永磁同步电机地设计与电磁分析报告

本科生毕业设计（论文）题目：永磁同步电机的设计与电磁分析姓名：耿艳华学号：21116258班级：电气工程与自动化11级1班二〇一五年六月中国矿业大学本科生毕业论文姓名：耿艳华学号：21116258学院：应用技术学院专业：电气工程与自动化论文题目：永磁同步电机的设计与电磁分析专题：指导教师：邓先明职称：教授2015年6月徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院应用技术学院专业年级电气2011级学生姓名耿艳华任务下达日期：2015年3月15日毕业论文日期：2015年3月16日至2015年6月1日毕业论文题目：永磁同步电机的设计与电磁分析毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：永磁同步电机的工作原理和基本结构；自启动永磁同步电机的一般设计方法；设计一台永磁同步电机，参数：（1）、容量：40KW；（2）、额定电压380V，额定频率50Hz；（3）、额定转速1500；（4）、定子相数3；（5）、效率0.95；（6）功率因数0.95.；（7）能够自启动。利用有限元方法，计算验证设计结果。 完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000汉字；完成毕业设计论文。院长签字：指导教师签字：

中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日

中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日

中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要自起动永磁同步电机拥有鼠笼，能够实现自启动。它无需无功励磁电流，功率因数高，减少了定子电流和定子电阻损耗，并且在稳定运行时没有转子损耗。因此它具有高效率、高功率因数等的技术特点，符合高性能电机的技术指标。是未来高效率、节能型传动系统的发展方向，具有广泛的应用前景。本文主要是通过利用传统的异步电机设计方法并结合了永磁同步电机的特点，设计了一台40Kw的转子导体内置式的永磁同步电机，详细的设计了其机械结构、计算了其电气性能。同时还利用数值计算软件对其进行了性能分析。给出了所设计电机的功角特性和起动特性，计算结果证明了本文所设计的电机其性能完全满足预期的要求。本文利用电磁场数值计算软件Ansoft，对电机进行了建模及仿真，获得了电机的电磁场分布、启动转矩和转速以及电机稳态运行时的损耗。计算了电机的空载反电动势波形、交直轴电抗参数特性以及电机的功角特性。通过将每极的转子磁极采用集中分布的方法，提高了气隙磁密中的基波含量，明显得抑制了其中的高次谐波。关键词：自启动永磁同步电机；电磁特性；有限元法AbstractStartpermanentmagnetsynchronousmotorhasasquirrelcage,canberealizedfromthestart.Itdoesnotrequirereactiveexcitationcurrent,powerfactor,reducingthestatorcurrentandstatorresistanceloss,andnorotorlossesinstableoperation.Soithashighefficiency,highpowerfactorandothertechnicalcharacteristics,inlinewithhigh-performancemotortechnicalindicators,isthefuturedirectionofhighefficiency,energy-savingdrivesystemhasbroadapplicationprospects.Inthispaper,throughtheuseofaconventionalinductionmotordesignmethodsandcombinesthecharacteristicsofapermanentmagnetsynchronousmotor,designedarotorconductorbuilt-in40kWpermanentmagnetsynchronousmotor,thedetaileddesignofthemechanicalstructure,calculateitselectricalproperties.Alsotakeadvantageofitsnumericalsoftwareperformanceanalysis.Thedesignofthemotorgivespoweranglecharacteristicandstartingcharacteristics,theresultsprovethatthedesignedmotorperformancetofullymeettheexpecteddemand.Inthispaper,electromagneticfieldnumericalcalculationsoftwareAnsoft,themotorismodeledandsimulated,Wegottheelectromagneticfielddistributioninsidethemotor,andwealsogotthesteadystatetorqueandstartingtorque.TheNo-loadback-EMFwaveform,quadrature/directaxisreactanceparametercharacteristicandpower-anglecharacteristicarecalculated.TheresultsprovethattheSPMSMcompletelymeettheexpectedrequirements.Byadoptingthemethodofcentralizeddistributionoftherotorpole,Theresultsshowthatthismethodnotonlycanaccuratelydetecttherotorposition,butalsocanidentifytherotorpolarity.Keywords：Sincethestartpermanentmagnetsynchronousmotor;electromagneticcharacteristic;finiteelementmethods目录第一章绪论 分析上图中电机的功角特性曲线，我们可以看出电机的最大输出转矩基本上是出现在超过100°的位置上的，同时这与理论计算所得出的结果110°是相吻合的。4.3.6永磁同步电机损耗分析自启动永磁同步电机产生的损耗主要包括定子铁耗、定子绕组铜耗、机械损耗和杂散损耗。通过利用Ansoft有限元软件，在不忽略损耗的情况下我们得到了电机的铜耗、铁耗，如图4.11、4.12所示。图4.11永磁同步电机铜耗曲线图由于自起动永磁同步电机定子绕组导线面积很小，可以忽略其集肤效应，而鼠笼转子只有在电机起动的时候才起作用，因此可以忽略转子铜耗。所以说，铜耗主要是存在于定子中，由绕组中的电流大小决定。定子铜耗中谐波含量很小，主要为基波损耗[25]。如图所示，在0.3s左右，电机稳定运行时，定子铜耗随绕组电流的稳定而稳定在0.595kW。图4.12永磁同步电机铁耗曲线图永磁同步电机正常运行时，在定转子铁心中还会产生铁耗，如图所示。铁耗主要包含了涡流损耗与磁滞损耗两部分[24]。本文设计的电机稳定运行时铁耗为782W，比等效磁链法计算值小，有限元计算本身就会导致误差。4.3.7永磁同步电机结果分析下面是我们利用了等效磁路法和数值解法两种方法所得到的数据并进行了比较分析，如下表4-2所示：表4-2永磁同步电机利用不同计算方法的所得的结果列表项目等效磁路法数值解法定子齿磁密(T)0.970.96定子轭磁密(T)1.741.80转子齿磁密(T)1.411.45转子轭磁密(T)0.950.91气隙磁密(T)0.6400.656直轴电枢反应电抗(Ω)3.715.89直轴同步电抗(Ω）4.476.30交轴电枢反应电抗(Ω)12.8518.04交轴同步电抗(Ω)13.6118.45额定效率(%)95.596.36功率因数0.99830.9961通过上表所列出的数据中基本上我们可以看出，数值解法所得的数据结果要普遍稍微比等效磁路法所得出的数据结果偏大一些。我们都知道，本文中电机的数值法所采用的是二维场，而实际上的电机模型却是3D的立体结构，由于在2D的数值法中并没有过多的考虑电机的叠压系数，这就可能会导致结果上的差异，进而影响了用两种计算方法所得出的电机的额定效率及功率因数等数值上的差异。不过，这两种方法的计算结果之间的差异在误差允许的范围中还是可以接受的。由以上所给出的仿真结果的图形我们可以看出，前文所设计好的电机及其性能基本都已达到要求。利用有限元分析软件Ansoft仿真后可以查看其基本的数据参数，例如上述列表中所给出的电机的效率可以达到96.36%，槽满率等等，其结果与计算出来的结果基本相同。

第五章结论针对目前应用前景最为广泛的拥有异步启动能力的永磁同步电机，本文利用了常规感应电动机的设计方法，对功率为40Kw的永磁同步电机进行了电磁设计。最后跟据现有已成熟并且被广泛使用的电磁数值计算法，利用大型的有限元仿真软件Ansoft对设计好的永磁同步电机进行了仿真分析，本文取得的设计成果主要体现在以下几个方面：(1)分别介绍了永磁同步电机设计的国内外的研究现状、水平以及发展趋势，同时也对现在已有的适用于永磁同步电机设计的方法的基本特点进行了归纳和分析。(2)对一台功率为40Kw的永磁同步电动机进行了性能设计，其中包括我们使用了等效磁路法和数值解法两种不同的方法所得到的结果数据，并对此进行了比较分析也验证了电机的功角特性和起动特性。(3)利用电磁分析软件Ansoft对电机进行了建模和仿真，得到了电机负载转矩的波形和数值，定转子磁通密度数值以及电机的功角特性。从这些分析结果可以说明，我们利用Ansoft仿真的结果与用等效磁路法的结果差不多是相符合的，同时这也进一步证明了利用电磁分析软件Ansoft进行建模与仿真的准确性。本文虽然对自启动永磁同步电动机进行了一定的研究与分析工作，有了一些小成果，但是由于水平的有限还是存在了一些不足之处：在进行2D建模分析时，没有过多的去考虑叠压系数的影响力，造成两种不同方法结果上的差异；进行仿真时对步长设置的把握度不够，造成精确度不是很理想。

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翻译部分英文原文MotionCharacteristicsofaNovelSelf-StartTypePermanentMagnetSynchronousMotorS.Arikawa*,T.Higuchi*,Y.Yokoi*,T.Abe*,Y.Miyamoto**,andM.Ohto***GraduateSchoolofEngineering,NagasakiUniversity,1-14Bunkyo,Nagasaki852-8521,Japan**YaskawaElectricCorporation,13-1Nishimiyaichi2Chome,Yukuhashi,Fukuoka824-8511,JapanRecently,apermanentmagnettypesynchronousmotorhasbeenusedwidelyforindustryapplication.Inthepaper,weproposeanovelself-starttypepermanentmagnetsynchronousmotorwithsquirrel-cage.Themotorisdesignedforhightorqueandhighdegreeofefficiency.Themotioncharacteristicsaresimulated.Itisonfirmedthatthemotoroperatessatisfactoryfromstarttosynchronousspeed.I.INTRODUCTIONInthispaper,weproposeaself-starttypepermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM).Itoperatesonthebasicprincipleofasquirrel-cageinductionmotorcombinedwithapermanentmagnetsynchronousmotor[1].Anevennumberedpermanentmagnetsarestuckonthesurfaceoftherotorcore,thathavesamepolarity.Bytheuniquerotorstructure,themotorisabletoobtainhighstartingtorqueastheinductionmotor.Themotorisnotrequiredtodetecttherotorpositionandcanbedrivenunderopen-loopcontrol.Additionally,incaseofsuddenpull-out,themotorcanrotateagainastheinductiomotor.Inthispaper,wedesignpermanentmagnetsoftherotorandsimulatethemotioncharacteristicsfromstarttosynchronousspeedbyusingafiniteelementmethod(FEM)software.II.NOVELSELFSTARTTYPEPMSMA.MotorConstructionFigure.1showstherotorstructureoftheself-starttypePMSMproposedinthispaper.Ithasarotorcombinedthesynchronousmotorwiththesquirrel-cageinductionmotor.Itis4-polesmachinebuthastwosamepolaritymagnets.Themagnetsarestuckonthesurfaceoftherotorcore,andthewideremainderoftherotorcoresurfacecanbeusedforthesquirrel-cagepart.Therelativewidesquirrel-cagebarsonbothsidesofthemagnetpreventtheleakageofmagneticfluxofthepermanentmagnet.Thesestructureenableseffectivelytousetherevolvingmagneticfieldproducedbythearmaturecurrentaswellasthemagneticfieldbythepermanentmagnets.Astheresult,thismotorhashighstartingtorqueaswellashighsynchronoustorque.Italsohashighdegreeofefficiencyatsynchronousoperation[2].Fig.1Motorstructure.B.TorqueCharacteristicsThemotorstartsastheinductionmotorandacceleratestonearsynchronousspeed.Thetorqueatasynchronousspeedisgivenby(1)P:NumberofpolesV1:Inputvoltagef:Frequency,s:Slipr1:Primaryresistancer’2:Secondaryresistanceseenfromtheprimarysidex1:Primaryleakagereactancex’2:SecondaryleakagereactanceseenfromtheprimarysideAtaroundthesynchronousspeed,therotorissynchronizedbythepull-intorqueandthemotoroperatesasthesynchronousmotor.Thesynchronoustorqueisconstitutesofmagnettorqueandreluctancetorque.Itisgivenby(2)P:Numberofpolesφf:ArmaturefluxlinkagebyPMIa:Amplitudeofarmaturecurrent:PhaseangleofarmaturecurrentEvenifthemotorlosessynchronization,themotoracceleratesagainastheinductionmotortonearsynchronousspeedandsynchronized.[3].III.DESIGNANDBASICCHARACTERISTICSA.DesignParameterThedesignanalysisiscarriedout.Figure.2shows2D-FEMmodeloftheproposedself-starttypePMSM.Table1showstheresultantdesignparameters.Theratedoutputpoweris2.2kW,theratedvoltage200V,andthesynchronousspeed1800rpm.Statorwindingsaredistributedandfractionalpitchwindings;thenumberofslotsis36andthenumberofslotsperpoleperphasesis3.Numberofrotorslotsis28.Fig.22Danalysismodel.Table.1DesignParameterOutputpower2.2kWNumberofpoles4Voltage200VFrequency60HzRatedspeed1800rpmStatordiameter157mmRotordiameter99.4mmShaftdiameter32mmMotorlength90mmAirgap0.3mmNumberofslots/pole/phase3Numberofslots36Coilpitch8/9ConnectionYFig.3Magnetparameters.B.Torque-speedCharacteristicsTheeffectofvaryingthepermanentmagnetdimensionsonthetorquecharacteristicsisinvestigated.Inputvoltageis200V.ThedesignparametersareangleandheighthmofthepermanentmagnetasshowninFigure3.Figure4showsthesimulatedtorque-speedcharacteristics.Theblackdottedlineisthetorque-speedcharacteristicsofasamesizedinductionmotor.Itisshownthattheself-starttypePMSMhavethesameasynchronouscharacteristicsastheinductionmotorandithasnotonlyhighstartingtorquebutalsohighsynchronoustorque.Thesynchronoustorqueincreaseswithincreasingandhm,butthetorqueforstartandaccelerationdecrease.Thetorqueoftheself-starttypePMSMhasadentpointatslipof0.9owingtothepermanentmagnetflux.Fig.4Torque-speedcharacteristics.C.EfficiencyCharacteristicsTable2showstheefficiencycharacteristicsofthemotordescribedabove.Theefficiencyiscalculatedby（3）P:OutputpowerPc:CopperlossPi:IronlossTheefficiencyisassumedunderthedirectaxiscurrentid=0control.Thequadratureaxiscurrentiqisgivensothattheratedtorqueof11.71N-mareobtainedatsynchronousspeed.Increasingontheconditionofconstanthmorincreasinghmontheconditionofconstantdecreasethearmaturecurrentandimprovestheefficiency.Forthedesign,hightorquefromstarttosynchronousspeedandhighefficiencyatsynchronousspeedarerequired.Finally,weselectthe40degforand4mmforhm.Table.2EfficiencyCharacteristicsTorque[N/m]Current[A]Efficiency[%]40deg/3mm11.719.8788.840deg/4mm11.709.43889.650deg/2mm11.748.8690.6IV.MOTIONCHARACTERISTICSA.EquationofMotionThedynamiccharacteristicsaresimulatedfromstarttosynchronousspeed.Equationofmotionofthedrivesystemisshownasfollow.(1)J:MomentofinertiaJload:Momentofinertiaofloadβ:Angularaccelerationλ:Attenuationcoefficientω:AngularspeedTem:TorqueofthemotorTload:TorqueoftheloadTheformulaofthemomentofinertiaisshownasfollow.(2)W:RotorweightD:Outsidediameterd:InsidediameterB.MotionCharacteristicsunderPumpLoadFigure5showsspeed-timecharacteristicsandFigure6showstorque-speedcharacteristicsobtainedbythedynamicsimulation.Themotorisselectedforthesimulationwhosemagnetangleis40deg.andmagnetheighthmis4mm.Theinputvoltageis200V.Apumpisassumedfortheloadwhoseloadtorqueincreaseswithsquareofthespeed,andtheratedloadtorqueatthesynchronousspeedis10N-m.Itisshownthattheself-starttypePMSMmovesastheinductionmotorfromstarttonearsynchronousspeed.Ittakesabout0.35secondtobethesynchronousspeed.Thetorquepulsatesremarkablyinconsequenceofthepermanentmagnet.Fig.5Speed-timecharacteristics.Fig.6Torque-speedcharacteristics.Thespeed-timecharacteristicsfordifferentvaluesoftheloadtorquesareshowninFigure7.Theloadtorqueisvariedfrom5to20N-m.Table3showstheefficiencycharacteristicsofthem.Therearenobigdifferencesamongthematlowspeedregion.However,itcannotbedrivenatsynchronousspeedaboveloadtorqueof20N-m.Thisisthelimitoftheloadtorqueforthismotor.Theefficiencyisthehighestatloadtorqueof10N-m.Itisthelowestat19N-m,becausethecopperlossbecomeslarge.Fig.7Speed-timecharacteristics.Table.3EfficiencycharacteristicsLoadTorque[N-m]Current[A]Primarycopperloss[W]Ironloss[W]Output[W]Efficiency[%]54.2435.0128.5938.784.2107.34105.0149.61886.887.41511.9274.9173.82829.385.71918.1637.9184.93570.180.7Themotionisaffectedbytheloadinertia.Themotioncharacteristicsisalsosimulatedfordifferentvalueofthemomentofinertiaoftheloadconsidering.Figure8showslimitingconditionfordrive.Theloadcanbedriveninthelowerpartofthecurvearea.Figure9showstorque-speedcharacteristicsattheloadtorqueof10N-mandthemomentofinertiaof0.08kg-m2.Itisshownthatthetorquegreatlypulsates,buttheaveragetorqueisproducedadequatetodrivethepump.C.EffectofLoadCharacteristicsThecharacteristicsunderanotherloadconditionsarecompared;constanttorquecharacteristics,forexamples,forcraneapplicationsandconstantpowecharacteristics,forexamples,forcarapplications.Figure10illustratestheloadcharacteristics,where100%oftheloadtorqueis10N-m.Weanalyzedthedynamiccharacteristicsfromstarttosynchronousspeedunderthreeloadcharacteristics.Figure11showsthespeed-timecharacteristics.Sincethemotorisrequiredalwayslargetorqueundertheconstantloadtorque,ittakeslongtimetobethesynchronousspeed.Thetimetobethesynchronousspeedisshortestunderthisconstantpowerload.V.CONCLUSIONAnovelself-starttypePMSMwasproposedanddesigned.Ithadhighstartingtorqueandhighsynchronoustorque.Itwasconfirmedbythedynamicsimulationthatitmovedfromstarttosynchronousspeedsmoothly.Theexperimentalresultswillbepresentedinthenearfuture.Fig.8LimitingconditionfordriveFig.9Torque-speedcharacteristics.Fig.10Loadcharacteristics.Fig.11Speed-timecharacteristics.VI.REFERENCES[1]TsuyoshiHiguchi,TakashiAbe,YasuhiroMiyamoto,MotomichiOhtoandTomoakiEgawa.“CharacteristicsAnalysisofaNovelSelf-StartTypePermanentMagnetSynchronousMotor”2011IEEJRM-11-104No.55.[2]T.Higuchi,T.Abe,Y.Miyamoto,M.OhtoandT.Egawa,“Characteristicsanalysisofanovelself-starttypepermanentmagnetsynchronousmotor,”2011IEEJThePaperofTechnicalMeetingonRotatingMachinery,RM-11-104No.55.[3]T.Higuchi,T.Abe,Y.Miyamoto,M.OhtoandT.Egawa,‘‘RotorDesignofaNovelSelf-StartTypePermanentMagnetSynchronousMotor’’ElectricalMachinesandSystems(ICEMS),201215thInternationalConferenceonp.6401988,2012.

中文译文一种新型的运动特性自启动型永磁同步电机S.有川，T樋口，横井Y.，T安倍晋三，Y.宫本，和M.Ohto日本长崎大学研究生院，1-14工程文教，长崎852-8521，日本安川电机株式会社，西宫井至，福冈行桥市824-8511，2月13日最近，一种永久磁铁型同步电动机已广泛用于工业中。在论文中，我们提出了一个新颖的自启动型鼠笼永磁同步电机。电动机被设计用于高扭矩和高效率中。对电动机的转动特性进行了模拟。据证实，所述电机工作从开始到同步速度令人满意。I.I绪论在本文中，我们提出了一个自启动型永磁同步电机（PMSM）。它运行在一个结合了永久磁铁同步电动机基本原理的鼠笼式感应电动机中[1]。偶数编号具有相同的极性的永久磁铁粘贴在转子铁心的表面上。通过独特的转子结构中，电机是能够获得高起动转矩的感应电动机。电机不需要检测转子位置，并且可以根据开环控制驱动。此外，如果遇到突然拔出，电机则是可以再次旋转的感应式电机。在本文中，我们设计了转子的永久磁铁，并通过使用有限元法（FEM）的软件模拟从开始到同步速度的运动特性。II新型自启动型永磁同步电机A.电机工程图1显示了本文所提出的自启动型永磁同步电机的转子结构。它有一个转子组合的同步电动机的鼠笼式感应电动机。它是有4个磁极的电机，但有两个相同极性的磁体。磁体被卡在转子铁心的表面上，并在转子铁心的表面上有相对宽的剩余部分可用于在鼠笼式部分。在磁铁两侧上的的永磁体相对宽鼠笼条是防止磁通量的泄漏。这些结构能够有效地利用由电枢电流以及由所述永久磁铁的磁场产生的旋转磁场。其结果是，该电动机具有高起动转矩以及高同步扭矩。它的同步操作的效率很高[2]。图1电机结构B.转矩特性电机开始作为一个感应电机，它会加速到接近同步转速。电机的异步速度转矩由下式给出(1)式中，P:极数，V1:输入电压，f:频率，s:滑，r1:初级电阻，r2:从初级侧看到第二电阻，x1:主漏抗，x2:从初级侧看到二次漏抗在同步速度附近，转子被牵入转矩同步，电机操作为同步电动机。电机的同步电磁转矩是由磁铁转矩和磁阻转矩构成。它由下式给出（2）式中，P:级数φf:电枢磁链Ia:电枢电流:电枢电流的相位角即使电机失去同步时，电动机作为感应电动机再次加速接近同步速度和同步转矩[3]。III.设计及基本特性参数设计对电机进行设计分析。图2显示了该自启动型永磁同步电动机的二维有限元模型。表1则显示出了所得到的设计参数。电动机的额定输出功率为2.2kW，额定电压为200V，以及它的同步速度为1800rpm。定子绕组分布及绕组节距;实际的定子槽数目是36并且每极每相的槽数是3，转子槽数是28。图2二维分析模型表1永磁同步电机的设计参数输出功率2.2kW级数4电压200V频率60Hz额定转速1800rpm定子直径157mm转子直径99.4mm轴径32mm电机长度90mm气隙0.3mm槽数量/极点/相位3槽数量36线圈间距8/9连接方式Y图3永磁体参数转矩-转速特性对影响转矩特性变化的永磁体的尺寸进行了研究。输入电压为200V。设计参数为功角和永磁体的磁化长度hm，如