永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析毕业设计报告

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毕业设计论文永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)诚信承诺书本人慎重承诺和声明：所撰写的《永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析》是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。设计(论文)的研究成果归属学校所有。学生(签名)年月日湖南工程学院应用技术学院毕业设计（论文）任务书题目：永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析姓名*****系************专业电气工程及其自动化班级****学号************指导老师*******职称******教研室主任******基本任务及要求：1、基本数据：额定功率：PN=7.5KW连接方式：Y额定电压：UN=400V额定转速：nN=1500r∕min相数：m=3功率因数：cos=0.9效率：η=0.94冷却方式：空气冷却2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1）按所给定技术要求完成永磁同步发电机的电磁设计方案；（2）用ANSOFT或ANSYS有限元法对发电机磁场进行仿真研究；（3）说明书编制。进度安排及完成时间：2月27日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月11日——3月23日：毕业实习、撰写实习报告3月24日——4月25日：毕业设计（电磁设计）4月26日——5月20日：毕业设计（磁场有限元分析）5月下旬：毕业设计中期抽查5月21日——6月1日：撰写毕业设计说明书（论文）6月2日——6月96月10日——6月12日：毕业设计答辩湖南工程学院毕业设计论文 前言随着现代工业的高速发展，能源的需求量也日益增加。电能作为现代工业中最重要的二次能源，也发挥着越来越重要的作用。而电机作为电能的生产者和主要的消费者，它的需求量在工业制造中占有很大的比例。电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这就是既可简化结构，又可以节约能量的永磁电机。永磁同步发电机的应用领域广阔，功率大的如航空、航天用主发电机、大型火电机组用副励磁机，功率小的如汽车、拖拉机用发电机、风力发电机、小型水力发电机、小型内燃发电机组等都广泛采用各种类型的永磁同步发电机。永磁电机的发展依赖于永磁材料等相关电机材料，从最初的永磁电机的诞生到近年来各种高性能永磁电机的出现，这正是永磁电机随着永磁材料的更新换代的过程。永磁电机的应用从最初的单一领域而发展到如今的国防、工农业生产和人们日常生活等更为广泛的应用领域；同时也随着各种现代化技术的日益成熟向着大功率化、微型化、多样化、高性能化等方向不断发展。我国稀土资源丰富，“稀土不稀”，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的四倍左右，号称“稀土王国”。我国稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，因此充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，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。目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1永磁材料发展概况 11.2永磁同步发电机显著优点 11.3永磁同步发电机的发展方向和前景 2第2章永磁同步发电机结构和原理 32.1永磁同步发电机结构 32.1.1转子结构 32.1.2定子结构 32.2永磁同步发电机原理及特性 42.2.1工作原理 42.2.2运行特性 42.3永磁同步发电机的设计特点 62.3.1永磁材料和转子结构的选择 62.3.2固有电压调整率和降低措施 6第3章设计方案 83.1转子设计 83.1.1永磁材料的选择 83.1.2转子磁路结构 83.2定子设计 93.2.1定子铁心 93.2.2定子绕组形式 10第4章电磁设计程序 114.1额定数据： 114.2永磁材料的参数尺寸确定 114.3转子结构尺寸: 134.4定子绕组和定子冲片尺寸 134.5磁路计算 164.6电压调整率和短路电路计算 224.7损耗和效率计算 23第5章磁场有限元分析 255.1有限元分析法和Ansoft软件介绍 255.2电机的电磁仿真及设计优化 255.2.1采用RMxprt进行路的方法计算 255.2.2Maxwell2D动态仿真和相关参数设置 365.2.3动态性能曲线及分析 375.2.4结论 40结束语 42参考文献 43致谢 44附录 永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析-PAGEI-永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析摘要：随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，永磁电机以其优越的性能和结构在现代航空航天.国防.工农业生产和日常生活各个领域得到了广泛的应用。永磁电机采用永磁体励磁，电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差，为保证计算的准确，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。本课题主要是针对永磁同步发电机的主要尺寸，转子永磁体结构，定子绕组形式，定子冲片和槽数槽型尺寸以及电磁场的仿真研究，主要做一下工作：首先介绍永磁发电机的基本原理、特性、设计特点以及永磁材料的特性和选择；其次运用传统电机设计方法对电机的主要尺寸、转子结构、定子绕组形式以及相关参数进行设计和计算；最后基于Ansoft磁场仿真软件对所设计的电机的性能指标进行计算、优化设计和建立二维仿真模型进行二维瞬态分析关键词：永磁同步发电机电磁设计磁场有限元分析-PAGEIPAGEI-DesignandfiniteelementanalysisofmagneticfieldofPermanentmagnetsynchronousgeneratorAbstract:Inrecentyears，continuesincreaseandimprovetheperformanceofpermanentmagneticmaterials,particularlyneodymium-Iron-Boronpermanentmagneticmaterialsandimprovementofcorrosionresistanceandthermalstabilityofpricesandgraduallyreduced,aswellasthefurtherdevelopmentofpowerelectronicdevices,permanentmagnetmotorwithsuperiorperformanceandstructureinmodernaerospace.Defense.industrialandagriculturalproductionandhasbeenwidelyusedinallareasofdailylife.Permanentmagnetmotorwithpermanentmagnetexcitation,complexityoftheelectro-magneticfielddistributioninsidethemotor,usingthetraditionalmethodofequivalentmagneticcircuitanalysiswillleadtolargeerrors,forthecalculationofaccurate,withinGeneralMotorsusingfiniteelementmethodfornumericalcalculationofmagneticfield.Thistopicisintendedforpermanentmagnetsynchronousgeneratorofmaindimensions,rotorofpermanentmagnetstructure,formofstatorwindings,numberofstatorlaminationsandGroovedimensionsandthesimulationofelectro-magneticfields,mainly:thefirstdescribesthebasicprinciples,characteristicsofpermanentmagnetgenerator,designfeaturesandcharacteristicsandselectionofpermanentmagnetmaterials;Secondusingtraditionaldesignmethodsonmaindimensions,structureoftherotor,statorofelectricmotorwindingdesignofformsandtherelatedparameters;FinallymotorbasedonAnsoftdesignbymagneticfieldsimulationsoftwareoptimizationdesignandcalculationofperformanceindicatorsandtheestablishmentoftwodimensionalsimulationmodelforanalysisoftwo-dimensionaltransientkeyword:simulationofmagneticfieldofpermanentmagnetsynchronousgeneratorelectromagneticdesignAsoftKeywords:permanentmagnetsynchronousgeneratorelectromagnetismdesignfiniteelementanalysisformagneticfield -PAGE45- 第1章绪论1.1永磁材料发展概况19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然铁矿石（Fe3O4）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85KJ∕m3）和50年代出现的铁氧体永磁材料（最大磁能积现可达40KJ∕m3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。这段时期在永磁电机设计理论、计算方法、充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36~160KA∕m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2~0.44T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到上世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。1967年美国K••J•Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成RCO5（其中R代表钐、镨等稀土元素），产品最大的磁能积现已超过199KJ∕m3（25MG•Oe）。1973年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2CO7.产品的最大磁能积现已达258.6KJ∕m3（32MG•Oe）。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431.3KJ∕m3（54.2MG•Oe），商品生产现已达397.9KJ∕m3（50MG•Oe），称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资-钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。目前正在研究新的、更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。1.2永磁同步发电机显著优点永磁同步发电机的结构与电励磁同步发电机的结构大体相似，其主要结构分别由定子、转子和机座组成。永磁电机的定子由定子铁心和定子三相对称绕组构成，其有别与电励磁同步发电机的结构是转子，转子主要由转轴、永磁体及相关支撑部件组成。由于其采用永磁材料，固其具有以下优点：1体积小，重量轻转子部分采用高磁场的永磁体代替电磁线圈，转子体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。2效率高，节能效果显著由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁损耗，因此三相永磁同步发电机比常规发电机明显节约能量；其效率能提高10-15%，是一种典型节能产品。3电压波形质量好，适用于各种负载情况由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下都可以使电压波形畸变率保持在较小的范围。4过载能力强，适合于在各种恶劣环境下工作5无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁体和铁心固成一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。1.3永磁同步发电机的发展方向和前景永磁同步发电机有别于传统电励磁同步发电机，其最主要的区别在于转子采用永磁材料来产生磁场；其次永磁同步发电机与不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率，可靠性得到了很大的提高。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的150kVA14极12000r/min~21000r/min和100kVA6000r/min的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3KW20000r/min的永磁发电机。永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机，80年代我国研制成功当时世界容量最大的40kVA~160KVA稀土永磁副励磁机，配备200MW~600MW汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。

从永磁电机的已有发展可以看出其发展是随着永磁材料性能的不断改进而发展起来。目前，独立电源用的内燃机驱动发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的永磁风力发电机正在逐步推广。随着现代的电力电子技术的不断成熟和机电一体化设备的广泛运用，永磁同步发电机的转子磁场不可调节性以及其他相关不理想因素也将不断改善，其将会随着永磁材料和电力电子技术等相关技术的发展向着大功率化、微型化、多样化、高性能化等方向发展。第2章永磁同步发电机结构和原理2.1永磁同步发电机结构2.1.1由于其转子磁场由永磁材料产生，转子结构多样化。永磁发电机的磁路形式多样，有许多不同的分类方法。按永磁体所在位置分类，可分为旋转磁极式和旋转电枢式。旋转磁极式结构，其永磁体在转子上，电枢是静止的，永磁同步电动机，无刷直流电动机都采用该种结构。旋转电枢式磁路结构，其永磁体在定子上，电枢旋转，永磁直流电机采用该种磁路结构。按所用材料分类，可分为单一式结构和混合式结构。在一台电机中，只采用一种永磁材料，称为单一式结构，绝大多数电机都采用该种结构。混合式结构通常采用两种性能特点不同的永磁体（将矫顽力低的永磁体置于磁极的前部，将矫顽力高的永磁体置于磁极后部），扬长避短，充分发挥永磁材料的优势，提高电机的性能，降低制造成本。按永磁体的安置方式分类，可分为表面式和内置式。表面式磁极的永磁体直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但永磁体直接承受点电枢反应的去磁作用;内置式磁极的永磁体置于铁心内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的永磁体来提高气隙磁密，减小电机的重量和体积。按永磁体的形状分类，进行永磁体设计时必须保证永磁体在磁路中产生足够的磁通和磁动势，可分为瓦片形、极弧形、环形、爪极形、星形、矩形磁极。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式、径向式、混合式和轴向式。2.1.2定子铁心是构成永磁电机磁通回路和固定定子线圈的重要部件，它由冲片和三相对称绕组以及各紧固件压紧成一个整体。定子铁心的基本要求：1）导磁性能好，损耗低；2）刚度好，振动小；3）结构布置上有良好的通风冷却效果；4）叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。定子绕组的基本要求：在一定的导体数下，有合理的最大的基波电动势和基波磁动势；在三相绕组中，三相基波电动势和三相基波磁动势必须对称，即大小相等，相位上互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相等；相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，为此要求它们的谐波分量尽可能小；此外还要求用铜少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好，制造工艺简单，检修方便。定子交流绕组主要有以下几种分类形式：按相数分为单相，两相和三相绕组；按槽内层数分为单层、双层绕组，其中单层有等元件、交叉式和同心绕组，双层绕组有波绕组和叠绕组，它们一般采用短距分布绕组形式；按每极每相槽数分为整数槽绕组和分数槽绕组。2.2永磁同步发电机原理及特性2.2.1永磁同步发电机主要电磁结构为定子和转子，定∕转子之间有气隙。定子上有AX,BY,CZ三相对称绕组，相绕组由多匝串联的绕组元件连接而成，每相绕组匝数相等，在空间上相差120度电角度。转子上有永磁材料产生机械磁场，其磁通由转子N极出来，经过气隙，定子铁心，气隙进入S极而构成回路。在原动机拖动发电机转子以恒定转速n（同步转速）旋转时，磁极的磁力线将切割定子绕组导体，在定子导体中感应出交变电势，当定子三相绕组外接三相对称负载时，便会在三相绕组中感生出三相对称电流，从而实现将机械能转化为电能。当转子为一对极时，转子旋转一周，相绕组中的感应电势正好交变一次（称为交变了一个周波），实际电机有P对极。永磁同步电机和电励磁同步电机一样，电机转速和定子电流的频率严格遵守n=60f∕P的关系。2.2.永磁同步发电机的运行性能的主要三个重要性能指标：固有电压调整率、短路电流倍数、电压波形正弦性畸变率。固有电压调整率永磁发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E0（V）；在负载运行时，气隙合称基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势Eδ（V），计算公式为：（2-1）（2-2）空载气隙磁通和气隙合成磁通需要根据所选用的永磁材料性能，转子磁路结构形式和具体尺寸，运用电磁场数值解法求出或用等效磁路法求出。对于切向、径向、混合式结构，可以将永磁材料等效地化为两个恒磁通源并联供应同一条外磁路的等效磁路。短路电流倍数永磁同步发电机的短路状态分为稳态短路和瞬态（冲击）短路两种。瞬态短路电流通常大于稳态短路电流，但计算比较复杂，工程中通常先求出稳态短路电流，然后利用经验修正系数得出瞬态短路电流倍数。短路电流对永磁体去磁作用的大小，除与短路电流倍数有关外，还取决于转子磁路结构形式和空载漏磁系数的大小。对于软铁极靴，极间浇铸非磁性材料，转子上安装阻尼笼等有阻尼系统的磁路结构，瞬态短路电流对永磁体的去磁作用大大减弱，并接近于稳态。短路电流的作用，对于无极靴的转子磁路结构，由于永磁体的电阻率很大，几乎没有阻尼作用，固瞬态短路电流的去磁作用很大。为了避免永磁体在发电机短路过程中发生不可逆的退磁，在设计过程中进行最大去磁工作点的校核计算，应保证此工作点在最高工作温度时回复线的线性段应高于或者等于回复线的拐点。3）电压波形正弦性畸变率在永磁同步发电机负载运行中，负载对发电机所发出的电动势波形有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。在国家标准规定中，电压波形正弦性畸变率是指电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根值与该波形基波有效值的百分比。为了减小电压波形正弦畸变率，除采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组、斜槽等措施外、还应改善气隙磁场波形，它不但与气隙形状和极弧系数有关外，还与有无软铁极靴和稳磁处理的方法有关。微型和小功率永磁同步发电机如对电压波形要求不高时，通常采用均匀气隙。空载气隙磁场可近似看成宽度为，幅值为的矩形波。当发电机容量较大或对电压波形要求严格时，需对极靴形状进行加工，使气隙不均匀并选用合适的极弧系数，从而使气隙磁场分布波形尽可能接近正弦。2.3永磁同步发电机的设计特点2.3.1既然永磁同步发电机采用永磁材料来建立转子机械旋转磁场，因此永磁材料的合理选择在电机设计当中是非常关键的,一般衡量永磁材料的指标有：（1）退磁曲线永磁材料的磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。退磁曲线上的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时，相对应的磁感应强度（磁通密度）值称为剩余磁感应强度，简称剩磁密度或剩磁。退磁曲线上与磁感应强度B为零时，所对应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称矫顽力。磁场能量密度ωm=BH∕2，因此退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积可反映磁场能量密度，被称为磁能积。（2）回复线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，在电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度会沿退磁曲线下降。如果下降到最低点时消去外加退磁磁场强度，则磁通密度并不沿退磁曲线回复。因此保证退磁曲线和回复线重合是非常重要的设计过程。（3）内禀退磁曲线内禀退磁曲线是描述内禀磁感应强度与磁场强度之间关系的曲线。（4）稳定性为了保证永磁发电机的电气性能不发生变化和长期可靠运行，需要保证永磁材料的热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。永磁电机磁性材料的选择直接关系到电机中转子机械磁场以及定子感应电势、电流等相关参数的波形。从以上永磁材料的衡量指标可以清晰认识到在永磁电机的设计过程中，永磁材料的选择必须充分考虑到以上这几个永磁材料的性能指标，这也是永磁电机设计有别于电励磁电机设计最主要的设计特点。2.3.2永磁同步发电机制成后，气隙磁场调节困难。为了使其能得到大量推广，需要对永磁同步发电机的固有电压调整率有严格要求。发电机的固有电压调整率是指在负载变化而转速保持不变时所出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。从永磁同步发电机的电压平衡方程中可以得知，为了降低电压调整率必须在给定的空载电势E0的情况下尽量增大输出电压U。为此既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通，又要减小电枢电阻R1和漏抗X1。a)为了降低电枢反应引起的去磁磁通，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力大，回复磁导率小的永磁材料；同时增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应影响。其次需减少电枢绕组每相串联匝数和增加转子漏磁导以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用，因此选用剩磁密度大的永磁材料；并且应增大永磁体提供每极磁通的横截面积，这时磁通明显增加，可以有效地减少每相串联匝数。b）为了减小定子漏抗X1，需要选择宽而浅的定子槽型；减小电枢绕组每相串联匝数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比。c）为了减少电枢电阻，需减小电枢绕组每相串联匝数和增大导体横截面积。在上述措施中，都将导致耗用更多的永磁材料，所以在满足规定的性能指标的前提下，合理的选择参数，尽量减少永磁材料的用量。第3章设计方案3.1转子设计3.1.1永磁材料的选择对于永磁材料的选择原则为：永磁体应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标；在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定；有良好的经济性能及加工装配方便；经济性好，价格便宜。钕铁硼是现代工业和民用电机中得到了广泛的运用，其磁性高于稀土钴永磁，室温下其剩磁感应密度Br高达1.47T，磁感应矫顽力Hc可达992KA∕m,最大磁能积高达397.9KJ∕m3是目前磁性能最高的永磁材料。钕铁硼不足之处在于居里温度较低，一般为320-410摄氏度左右；温度系数较高，Br的温度系数可达-0.13%K-1，的温度系数达。综合考虑电机性能及各方面要求，本设计采用钕铁硼永磁材料，其牌号为N35H，剩磁密度为1.22T矫顽力923KA∕m预计工作温度为80oC。图3.1退磁（Br∕Hc）曲线3.1.2转子磁路结构根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，转子磁路结构有切向式、径向式、混合式和轴向式。本设计采用切向套环式结构，其结构示意图（如图2-2）磁通路径为：永磁体N极,软铁极靴,套环的磁性材料段,气隙,定子铁心,气隙套环的磁性材料段,软铁极靴,永磁体S极。切向式磁路结构永磁体的磁化方向为转子圆周的切线方向；永磁体并联作用，由两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可以提高气隙磁通密度，但是永磁体的磁化方向与磁通轴线接近垂直且离气隙较远。为减少永磁体向里侧漏磁，转轴衬套需由非磁性构成。图3.2转子截面图3.2定子设计3.2.1定子铁心电机对定子铁心的要求：导磁性能好、损耗低、刚度好、振动小，在结构布置上有良好的通风冷却效果，叠压后铁心内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。为满足以上要求本设计的定子铁心采用0.35mm厚的冷轧无取向硅钢片冲制而成，其具体尺寸见（附录1）。3.2.2定子绕组形式在本设计中，为满足电机对定子绕组的各方面要求，采用双层短距分布式绕组，其具体结构如下：总槽数Z=36；极数2p=4；相数m=3；每极每相槽数q=Z∕2mp=3(整数槽绕组)；相带为60度（电角度）；槽距角α=20度（电角度）；并联支路数a=1；线圈节距取y=8。其绕组展开图具体详见（附录2）表3.1绕组分相第一对极相带A1C1B1A1C1B1槽号1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极相带A2C2B2A2C2B2槽号19,20,2122,23,24,25,26,2728,29,30,31,32,33,34,35,36上表中为每匝线圈的上层导体边，下层导体边按照短距绕组形式（节距y=8）放置于各槽的下层。第4章电磁设计程序4.1额定数据（1）额定功率：PN=7.5kw（2）相数：m=3（3）额定电压（线电压）：UN=400V额定相电压（Y型接法）：V（4）额定相电流：A（5）效率：（6）功率因数：（滞后）（7）额定转速：（8）额定频率:（9）冷却方式:空气冷却（10）转子结构方式：切向套环式（11）固有电压调整率：4.2永磁材料的参数尺寸确定（12）永磁材料牌号：N35H（13）预计工作温度：（14）剩余磁通密度：工作温度时的剩磁密度：（15）计算矫顽力工作温度时的计算矫顽力：（16）相对回复磁导率：真空磁导率，（17）在最高工作温度时退磁曲线拐点位置（18）永磁体磁化方向长度：（19）永磁体宽度：（20）永磁体轴向长度：（21）永磁体段数：（22）极对数：（23）永磁体每极截面积:切向结构（24）永磁体每对极磁化方向长度：（25）永磁体体积:（26）永磁体质量：钕铁硼永磁4.3转子结构尺寸（27）气隙长度:均匀气隙空气隙长度（cm）:无纬玻璃丝带厚度或非磁性材料套环厚度，cm（28）转子外径:（29）轴孔直径：（30）转子铁心长度：（31）衬套厚度：切向套环结构其中（32）极距：（33）极弧系数：（34）极间宽度：4.4定子绕组和定子冲片尺寸（35）定子外径：（36）定子内径：（37）定子铁心长度：（38）每极每相槽数：（39）定子槽数：（40）绕组节距：（41）短距系数：双层绕组（42）分布系数：（43）斜槽因数：斜槽中心角，斜槽宽距离，（44）绕组系数：（45）预估永磁体空载工作点：（46）预估空载漏磁系数：（47）预估空载磁通：（48）预估空载电动势：V（49）绕组每相串联匝数：（50）每槽导体数：（取16）（51）实际每相串联匝数：（52）估算绕组线规：假设采用两根直径为1.3mm和一根直径为0.9mm三根并绕，绝缘后直径分别为1.41mm和1.0mm。总截面积：（53）实际电流密度：（54）电负荷：（55）定子冲片槽型设计：图4-1定子槽型（56）槽满率：槽面积槽绝缘占面积：4.5磁路计算（57）计算空载磁通：Wb（58）计算极弧系数（均匀气隙）：（59）铁心有效长度（定，转子轴向长度相等）：（60）气隙磁密：T（61）气隙系数：（62）气隙磁位差：A（63）定子齿磁密：T（64）定子齿磁位差：A取115.2取1.073（65）定子轭磁密：T（66）定子轭磁位差：A-定子轭磁场强度取-考虑轭部磁通密度不均匀而引入的轭部磁路长度校正系数，取0.32-定子轭磁路计算长度：cm（67）极靴平均磁密：T-极靴轴向长度17cm（68）极靴磁位差：A查表取1.063取4.8cm（69）磁性衬套平均磁密：对于切向式结构，T（70）磁性衬套磁位差：A（71）总磁位差：（72）主磁导：H主磁导标幺值：（73）漏磁导（利用电磁计算而得到）：漏磁导标幺值：（74）外磁路总磁导：H外磁路总磁导标幺值：（75）永磁体空载工作点：（76）空载漏磁系数：（77）空载气隙磁通：（通过）（78）空载气隙磁密：T（79）空载定子齿磁密：T（80）空载定子轭磁密：T（81）绕组平均半匝长：cm-线圈端部平均长，取15.75cm（82）每相绕组电阻：（83）槽比漏磁导：（84）端部比漏磁导：（85）差漏磁导：（86）齿顶比漏磁导：（87）总漏磁导系数：（88）每相绕组漏抗：每相绕组漏抗标幺值：（89）每极电枢磁动势：A（90）交轴电枢反应电抗：（91）交轴同步电抗：交轴同步电抗标幺值：（92）内功率因数角：（93）每极直轴电枢磁动势：每极直轴电枢磁动势标幺值：（94）主磁体负载工作点：（95）额定负载气隙磁通：（96）负载漏磁系数：（97）负载气隙磁密：T（98）负载定子齿磁密：（99）负载定子轭磁密：（100）直轴电枢反应电抗：直轴电枢反应电抗标幺值：（101）直轴同步电抗：直轴同步电抗标幺值：4.6电压调整率和短路电路计算（102）空载励磁电势：（103）额定负载时直轴内电动势：（104）输出电压：（105）电压调整率：（106）短路电流倍数：=7.674（107）永磁体最大去磁工作点:4.7损耗和效率计算（108）定子齿质量：（109）定子轭质量：（110）齿部单位铁耗：（111）轭部单位铁耗：（112）定子铁耗：（113）定子绕组铜耗：（114）机械损耗：（115）杂散损耗：（116）总损耗：（117）效率第5章磁场有限元分析5.1有限元分析法和Ansoft软件介绍磁场有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单的、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解，然后得到各节点的磁位，进而得到相应的磁场量。稀土永磁电机的永磁体具有很高的磁能、单位体积的力能指标高、电磁负荷高、电机尺寸小等优点得到越来越快的发展。传统的电机设计过程是采用磁场耦合法对电机磁场进行计算，但是这种方法在稀土电机设计中存在难以得到准确的磁路计算结果、设计结果和实际的电机相差比较大、研发周期长、成本高等缺点。随着数据计算和仿真技术的不断发展，采用磁路法和有限元方法相结合对电机的电磁场进行分析和计算，可获得更加准确的计算结果，同时可以缩短研发周期和节约成本。本文利用Ansoft公司最新版的Maxwell2D仿真软件建立永磁同步发电机的模型，它结合了基于磁路法设计旋转电机的Rmxprt软件和基于有限元法的电磁场计算软件Maxwell12。本发电机在其他参数不变的情况下，通过改变永磁体磁化方向长度和气隙大小进行分析，并通过两个软件进行仿真对比，从而使得电机的设计更结合理。根据永磁同步发电机的设计指标，首先通过Ansoft中的Rmxprt软件进行电机设计仿真和优化，它能快速提供基于磁路法的分析结果，然后观察电机主要参数对磁密和电机特性的影响，相应调整电机尺寸和绕组结构得到最佳电机设计方案。本设计要求的额定功率为7.5KW，额定转速为1500r∕min，极对数2，频率50Hz，效率94%。5.2电机的电磁仿真及设计优化5.2.1采用RMxprt进行路的方法计算1.建立项目启动MaxwellControlPanel进入Maxwell控制板建立所设计电机项目，本设计项目名为YCTF，如图5.1所示。图5.1建立项目2.输入数据1）输入基本数据功率7.5Kw、功率因数0.9、电压400V、极数4、频率50Hz、摩擦损耗70W、工作温度75oC、连接方式Y以及仿真类型。图5.2基本数据的输入2）输入定子铁心数据定子外径220mm、内径146mm、槽数36、斜槽数1以及槽型尺寸。图5.3定子铁心数据的输入3）输入定子绕组数据铁心长度170mm、叠压系数0.93、定子冲片型号M19-24G、并联支路数1、每槽导体数32、节距8以及绕组形式。图5.4定子绕组数据输入4）输入转子数据气隙长度2mm、转子内径40mm、转子铁心长175、转子冲片叠压系数0.93、冲片型号M19-24G、永磁体牌号N35H、永磁体尺寸以及转子结构类型。图5.5转子数据的输入3通过Rmxprt窗口中Run∕AnalyticalDesign操作运行所输入的参数，输出数据、图形和曲线如下：（1）输出数据：PERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSGENERATORDESIGNFile:d:/仿真软件/maxwell/default/yctf.pjt/yctf.resGENERALDATARatedOutputPower(kW): 7.5RatedPowerFactor: 0.9RatedVoltage(V): 400NumberofPoles: 4Frequency(Hz): 50FrictionandWindLoss(W): 70RotorPosition: InnerOperatingTemperature(C): 75TypeofCircuit: S3OperationType: IndividualMachineDomain: FrequencySTATORDATANumberofStatorSlots: 36OuterDiameterofStator(mm): 220InnerDiameterofStator(mm): 146TypeofStatorSlot: 2DimensionofStatorSloths0(mm): 1hs1(mm): 1.3hs2(mm): 8bs0(mm): 4bs1(mm): 7.2bs2(mm): 8.6TopToothWidth(mm): 5.94233BottomToothWidth(mm): 5.93859SkewWidth(NumberofSlots): 1LengthofStatorCore(mm): 174StackingFactorofStatorCore: 0.93TypeofSteel: M19-24GSlotInsulationThickness(mm): 0.3EndLengthAdjustment(mm): 0NumberofParallelBranches: 1NumberofConductorsperSlot: 32TypeofCoils: 22AverageCoilPitch: 8NumberofWiresperConductor: 2WireDiameter(mm): 0.85WireWrapThickness(mm): 0.09StatorSlotFillFactor(%): 71.9001CoilHalf-TurnLength(mm): 338.724ROTORDATAMinimumAirGap(mm): 2InnerDiameter(mm): 40LengthofRotor(mm): 175StackingFactorofIronCore: 0.93TypeofSteel: M19-24GShaftDiameter(mm): 33MechanicalPoleEmbrace: 0.820072ElectricalPoleEmbrace: 0.863649Max.ThicknessofMagnet(mm): 20WidthofMagnet(mm): 45TypeofMagnet: n35hTypeofRotor: 4PERMANENTMAGNETDATAResidualFluxDensity(Tesla): 1.22CoerciveForce(kA/m): 923MaximumEnergyDensity(kJ/m^3): 282RelativeRecoilPermeability: 1.049DemagnetizedFluxDensity(Tesla): 0.457872RecoilResidualFluxDensity(Tesla): 1.21891RecoilCoerciveForce(kA/m): 924.696MATERIALCONSUMPTIONArmatureCopperDensity(kg/m^3): 8900PermanentMagnetDensity(kg/m^3): 7800ArmatureCoreSteelDensity(kg/m^3): 7650RotorCoreSteelDensity(kg/m^3): 7650ArmatureCopperWeight(kg): 3.94136PermanentMagnetWeight(kg): 4.914ArmatureCoreSteelWeight(kg): 21.7192RotorCoreSteelWeight(kg): 13.0731TotalNetWeight(kg): 43.6476ArmatureCoreSteelConsumption(kg): 41.1189RotorCoreSteelConsumption(kg): 20.5593STEADYSTATEPARAMETERSStatorWindingFactor: 0.818579D-AxisReactiveReactanceXad(ohm): 1.61566Q-AxisReactiveReactanceXaq(ohm): 6.36334D-AxisReactanceX1+Xad(ohm): 2.92832Q-AxisReactanceX1+Xaq(ohm): 7.676ArmatureLeakageReactanceX1(ohm): 1.31266Zero-SequenceReactanceX0(ohm): 0.697265ArmaturePhaseResistanceR1(ohm): 2.48702NO-LOADMAGNETICDATAStator-TeethFluxDensity(Tesla): 1.95904Stator-YokeFluxDensity(Tesla): 1.8975Rotor-YokeFluxDensity(Tesla): 0.881674Air-GapFluxDensity(Tesla): 0.830289MagnetFluxDensity(Tesla): 0.929284Stator-TeethAmpereTurns(A.T): 348.031Stator-YokeAmpereTurns(A.T): 359.938Rotor-YokeAmpereTurns(A.T): 2.03805Air-GapAmpereTurns(A.T): 1486.68MagnetAmpereTurns(A.T): -2197.17Leakage-FluxFactor: 1CorrectionFactorforMagneticCircuitLengthofStatorYoke: 0.14865CorrectionFactorforMagneticCircuitLengthofRoorYoke: 0.591888FundamentalInducedVoltage(V): 454.508THDofInducedVoltage(%): 1.2048CoggingTorque(N.m): 1.99316e-011FULL-LOADDATALoadResistance(ohm): 51.84LoadInductance(H): 0.0799189LoadLineVoltage(V): 403.537RMSLineCurrent(A): 6.98175RMSPhaseCurrent(A): 6.98175ArmatureThermalLoad(A^2/mm^3): 107.875SpecificElectricLoading(A/mm): 17.5353ArmatureCurrentDensity(A/mm^2): 6.15186FrictionandWindLoss(W): 70Iron-CoreLoss(W): 122.651ArmatureCopperLoss(W): 363.688TotalLoss(W): 556.34OutputPower(W): 7508.67InputPower(W): 8065.01Efficiency(%): 93.1018ApparentPower(VA): 8452.4SynchronousSpeed(rpm): 1500RatedTorque(N.m): 51.3434ShortCircuitCurrent(A): 58.2215WINDINGARRANGEMENTThe3-phase,2-layerwindingcanbearrangedin18slotsasbelow:AAAAAABBBBBBCCCCCCAngleperslot(elec.degrees): 20Phase-Aaxis(elec.degrees): 130Firstslotcenter(elec.degrees): 0TRANSIENTFEAINPUTDATAForArmatureWinding:NumberofTurns: 192ParallelBranches: 1TerminalResistance(ohm): 2.48702EndLeakageInductance(H): 0.001154242DEquivalentValue:EquivalentAir-GapLength(mm): 174EquivalentStatorStackingFactor: 0.93EquivalentRotorStackingFactor: 0.935345EquivalentBr(Tesla): 1.22591EquivalentHc(kA/m): 924.696EstimatedRotorInertia(kgm^2): 0.0544861Ansoft中RMxprt模块是基于传统电机设计方法（路的计算方法）而进行的电磁设计参数优化，仿真输出主要参数如下：（线电压）LoadLineVoltage(V): 403.537（线电流）RMSLineCurrent(A): 6.98175（相电流）RMSPhaseCurrent(A): 6.98175（输出功率）OutputPower(W): 7508.67（功率因数）PowerFactor: 0.888347（效率）Efficiency(%): 93.1018从以上参数可以看出电磁设计中的各项指标已达设计任务书的全部要求，已达最优电磁设计的目的。（2）图形：图5.6定∕转子截面图上图中为RMxprt运行后自动生成的电机定∕转子横截面图。点击view∕windinglayout显示图5.7各相线圈分布图图中真实地反映了定子绕组在定子槽中所放置的顺序，即各相绕组排列方式。（3）输出曲线：在Asoft∕RMxprt的PerformanceCurves能清晰的查看所设计电机中各参数随着电角度变化的曲线：图5.9空载下气隙磁通波形从图中可以看出气隙磁密的波形为平顶波，其所含有大量奇次谐波磁通。图5.8空载额定转速下每匝线圈感应电势波形图中红色的曲线为槽中每根导体所感应出来的电势曲线。红色所反映的为每匝线圈所感应的电势波形，其中也含有各种奇次谐波。从以上两张图形的曲线可以清晰的看出空载下各匝线圈的感应电势的波形和空载气隙磁通的波形基本是相似的，空载磁通在定子线圈中感应出与其同相位的感应电势；但是每匝线圈中的电势波形畸变率非常大，通常采用分布和短距的绕组形式能有效地消除感应电势的奇次（主要是5次和7次）谐波。图5.10空载额定转速下每相绕组感应电势波形由图可以看出在每相绕组均采用短距和分布的绕组形行可以明显的消弱各匝线圈感应电势的各奇次谐波，使之接近于正弦波以满足负载对输出电压波形的要求。图5.11负载下各相绕组电流波形当发电机带额定三相对称负载运行时各相电流波形为上图所示；图中黄、绿、红分别为A、B、C三相的负载电流波形，其中B相滞后于A相120度电角度、C相滞后于B相120度电角度。图5.12负载下线∕相电势波形（4）建立Maxwell2D几何模型点击下拉菜单Analysis∕ViewGeometry，弹出2DModeler窗口显示如下：图5.13电机2D几何模型5.2.2Maxwell2D动态仿真和相关参数设置（1）创建二维电磁场Maxwell2D项目（CreatMaxwell2DProject）：点击下拉菜单PostProcess∕CreateMaxwell2DProject,弹出CreatMaxwell2DProject窗口。分别在ProjectName和Path栏中输入项目名称和路径，点击Creat完成Maxwewll2D项目的创建。（2）几何模型的设置(SetUptheGeometry)：用Maxwell2DControlPanel打开已创建的2D项目2DFZ，出现Maxwell2D的主窗口（如下图4-15）。图5.14Maxwell2D项目（3）设置材料特征(SetupMaterials)：点击SetupMaterial，进入材料管理窗口加入新的非线性铁磁材料M19-24和新的永磁材料N35H及相关结构组件的材料属性。（4）设置边界条件和激励源（SetupBoundary∕Sources）：点击SetupBoundary∕Sources进入2DBoundary∕Sourcemanager窗口；分别定义主边界、辅助边界和设置定子绕组参数、定子外径边界值、外部电路。（5）设置参数：设置铁心损耗参数，选择铁心牌号为M19-24G，并导入其磁滞损耗曲线。（6）设置求解条件：a对自动生成的有限元网络剖分进行局部细化；b设置动态分析的有关选项；c运动关系设置。（7）求解：点击下拉菜单命令Solve∕NominalProblem,开始进行有限元分析计算。在计算过程中，可以用REFRESH命令观察电压电流等相关动态曲线。5.2.3动态性能曲线及分析（1）在Maxwell2D主窗口中，点击下拉菜单PostProcess∕TransientData,弹出PlotData窗口和Open小窗口。（2）在Open窗口中双击某项特性数据文件，PlotData窗口中绘出该特性的动态过程曲线图（仿真时间为0.06秒，时间步长0.001秒，输出曲线分别如下图所示）。图5.152D网络分割图在Asoft∕Maxwell2D中基于有限元的分析思想将电机的气隙磁场进行二维建模，首先必须根据电机2D模型的边界对电机将磁场分割成有限个单位元，然后才能对所设计的电机磁场进行瞬态仿真和分析，最后输出电机的各个参数随时间变化的波形曲线。在Maxwell2D软件运行的能对电机的各项性能指标进行验证和输出其随时间变化的曲线图，设置仿真求解条件时选择的步长越短，总仿真时间就越长，但是磁场计算的精度不会随仿真步长减断而增大。在本设计中所选取的运行步长为0.0001s,总仿真时间为0.06s（三个磁场周期）总的时间为三个磁场周期。图5.16绕组反电势波形图中反映出定子绕组反电势，即电枢反应电势的波形为随时间变化的正弦波。图5.17铁芯损耗随时间波形电机的损耗从瞬态经过近一个周期的时间的衰变将趋于稳定状态，并随着时间周期变化，其变化的频率为电压∕电路的两倍。因为在电压∕电流交变一次，转子磁场转过一个对极，而损耗随着磁通的变化了两次，固其损耗的交变频率为电压∕电流的两倍关系。图5.18线电流随时间波形图5.19磁链随时间波形在电机从瞬态进入稳态的电压∕电流随时间变化的波形中能看出电机从启动到稳定运行时，端电压∕电流是频率为50Hz、正弦波变化，都能符合设计任务书所给的要求，在外加三相对称负载的情况下能很好地稳定运行。图5.20有功损耗随时间波形在电机从启动的瞬态进入稳态运行，电机的有功损耗随着时间而趋于稳定为电机的稳定运行提供了有利的条件，并且更能提高电机的运行时的效率。图5.21输出电压随时间波形5.2.4结论本章首先利用有限元分析软件AnsoftRMxprt对所设计的永磁同步发电机结构参数进行分析并确定了此设计电机的最优化参数；其次通过在Maxwell2D中建立二维动态模型来进一步对电机的瞬态和稳态进行有限元分析。仿真结果比较准确地反应了永磁同步发电机的瞬态过程，以及电机的反电势、电流、气隙磁密分布特性；为进一步优化永磁同步发电机尺寸、槽型、绕组分布的设计提供了基础。从仿真所输出的数据、图形和曲线能得出以下几点结论：永磁体的类型和尺寸直接影响电机的功率和体积大小，永磁体的体积并不是越大越好。永磁电机由永磁体向外提供磁能，以气隙磁场作为媒介进行机电能量转换。选择合理的气隙大小可以提高永磁体的利用率和电机的效率又可以减少电枢反应对电机的影响。电机的磁场分布比较合理，磁场饱和区域少。有限元突出的优点：1适用于具有复杂边界形状或边界条件，含有复杂媒质的定解问题2其分析过程易于实现标准化，并能得到通用的计算程序且计算精度高3能求解非线性问题总之在电机电磁设计过程当中采用磁场有限元分析法是一种非常行之有效的方法，利用有限元分析软件对电机磁场进行分析和建模仿真使设计得到进一步的优化，能缩短电机的设计周期和提高电机的设计质量以及各种材料的利用率。结束语在此次的毕业设计课题研究当中，首先利用电机传统的设计方法对永磁发电机的尺寸进行合理的计算和选型，在计算尺寸大小的同时也确定好电机的转子磁路类型、定子冲片，槽型大小尺寸以及定子三相绕组的形式；其次利用图解法对转子永磁体进行等效计算，计算出电机的磁路和电路的各有关参数，求出电机的各种损耗及效率。传统的永磁电机磁场都采用解析法来进行计算，在本设计课题是基于磁场的有限元的分析法软件Ansoft对电机的电磁设计进行参数优化和对气隙磁场进行二维建模仿真，从有限元的分析思想对电机从瞬态到稳定进行有限元分析，通过Asoft软件的仿真输出波形和数据中得出电机的运行情况以及设计当中所需改进的方面。通过仿真的输出的气隙磁场、线圈感应电势、齿槽转矩、额定负载下的电压∕电流以及和损耗随时间变化的波形和相关数据结果可以看出磁场有限元分析法是一种非常有效的磁场分析法，它能很好的弥补传统电机磁场分析法的不足，特别适用于永磁电机的设计当中，同时为永磁电机磁场的分析和计算提供了一个快速、准确的分析计算环境。但是永磁电机的磁场不可调节性和磁性材料的各种不稳定性仍然是阻碍永磁体在电机中应用的最主要因素。现阶段的钕铁硼永磁虽然磁性性能远优越于第一、二代永磁，但是其温度系数不高仍是限制其在更广领域应用的最主要因素之一。将来永磁电机的发展将与永磁材料及永磁电机的控制联系得更加紧密，只有很好的解决永磁材