电科电子档科技学院20届

第一 绪 永磁电机及其分 永磁电机的发展及应 永磁电机的分 永磁材料的性能及种 永磁材料的主要性能参 永磁材料的种 永磁电机的控制方 课题研究意 第二章设计原 ANSYS介 ANSYS的简 ANSYS对磁场分析的基本步 ANSYS在使用须注意的问 ANSYS理论以及在电磁仿真中的应 电的基本结构及其工作原 第三 永磁电机控制系统模型建立及分 三相坐标系的永磁电机数学模型建 永磁电机的矢量控 坐标变 电流控制/最大转 电压、电流限 电流解祸补偿模 永磁电机控制系统模型的建 永磁材料的确 第四章永磁电机ANSYS仿 仿真电机的介 ANSYS仿真前的设 仿真结 参数得计 第五章总 参考文 致 诚信责任 基于ANSYS永磁电机的设计与仿开发和研究新型的高效节能永磁电，降低用电设备的耗电量，不仅符合国家的宏观，而且具有良好的社会和经济效益。本文首先介绍了ANSYS电磁场在永磁电机磁场分析中的应用由于该的方便性和灵活性，使得电磁场分析变得相当简单。所以本文在电机仿真中也采用该。于三相坐标系的数学模型在此基础上详细阐述了定子电流矢量的最优控制最后，最后，利用ANSYS对永磁电机控制系统模型进行了仿真，仿真模：ANSYS；永磁电机；仿真TheDesignandSimulationofPermanentMagnetMotorBasedonANSYSSoftwarePermanentmagnetmotorisapromisingenergyefficientpowerunit,itiswidelyusedinindustrialproductionandmanyfieldsinourdailylife.Underthebackgroundofenergyconservationandemissionreductionwhichisenergeticallyadvocatedinourcountry,thedevelopmentandresearchofnewenergy-efficientpermanentmagnetmotorreducestheconsumptionofelectricalequipment,itisnotonlyconformtothenationalmacropolicyorientation,butalsohasgoodsocialandeconomicbenefits.ly,thispaperintroducestheapplicationofelectromagneticysissoftwareANSYSinpermanentmagnetmotormagneticfieldysis.Owingtotheconvenienceandflexibilityofthissoftware,electromagneticfieldysisbecamequitesimple.Sothispaperalsousesthissoftwareinmotorsimulation.Secondly,inthispaper,permanentmagnetmotorcontrolsystemastheresearchobjecttostudy,at,thispaperyzesandestablishespermanentmagnetmotorbasedonmathematicalmodelofthree-phasestaticcoordinatesystem,onthebasisofittoexplaintheoptimalcontrolmethodofstatorcurrentvectorandthetechnologyprincipleandrealizationmethodofvoltagespacevectormodulation(SV).etc.Finally,makinguseofANSYSsoftwaretosimulatethemodelofpermanentmagnetmotorcontrolsystem,thesimulatingmodelusessimplerandmoreuniversalDCmotormodel,throughtheysisandcalculationofsimulationresultstooptimizethedesignparametersofpermanentmagnetmotor.Keywords:ANSYSsoftware,Permanentmagnet第一 绪永磁电机及其分18211831年法拉第在发现电磁感应现象之后，利用电磁感应原理发明了世界上一个简单的永磁振荡电模型。1832年斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电进行了改进制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电同年，法国人发明了一台永磁交流发电机。以上电机均是采用磁铁建立磁场的由于当时磁铁是用磁性能很低的天然磁铁矿石做成的，造成电机体积庞大、性能较差。1845年英国的惠斯通用电磁铁代替磁铁，并于1857年发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的新。由于电励磁方式能在电机中产生足够强的磁场，使电机体积小、7020了永磁电机的发展。1967年钐钴永磁材料的出现，开截了永磁电机发展的新纪要求高性能而价格不是主要因索的高科技领域。208061.1MW、230r／min、45kN·m步电，ABB公司生产的用于舰船推进的1．5MW永磁同步电和德国AEG研制的用于调速系统的3.8MW、4极永磁同步电是国外稀土钴永磁电机的代1983负载时的效率相比同规格的感应式异步电可提高2％~8％，且它在磁同步电应用比较成功的例子。这类永磁电机通常在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，因而称为异步起动永磁同步电。对于100kW~1000kW的大功率同步电动枧来说，异步起动永磁嗣步电省去了励柜对比电励磁同步电不仅提高了效率简化了结构而且成本增加不多，0.9160.15kg／kW。由变频器供电的无刷直流和调速永磁同步电加上转子位置闭环控制系统后在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机设备和家用电器电)等在电动汽车、计算机、航天工程和要求精确定位控制的场合都得到了300000r／min，最低转速低于0.01r／min，最小电机外径只有0.8mm，mmu[1-3]常规的旋转永磁同步电可以分为以下4类：永磁(有刷)直流电、异步起动永磁同步电、永磁无刷直流电和调速永磁同步电。永磁(有刷)直流电与普通直流电相比结构上取消了励磁绕组和磁微型承磁(有刷)直流电。7K磁无刷直流电和调速永磁同步电在结于前者是由方波电流驱动的永磁无刷电而后者是由正弦波电流驱动的永磁动永磁同步电的特点是转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心能自调速永磁同步电的定子一般采用三相对称的分布式短距绕组以得到接和噪声。调速永磁同步电的转子结构形式多样，主要有永磁体表面凸出式、表面式和内置式三种结构。如图1.1所示。在永磁体采用稀土永磁材料的情况下，由于该材料的相对回复磁导率接近于空气的磁导率，因此图1.1(a)所示 永磁直线同步电是永磁同步旋转电在结构上的拓扑相应地也可以和调速永磁直线同步电永磁材料的性能及种象限部分描述永磁材料的特性，称为退磁曲线[4-5]1.21.2

（1-0式中=410-7H/mH/mMA/mB的0H和磁化后产生的分量0M0MBi表示。由式0BiB

（1-Bif(H称为内禀退磁曲线。BrB，HHcHcBiHcjHcHcjHcj更能表1.2BD代表一个磁状态该点B和H乘积代表了该磁状态下永磁体所具有的磁场能量密Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积，用BH表示。最大磁能积回复磁导率:当永磁体处于外加磁场中时，工作点A时，工作点不是沿着退磁曲线变化，而是到一个新的位置A'，如图1.2所示

tan

（1-rec0的比值称为相对回复磁导率r表示。若退磁曲线为直线，则温度系数表示。在永磁体允许的工作范围内，其所处环境温度每变化1C，剩余度系数，分别用Br和Hc表示。温度系数表征了永磁材料的温度稳定性。度Tc。在临界温度以上时，由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是无序1000h5％的最高保温温度，称退磁曲线的拐点:铁氧体退磁曲线的上半部分为直线例如NdFeB稀土永25001920料分类如下VVVF控制方式是电常见的控制方法，它是一种开环的控制方式，不直1.31.5研究意电作为一种机电能量转换装置已经广泛的应用于国民经济的各个领域生活的诸多领域都得到了广泛应用。在环境、全球变暖，同时世界能源价格高启的宏观背景下，我国正大力推进节能减排工作的实施，开发和研究新型的高效节能永磁电提高永磁电机的性能不仅具有良好的社会和经济效益，而且符合国家的宏观。85%以ANSYS介ANSYS的简ANSYSJohnSwanson博士创办于1970年，着力于计算机模拟工程应用商业化的公司。30多年来，ANSYS的这些特点使其在世界各地的各行各业获得中，通过人们长期的使用，得出的经验认为ANSYS电磁场在通用性和方便性上是比较成功。所以本文在磁场分析上是采用ANSYS。ANSYS程序ANSYS123在后处理中观察计算结果[8]ANSYSSAVE-DB，重新编辑点击RESUME-DB▲在建模和加载的过程中注意使用中main>plotCtrls>panzoomrotate，单元模型。便于在操作过程中观察所建立的模型。▲本实例介绍了部分菜单功能和命令很多功能需要自己在使用中摸ANSYSHelp>HelptutorialsANSYS理论以及在电磁仿真中的应在ANSYS对电机仿真过程中可以依照图2.1的流程着为普遍仿真模型，GUI(图形用户界面)方式，也可采用批处理方式(命令流)或ANSYS较为复杂，但效率更高，GUIANSYS弹出的框(并不总是出现)来完成操作这一方式更为直观比较适合初学者。因为ANSYS是一个多物理场的有限元在使用GUI模式进行分析时，GUI2.1，类型，在对所设计的磁路中要用到的永磁材料如硅钢、软磁材料Fe、空气等进ANSYSAutoCAD对模型进行剖分。剖分成功后处理器中的工作就完成了，接下来就进入求立外部边界上的磁力线平行的约束条件这一加载过程还可以处理器中于剖，电的基本结构及其工作原机基本结构来介绍工作原理[11]2.22.2采边永磁体结构比单边永磁体结构的气隙磁密高，且改善了极面下气隙磁密的均匀性。电枢绕组的有效导体在空间沿径向呈辐射状分布。由于电枢绕组直接放置在轴向气隙中，电机的气隙较大。为克服单边磁拉力、减少漏磁，电机采用了双边永磁体采边永磁体结构比单边永磁体结构的气隙磁密高且改善了极面下气隙磁密的均匀性。因此，电机具有以下特点：电枢采用无铁第三 永磁电机控制系统模型建立及分三相坐标系的永磁电机数学模型建普遍范围的应用，将电机数学模型建立在三相XYZ坐标系上[12]。Ux ixUd

(3- y

dty

Rsiy

Lxzix

(3-y

yziy+ybLL i zx zzLL i 式中，U—定子相绕组电压；i—定子相绕组电流；Rs—定子相电阻；xyz—下标，分别表示定子x，y，z三相分量；xa，yb，zc—转x，y，zexeyezex

d ey=dtyb=Ke

（3- zcKeLxx、LyyLzz—定子各相绕组自感；其余的为定子三相绕组间的互感；定子上各绕组的自感和它们间的互感都随着转子电角度的变化而变化，有L+Lcos2 M+Lcos2+2 M+Lcos2-2 3 3 L

xz

2 2

Lyz=M+L2cos2+3

M+L2cos2-3

M+L2cos2

zz

2

2M+L2cos2-3 M+L2cos2 M+L2cos2+3

3Lq=L0-M-2

3Ld=L0-M+2

（3-L-M=Ld+Lq；L=Ld-

（3- U i e

x x x

dx

（3- y xy y

zcos2 cos2+2 cos2-2 3 3

ix

cos2+2 cos2-2

cos2

x

3 3

（3-y

2

y

2

z cos2-3

cos2

cos2

3

（3- 1ei+ei+ei

（3- mT=

d x

d+ y

d + zi

（3-

m Jdm=T-T-R

（3- s=m

（3-J—转动惯量R—阻力系数；P—极对数m—机械角速度s—电角速度。3.1，以在永磁电机的控制应用中须设法予以简化，简化最基本方法就是坐标，首先先考虑三相—两相的变换，即从三相XYZ坐标到两相AB坐标上的变换，简称(3/2变换)。如图3.2所示，为这两种坐标系间的关系，且ZB-

ii 2

0-A -

i

（3-i

3-

YB

1i -

2iX i=- -1iA

（3-Y 2ii

BZ 1 至于两相—两相旋转变换，即从两相坐标系AB旋转到另外两相坐标ic=-

（3-i

id BiA=-

cosic

（3-i

iB d图3.23/2变 图3.32s/2r变c、d -uc

0icu=

d

+

i

（3-d

d

sd

0ic

（3-

0

Ldid duc=-sLdid33Tam=2PLc-Ldicid+fid

（3- 其中，Tam0 PLc-Ld

（3-Mmax

Umax 源。的X点，且电流满足转矩最大，有dTgm

（3- 把（2-18）和i2i2 iLLi2 i2 i2 ami2 i2

L

（3-22f16Lcd22i 当L 4LL ic22f16Lcd22

当Lc

（3-i 当L 4LL 22 2f4L2f4L2d

当L 2LL ic22f4L2d

当Lc

（3-i 当L 2LL d在控制系统中，根据检测到的速度指令和电机转速的误差信号，通过PI调节器输出d轴电流指令值i*然后根据电机端电压是否达到逆变器的极限电压来d3.4在电压源型的逆变器供电的永磁电机控制系统中电系统中的逆变器和i2i2 Us

U2U2U

3（3-3其中：Us和is分别是电压矢量和定子电流，Umax和imax限，UcbLi2L

2Umax

（3-2 c d2

sLcLd时(即为表面凸出式转子磁路结构时)，式(3-26)f/Ld0为圆心的圆方程,当LcLd时，式(3-26)是一个椭圆方程。如图3.5电流解祸补偿模由(3-19)式子可以看出，由于sLdid和sLcic它们之间是相互耦合，使的和Udc、d，种耦合作用采用前馈补偿的电流调节器，如图3-6电流解耦控制器框图， uPIuc、ud和线性的uc0 u

uuduc0s

ud0sLcicsic、idic、id电流波形较更好，能在较快时间内与指令波形相契合。（a）有电流解耦合时的i、i、i*、i*的曲线（b）无电流解耦合时的i、i、i*、i* 永磁电机控制系统模型的建 所谓双闭环是指内环的电机电流PI调节反馈环路和外环的电机速度PI反馈q能够自动恢复正常。由c、d轴电流指令与电机实际的从q轴电流的误差信号通PIq共同组成了c、d轴电压指令值U*、U* 其提供三个反馈信号。比较常用的传感器有混合式光电编(适用于无刷永磁多转绝对式光电编等等。3.3.1主要包括永磁体的设计和永磁材料尺寸的确定，下面就分别对它们作相应的介绍：①磁极的结构磁极；对于内置式磁极结构，多采用矩形永磁体[6]。LaLM相同，LMBr

永磁体气隙与充磁方向长度hM。一般情况先根据电机的磁动势平衡关系估计hMhM的大小决定了电机抗hM尽可能小[15]第四章永磁电机ANSYS仿仿真电机的介永磁电机的分类较多本文在 仿真是采用较简单普遍的直流电作为对象进行仿真[16]4.11—电 2、4—电35—机 6—永磁磁ANSYS仿真前的设在利用ANSYS对电机仿真前先要对ANSYS仿真界面进行设置操作，1、设置电磁学预选项（过滤器4.224.34.334.414.41(MURX4.556Preprocessor>loads>apply>-magnetic-boundary-flux-par’l①选OnLinesOK仿真结通过ANSYS对电机的仿真的到电机在不同磁场中各种磁场的分布相关4.6 参数的计4.1表4.1两种规格电的性能指TYX132S-TYX160M-效率电机的设计中要先通过对该电机的性