基于AnsoftMaxwell的电机气隙径向磁密求取.pdf
基于Ansoft Maxwell 的电机气隙径向磁密求取
编写：y1949b
日期：2011-7-10
首发：西莫论坛（https://www.360docs.net/doc/6e13296080.html,）
1 前言
使用工具： Ansoft Maxwell 2D V14.0
目的：求取电机气隙径向磁密
例子：pmsg-1.mxwl
例子所在目录：C:\Program Files\Ansoft\Maxwell14.0\Examples\RMxprt\pmsg（默认安装路径的话）
2 正文
使用静磁场求解器，本例求解的为永磁同步电机的空载气隙径向磁密，电机模型如图2-1，为全模型。
图2-1
打开场计算器，如图2-2所示
图2-2
场计算器如图2-3所示，其中序号1、2、3、4、5 为主要的点取顺序，其气隙径向磁密利用的公式2-1为
B=B X×cos(θ)+ B Y×sin(θ) （2-1）式中 B-径向磁密
B X-磁密的x轴分量
By-磁密的y轴分量
θ-柱坐标的θ
图2-3
具体的点取顺序见下图2-4至2-13
图2-4
图2-5
图2-6
图2-6
图2-7
图2-8
图2-9
图2-10
图2-11
(完整word版)永磁电机
1.论述永磁电机相对于传统电励磁电机的优缺点 优点： ①取消了励磁系统，降低了损耗，提高了效率； ②取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠； ③稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻； ④电机的尺寸和形状灵活多变； ⑤微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低。 缺点： ①控制问题 由于永磁电机是靠永磁体建立机电能量转换所需，气隙磁场永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。 ②不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。 ③成本问题 铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。 2.画出永磁材料的特性曲线，并列出其主要参数
永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。 永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。 磁能积曲线 (BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。 回复线
永磁同步电机学习笔记
1.内功率因数角：定子相电流与空载反电势的夹角，定子相电流超前时为正。 2.功率角（转矩角）：外施相电压超前空载反电势的角度，是表征负载大小的象征。 3.功率因数角：外施相电压与定子相电流的夹角。 4.内功率因数角决定直轴电枢反应是出于增磁还是去磁状态的因素。 5.实际的空载反电势由磁钢产生的空载气隙磁通在电枢绕组中感应产生，当实际反电势大于临界反电势时，电动机将处于去磁工作状态。空载损耗与空载电流是永磁电机出厂试验的两个重要指标，而空载反电势对这两个指标的影响尤其重大。空载反电势变动时空载损耗和空载电流也有一个最小值，空载反电势设计得过大或过小都会导致空载损耗和空载电流的上升，这是因为过大或过小都会导致空载电流中直轴电流分量急剧增大的缘故。还对电动机的动、稳态性能均影响较大。永磁机的尺寸和性能改变时，曲线定子电流I=f(E)是一条V形曲线。（类似于电励磁同步机定子电流和励磁电流的关系曲线） 6.由于永磁同步电动机的直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大值所对应的转矩角大于90度，而不像电励磁同步电机那样小于90度。这是一个特点。 7.工作特性曲线： 知道了空载反电势、直轴同步电抗、交轴同步电抗和定子电阻后，给出一系列不同的转矩角，便可以求出相应的输入功率，定子相电
流和功率因数，然后求出电动机在此时的损耗，便可以得到电动机出去功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线，即为电动机工作曲线。 8.铁心损耗： 电动机温度和负载变化导致磁钢工作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化。温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，铁耗越小。工程上采用与感应电机铁耗类似的公式，然后进行经验修正。 9.计算极弧系数： 气隙磁密平均值与最大值的比值。它的大小决定气隙磁密分布曲线的形状，因而决定励磁磁势分布的形状、空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。其大小还影响气隙基波磁通与气隙总磁通比值，即磁钢利用率，和气隙中谐波的大小。 10.永磁电机气隙长度： 是非常关键的尺寸。尽管他对于永磁机的无功电流影响不如感应电机敏感，但对于交直轴电抗影响很大，继而影响电动机的其他性能。还对电动机的装配工艺和杂散损耗影响较大。 11.空载漏磁系数： 是很重要的参数，是空载时总磁通与主磁通之比，是个大于1 的数，反映空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度。空载漏磁系数以磁导表示的表达式又正好是负载时外磁路应用戴维宁定理进行等效转换的变换系数，同时由于负载情况的不同，电枢磁动势大小不同，磁路的饱和程度也随之改变，气隙磁导、漏磁导
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调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
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关于发电机定、转子间气隙的计 算方法简介 1.关于定、转子间气隙结构的介绍 水轮发电机的定转子间的空气间隙，顾名思义就是发电机定子与转子间的间隙。具体一点就是定子铁芯壁与转子磁极表面之间的间隙。其示意图如下： 图1 发电机定、转子间的气隙结构 2.气隙的状态监测方法 首先要明白，测量转子的不圆度以及偏心距和偏心角是对某一个气隙传感器而言的；定子的不圆度是对某一个磁极而言的。 2.1键相同步 目前在发电机的定子内壁上装有四个平板电容式位移传感器（后面简称为：
气隙传感器），和一个电涡流传感器。其安装方位如下图所示： 图2 气隙测量示意图 就上图所示的安装方位而言，电涡流传感器W的作用是使键相同步，即当电涡流传感器转一圈后接到电信号时，此时的1号磁极正好经过B号气隙传感器，当转子转动一圈后，电涡流传感器再次接收到电信号时，此时1号磁极再次经过B号气隙传感器。这就是键相同步。有了键相同步的测量基点后，我们就可以推算出每一个气隙传感器在不同时刻测得的气隙值所对应的是哪一号磁极。 2.2气隙测量 在确定键相后，就可以通过气隙传感器测出每一号磁极与该传感器的气隙大小，最后可以作出转子轮廓的大致结构。当我们在定、转子之间装有足够多的气隙传感器时，就可以测出同一个磁极在转子转一圈的过程中与每一个气隙传感器的气隙大小，这样就可以大致描绘出定子的内壁轮廓。 在气隙传感器测得一段信号后，下面将简单介绍怎样在这组信号中提取出气
隙的值。 如下图所示，为B号气隙传感器在涡流传感器W接收到信号时刻开始测得的信号波形图。 图3 B号气隙传感器检测到的信号波形 上图是根据图2所对应的磁极关系来确定的B号气隙传感器的信号波形，即当涡流传感器接收到信号时，正好是1号磁极经过B号气隙传感器。此后依次是2、3、4号磁极经过该传感器。我们所要测量的气隙值就是上图所示的波形的每一个“波谷”，即每一个最小值对应的就是该磁极与定子间的气隙值。 如下面所示，为某一水电站的发电机定、转子间气隙图，该图是就同一传感器（如图2 中的B号传感器）所测的各磁极气隙大小。
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电机运转前的准备工作与电动机气隙测 量 电机运转前的准备工作 1．仔细察看电机内部情况，不得有外物存在。 2．用大约2个大气压的干保压缩空气．清除电机各部分之灰尘．为避免损坏线圈的绝缘起见，不能用金属吹管。 3．用煤油清洗轴承。 4．用油环式润滑的轴承，将润滑油注入轴承中到所规定的油面高度，润滑油注入之前，应检查油的牌号是否合乎要求，油是否变质或不清洁。如不清洁时，必须调换新油。 对一般电机而言、用油环润滑者，采用机器油，用压力加油润滑或混合式润滑者．采用透平油。 滚动轴承的润滑材抖．一般电机采用钙钠基润滑脂，湿热带型电机采用硫化铂复合钙基脂或锂基润滑脂。 5．如电机和其他机器直接连接时，须检查联轴器是否良好，同时检查机组的中心线是否在一直线上。 6．如电机和其他机器借减速齿轮箱连接时，须检查联轴器的连接情况，并检查齿轮轮中有无轧牢情况。 7．用手或工具转动转子，看转动是否灵活。以便检查安装质量和轴承润滑情况是否良好。 8，用沾有少量汽油的棉纱，将换向器及集电环的表面揩净，如
集电环上有铜锈时，必须用细砂皮纸按去，如果换向片间槽中有垃圾时，应用硬纸板去清除。 9．检查集电环和换向路上的电刷装置是否正确，刷架的固定必须牢固，电刷在刷盒内应能上下移动自如，但不应有偏转，其配合应为D6/Dc8，电刷盒与集电环或换向器间的间隔应保持在2—3毫米之间，并须注意电刷与刷盒间空隙不要有凝结水。10．电刷与集电环或换向器的接触应良好，如接触不良时，应该用细沙皮纸按电机旋转方向磨光电刷。 11．检查电刷压力，换向器。广电刷压力为0．15一0.2公斤／厘米”，集电环上电刷压力对于1500转/分者为0．2一0.4公斤／厘米”，对于1000转/分及以下者为0、2一0．25公斤／厘米”，电刷彼此间的压力相差不应大于+-10％，电刷上的编织导线，不能与机壳或不同极性的电刷相碰。 12．测量电机的定转子绝缘电阻，应不小于按第III章一节第 l 条公式计算所得之值。 (如运转前恰为干燥后不久，则此时不必再测量)。 13．用塞尺测量同步电机各个磁极顶部与定于间之气隙不均匀度，以及励磁机主极与电枢间的气隙不均匀度，其最大或最小气隙与平均气隙之差对平均气隙之比，一般不得超过+-5％，在低速电机中，不应超过+-10％。 14．检查同步电机和励磁机的气隙值，当气隙为3毫米及以下者，容差为土10％，气隙超过3毫米以上者，容差不应超过土5％。
永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕组反电势的解析计算
永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕组反电势的解 析计算 王兴华，励庆孚，王曙鸿 （西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049） 摘要：该文利用许-克变换构造了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数，该气隙相对比磁导函数反映了齿槽效应对气隙磁场分布的影响，且这种影响的程度随气隙中的径向位置而变化。在忽略铁心饱和的情况下，结合偏微分方程的解析算法，提出了一种考虑齿槽效应的永磁无刷直流电机空载气隙磁场分布和相绕组反电动势的解析计算方法。计算结果与二维有限元计算结果对比，其计算波形和大小吻合很好。证明此方法是正确的、可靠的，为永磁无刷直流电机优化设计和性能分析提供了基本分析手段。 关键词：永磁无刷电机；气隙磁场；反电势；解析计算 1 引言 对于永久磁钢表面安装的永磁电机，由于定子铁心开有若干槽，使气隙磁导并非均匀值，从而导致电机气隙磁场并非理想的梯形波，其中含有幅值较大的齿谐波，当电机旋转时会引起相绕组交链磁链的波动，使相绕组反电势出现波动，进而导致绕组相电流的脉动，引起电磁转矩的波动，最终引起电机的振动和噪声。 可见，要准确计算永磁电机的电磁转矩波动，首先应准确计算电机气隙内的磁场分布，从而可以准确计算出电机相绕组的反电动势变化波形和电机的电磁转矩波动，以确定有效的改进措施和控制策略。而准确计算永磁电机气隙内磁场分布的关键是如何考虑齿槽结构对气隙磁场分布的影响。 在气隙磁场的求解方法中，有限元数值计算方法可以准确计算出气隙磁场的分布波形，具有通用性强、适用于各种媒质的特点。但其前处理过程复杂、计算时间较长，对使用者有较高的技术要求，在电机优化设计中不便采用。解析方法可以较准确地计算气隙磁场分布波形，同时可以观察到气隙磁场分布与结构尺寸之间的关系，具有很大的工程实用价值。文献[1]、[2]利用解析方法对气隙磁场进行计算，求解出气隙磁场的分布波形，但文中忽略了齿槽的影响。文献[3]讨论了永磁电机中定子斜槽（或转子斜极）、永磁体磁化方式、气隙长度、转子半径和永磁体极弧系数对气隙磁场分布的影响，给出计算气隙磁场分布的经验公式，由此计算出相绕组反电动势变化波形，可是文中忽略了齿槽的影响，公式的通用性也较差。文献[4]采用等效磁路的方法构造出考虑齿槽效应的气隙磁导分布函数，以此求解电机内气隙磁场的分布，但文中等效磁路法默认为齿槽效应对气隙磁场分布的影响程度与气隙内的径向位置无关，这与实际磁场分布有一定偏差[5]。文献[6]采用部分区域的方法，利用连续边界条件求解齿槽对气隙磁场的影响，但文中忽略了永磁体相对磁导率m r的影响。 本文以许-克变换为基础，构造出考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数，该气隙相对比磁导函数反映了齿槽效应对气隙磁场的影响程度，且这种影响程度随气隙径向位置而变化。在忽略铁心饱和的情况下，本文结合偏微分方程的解析算法，提出了一种永磁无刷直流电机空载气隙磁场分布和相绕组反电势的解析计算方