永磁同步发电机的有限元分析

开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

1. 永磁同步发电机简介1.1永磁同步发电机概述永磁同步发电机的工作原理与电励磁同步发电机相同，但它以永磁体提供的磁通替代了后者的电励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了发电机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了发电机的效率和功率密度。

因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、损耗小，效率和功率因数高等一系列优点，因而它是近年来应用非常广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

永磁电机由于转子磁场由永磁体产生，制成后难以调节磁场来控制其输出电压和功率因数，同时永磁材料加工工艺的分散性，永磁材料的（特便是铁氧体永磁和钕铁硼永磁）的温度系数大，导致电机的输出电压分散，偏离额定电压；采用稀土永磁后，目前价格昂贵。

随着电力电子器件的性能价格比不断提高，目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压，上述缺点可以得到弥补。

1.2 永磁材料国内外发展及现状永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。

我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。

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40 KJ∕m3），磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。

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毕业设计（论文）开题报告２．开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施开题报告一、目的与意义通过对永磁同步发电机的电磁设计和磁场有限元分析的研究，进一步掌握永磁材料的特性及应用和同步发电机的原理、结构、特性、应用。

由于相比于传统电励磁电机，永磁电机具有诸多优点，如永磁同步发电机的气隙磁场是由永磁体提供的，无需励磁电流和励磁损耗。

同步转速运行时，转子不产生铜耗和铁耗, 效率和功率因数高于电励磁同步发电机3% - 10% 。

随着永磁材料的性能不断的提高，永磁材料将在各种电机中也运用的越来越广泛，能更好的满足各种环境要求。

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”。

稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。

稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。

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。

采用有限元分析法及结核计算机软件分析技术能通过软件来建立电机的动态模型得到电机模拟运行时的各项磁场参数，更好的了解和解决永磁电机实际运行中的各种问题。

二、永磁电机的发展现状与前景永磁电机的发展与永磁材料的发展息息相关，永磁电机与永磁材料相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段。

1）60年代后期和70年代，由于稀土钴接个昂贵，研究开发重点是航空航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。

2）80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。

稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅是许多传统电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。

3）进人90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子元件的进一步发展和改进，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果外，稀土永磁电机的应用和开发进入一个新阶段，目前正向大功率化(超高速，高转矩)，高功能化和微型化方向发展。

现将近年来国外文献介绍的各种应用率例及发展趋势如下。

大功率化1.超高速电机我们知道，要想在一定的电机体积下提高电机的额定功率就必须大幅度提高电机的转速。

稀土永磁电机不需要励磁绕组，结构比较简单，磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值，从而使大幅度提高转速成为可能。

目前已制成每分钟二三万转的电机，正在研制每分钟几十万转的电机。

与此相应的转子结构有三种类型。

(1)径向气隙电机这方面的典型产品有美国通用电气公司早期研制的150kW 23000r／min的航空用起动／发电机和日本的1000kW 15000r／min的钐钴永磁同步发电机。

超高速电机在旋转时有很大的离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。

由于径向气隙电机的磁通方向与离心力方向相同，转子外围的非磁性护环和粘结剂成为实际气隙长度的一部分，从而降低了气隙磁密，或者需要增加稀土永磁用量。

(2)轴向气隙电机这种电机的磁通方向与径向的离心力正交，转子外围的护环和粘结剂并不影响轴向的磁路，因而不降低气隙磁通。

但是这种结构的轴向磁拉力大，转子惯量也大，采取无铁心转子等措施可以解决上述问题。

另外为增加额定功率，可以将转子圆盘在轴向分成几段。

目前正在研制几百千瓦的电机。

(3)外转子电机这种结构的永磁体粘结在外转子的内周表面，可以防止永磁伴的飞散，因而不会增大气隙长度也就不会降低气隙磁密。

但在轭的根部附近应力集中，需要加厚。

2.高转矩电动机永磁电机与过去使用的直流电动机相比，体积可减小60％左右，损牦可降低20％左右，而且不要电刷和换向器，维护方便。

转子内周的空间可装入变频器电路，使结构紧凑，空间利用充分。

高功能化在高温、高真空度或空间狭小等特殊使用场合，难以使用传统电机，而稀土永磁电机可以耐高温(指钐钻永磁)，且体积小，正好能满足这些特殊要求。

1．高温电动机和高真空电动机宇航设备、宇宙空间的机械手，原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。

已开发的有150W 3000r/min，工作在200 ～300℃高温和133.3X10-6Pa真空度环境下的三相4极永磁电动机，直径105mm，长145mm。

采用高温特性好的钐钴Sm2Co17永磁体以及以金属和陶瓷系的无机材料为主的结构材料。

2. 电动汽车用电动机为解决大气污染问题，国内外都十分重视开发实用的电动汽车。

对于电动汽车用电动机，既要求体积小、重量轻、效率高，又要求在高温和严酷条件下的运行可靠性。

目前发展趋势之一是在车轮轮箍中装入外转子稀土永磁电动机，以直接驱动电动汽车或电车。

3. 内装逆变器电动机无刷直流电动机的应用越来越广泛，目前的趋势是将逆变器装入电动机内，使之成为一体，做到系统整体小型化。

由于稀土永磁电机可以做到体积小，转子内部又没有热源，温升值不大，有可能装入逆变器，法国Alsthom开发的100kW无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，总重量只有28kg。

微型化由于钕铁硼永磁的最大磁能积很高，特别是能制成超簿型的永磁体，从而使过去难以做到的超微型和低惯量电动机得以实现。

目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗用微型机器，眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。

图7为日本东芝公司开发的起动转矩2X10-5Nm 100000r／min的微型永磁电动机的结构示意图，外径为3mm，长为5mm, 径向气隙，在兼作定子磁轭的电动机外壳的内部安装了三个薄型绕组，在其内部有由轴承支撑的稀土永磁装转子。

进一步改造成轴向气隙的永磁电动机，已制成外径0.8mm。

长1.2mm的世界上最小的永磁电动机。

在设计制造和应用永磁电机时，需对以下几个问题着重进行研究分析：1、磁路结构和设计计算为了充分的发挥各种永磁材料的磁性性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，用最少的永磁材料和加工费用制造出高性能的永磁电机，就不能简单套用传统永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。

必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的精准度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。

2、控制问题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素。

永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。

这些使永磁电机的应用范围收到了限制。

但是，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。

设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行。

3、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。

因而，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同的结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时，采用相应措施保证永磁电机不失磁。

4、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昂贵，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。

在某些场合，例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后性能提高，体积质量显著减小，总成本反而降低。