断得到 提高，永磁发电机的性能也不断得到改善，其应用场合遍及航海、航空航天、计 算机、汽车、工业机器人、新型医疗设备、自动化仪表、纺织机械、油田矿山等 工业部门，目前已发展成为一个具有相当规模的产业群体。下面分别介绍一下永 磁材料和永磁发电机的发展历程。 1 1 1 永磁材料的发展 现有的永磁材料可分为铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。铝镍钴是2 0 世 纪3 0 年代研制成功的永磁材料，虽然它具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点， 但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大 限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其 最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，它的不足就是剩磁感应强度和磁能积 都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感 应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。8 0 年代初钕铁硼稀土永磁 材料出现，它具有高的剩磁感应强度、矫顽力及磁能积，这些特点特别适合在电 机中使用。它的不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈从而需要涂处理。 经过这几年的不断改进提高，这些缺点大都已经克服，现在钕铁硼永磁材料最高 的工作温度己可达1 8 0 。c ，一般也可达1 5 0 。c ，满足绝大多数工业和民用电机的使 用要求【2 】。 1 1 2 永磁电机的发展 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。稀土永磁同步电 2 第一章绪论 动机体积小、重量轻、功率因数高、效率高、节能效果明显，因此成为现今工业 用电机( 特别是用电大户如纺织、煤矿、石油、机床、汽车等行业) 的理想选择。 当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构c 引。 据资料显示：美国g e 公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动 机，德国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良 好的永磁同步电动机，七十年代后期就生产出了3 0 千瓦的电机。日本明电舍公司 在六十年代后期就己有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就 研制出高速的永磁同步电动机。在我国，对永磁同步电动机的研究，上海微电机 研究所、西安微电机研究所、沈阳工业大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学， 合肥工业大学等单位取得了许多研究成果。 目前，永磁电机的发展趋势有两个新特点：一方面，向大功率化( 高转速、高 转矩) 、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量己超过 1 0 0 0 k w ，最高转速已超过3 0 0 0 0 0 r m i n ，最低转速低于0 0 1 r m i n ，最小电机的外径 只有0 8 m m ，长1 2 m m 。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工 艺和控制技术等方向的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果 大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研 究方法和计算机辅助设计软件。同时，在永磁电机发展的过程中，我国在永磁电 机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面都取得了很大的成就。比 如，沈阳工业大学唐任远教授编著的现代永磁电机理论与设计一书，不仅详 细阐述了永磁电机设计和运行中的基本概念和基本原理，而且反映了永磁电机发 展过程中的新技术、新成就和新的应用动态。这些都说明我国在永磁电机的研究 方面已居于世界前歹l j t 3 l 。 我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，稀土 矿石和稀土永磁的产量均处于世界前列，“稀土不稀”。因此，充分发挥我国稀 土资源丰富的优势，积极促进稀土永磁材料和稀土永磁电机研究的进一步发展对 实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 广东工业大学工学硕上学位论文 1 2 外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势 1 2 1 永磁同步电动机的发展现状及趋势 稀土永磁同步电动机具有：稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波，无 铁、铜耗；稀土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率 因数可达到或接近于1 o ；稀土永磁电动机在轻载时的相当宽的区域内效率为最高 等优点。采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达8 5 ；有功功率节电率 可达2 3 2 5 ，节电效果十分明显。国内外利用稀土永磁材料进行稀土永磁同步 电动机的开发己经有2 0 多年的历史。1 9 7 8 年，法国的c e m 公司研制的i s o s y n 系列0 5 5 18 5 k w 稀土钴同步电动机，效率比一般的异步电动机高2 8 ，功率 因数提高o 0 5 0 1 5 。我国在稀土永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就， 先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机以及化纤机械、机泵类等多种规格 和型号的稀土永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。8 0 0 w 纺织专用稀土永磁 同步电动机是国内第一台研制成功的稀土永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率 因数高达0 9 5 ，节能率高达1 0 以上，已经进行生产并取得了很好的经济效益。 我国已研制成最大容量为1 1 0 k w 和2 5 0 k w 的稀土永磁同步电动机。 永磁同步电动机与异步电机相比，也有结构复杂、成本较高、起动困难等缺 点，但是随着钕铁硼等高性能永磁材料的发展，稀土永磁同步电动机必将在结构 上更加精巧，性能上更加优越，应用将更加广泛。 1 2 2 外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势 外转子永磁同步电动机是一种转子在外定子在内的永磁同步电动机。其既具 有永磁同步电动机转子损耗小，定子激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能 效果好的优点，又具有转动惯量大、节省铜线、在不稳定负载下电动机的效率和 输出功率高的优点，其功率因数可达9 9 ，效率达9 1 以上【s 】。 但是目前国内外对外转子永磁同步电动机设计的研究甚少，本文对于研究外 转子永磁同步电动机的设计有一定的借鉴和参考意义。 外转子永磁电动机可应用于电动汽车，其特点是：高效率、高能量密度、可 4 第一章绪论 以实现电动汽车轮毂驱动。由于此种电动机采用永磁材料，无需电流励磁，不设 电刷和滑环，因此结构简单，可靠性高。又因无励磁损耗及电刷之间的摩擦损耗 和接触电损耗，所以可以大大提高电动汽车用电动机的效率。且永磁材料的高磁 能积和高矫顽力，使得永磁电动机具有体积小、重量轻等优点，从而可以提高电 动机的功率密度。另外由于其特殊的外转子结构，使其可以直接装入车轮，实现 电动汽车的轮毂驱动，可以省去电动汽车的绝大部分的机械传动部件，同时可以 实现电动汽车四轮驱动，非常适合电动汽车驱动。图1 1 为电动汽车用外转子永 磁同步电动机实物图f s 】。 * c 镕琵么渤；。施。蝮。镕。磁。二。龇。幺。 图1 1 电动汽车用外转子永磁电动机 f i g 1 - 1e x t e r n a lr o t o rp m s mi ne l e c t r i cv e h i c l e 1 3 外转子永磁同步电动机c a d 技术研究 1 3 1 电机c a d 技术的意义 电机c a d 是c a d 技术在电机设计领域的具体应用。电机设计活动是一项复杂 的脑力劳动，设计中包含了三个不同层次的智力活动： 1 原则和技术要求的决策，这是设计工作最高层次的指导。 5 广东工业大学丁学硕士学位论文 2 设计方案的规划，是关系到设计方案的质量高低，是设计工作的核心。只有 熟悉电机设计理论，并有丰富试验经验的设计者才能出色地完成。 3 常规的计算和作图，这是常规性和程序性的，也是最繁琐、最费时的。这里 正是计算机介入的突破口。 对涉及活动的三个层次的分析可以看到，沿袭至今的电机设计方法让受过专 业训练的设计者把主要精力和大部分时间消耗在低层次的计算和作图上，而对方 案规划投入的力量却很少，至于更高层次的设计活动就更没有考虑的余地了。这 种不合理的情况主要源于设计工具和手段的落后，在电机c a d 技术出现后，才把 设计者从简单繁琐的劳动中解脱出来，更多的考虑电机的性能和电机的优化设计。 国内外的实践经验都证明了电机c a d 技术必将为广大工业企业创造巨大的经 济效益，成为他们增强竞争能力，加快经济发展的有力保证【7 】。 1 3 2 电机c a d 技术的发展 电机c a d 在机械工业中，除了最早开拓的飞机和汽车制造行业以外，电机工 业也是采用c a d 技术最早的行业之一。自五十年代后期，美国西吴学大公司就开 始采用计算机进行电机的设计计算。而其他较著名的公司，如美国的g e 公司，英 国的l u s s 公司，日本的三菱株式会社，其中大部分电机都是在c a d 、c a m 、c a t 系统中开发的。大大增强了其产品的国际竞争能力。 我国电机c a d 起步较晚，但近几十年来发展较快。国内的一些高校和研究机 构也陆续开发出了一批电机c a d 软件，其中也包括二、三维交互绘图、有限元分 析、特性计算等功能，也有一些引入专家系统等智能化概念，同时也建立了一些 较好的算法模型，获得了较好的成果。然而，从整体来看，我国电机c a d 的研究 仍处于起步阶段，尤其在实际应用方面欠缺甚多。这是因为开发单位缺少将软件 系统作为商品推向市场的意识，产品不能通用，开发效率低。另外，开发研究机 构与工厂企业沟通少，所以很多软件还只能在理论上纸上谈兵，不能用于工程实 际【8 】。 近年来，由于w i n d o w s 视窗化软件的普及推广，尤其是c + + 、v i s u a lc + + 及 c + + b u i l d e r 的快速发展，基于w i n d o w s 环境平台上运行的可视化电机设计系统也 应运而生。电机设计c a d 系统的智能化、可视化、实用化及集成化，是今后发展 6 第一章绪论 的必然趋势。 1 3 3 电机c a d 技术的特点 c a d 系统有许多类型，但基本上可以分为三种：计算型、交互型和检索型。 而电机c a d 有别于c a d 的主流形式，是一种以计算型为主的类型。这是由于描 述电机机电能量转化有确定的数学模型。但是，电机设计是一个性能要求复杂、 多参量计算的系统，因而电机c a d 的特点有【s 】： 1 利用计算机的快速度和高精度，反复求解电机的多参量、非线性、不定隐 式方程，并多方分析、修改，提高电机参数分析计算的精度，辅助设计人员快捷、 准确地找出最佳方案。 2 继承各种经验参数、曲线，用图表表示关键性能指标，为设计人员提供有 效、方便的专家型帮助。 3 c a d 环境简明实用，通用性好，并能充分体现设计人员的设计意识，尽量 大的发挥设计人员的创造力。电机c a d 系统一般应具有科学计算、图形处理和数 据库三大基本功能。图1 2 电机c a d 系统构成流程，其中： ( 1 ) c a d 系统的科学计算建立在计算机强大的计算能力和储存能力上，可以 完成设计中提出的各项计算问题。电机的分析核算、有限元分析、综合计算以及 优化设计等。 ( 2 ) c a d 系统的图形处理是指运用计算机的输入、输出设备，进行图形的生 成、变化、分析等工作。电机的图形处理主要是生成和绘制电机的各种特性曲线 等。 ( 3 ) c a d 系统数据库是计