同步电机电磁部分计算
半匝长度292
磁路计算
采用Ansoft自带的磁路计算模块，RMxprt进行初期的电机电磁计算。
RMxprt计算结果如下：
ADJUSTABLE-SPEED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DESIGN
GENERAL DATA
Rated Output Power (kW): 11.7 Rated Voltage (V): 333
Number of Poles: 10
Frequency (Hz): 60
Frictional Loss (W): 175.5
Windage Loss (W): 40
Rotor Position: Inner
Type of Circuit: Y3
Type of Source: Sine
Domain: T ime
Operating Temperature (C): 75
STATOR DATA
Number of Stator Slots: 24
Outer Diameter of Stator (mm): 210 Inner Diameter of Stator (mm): 136 Type of Stator Slot: 3
Dimension of Stator Slot
hs0 (mm): 1.5
hs1 (mm): 1.352
hs2 (mm): 21.65
bs0 (mm): 3.5
bs1 (mm): 9.3
bs2 (mm): 14.9
rs (mm): 1
Top Tooth Width (mm): 9.26977 Bottom Tooth Width (mm): 9.35135 Skew Width (Number of Slots): 0.393 Length of Stator Core (mm): 218 Stacking Factor of Stator Core: 0.95 Type of Steel: 50W470
Slot Insulation Thickness (mm): 0 Layer Insulation Thickness (mm): 0 End Length Adjustment (mm): 0 Number of Parallel Branches: 2 Number of Conductors per Slot: 58 Type of Coils: 21
Average Coil Pitch: 2
Number of Wires per Conductor: 4
Wire Diameter (mm): 0.85
Wire Wrap Thickness (mm): 0.06
Net Slot Area (mm^2): 278.32
Limited Slot Fill Factor (%): 75
Stator Slot Fill Factor (%): 69.0282
Coil Half-Turn Length (mm): 291.698
ROTOR DATA
Minimum Air Gap (mm): 1
Inner Diameter (mm): 80
Length of Rotor (mm): 218
Stacking Factor of Iron Core: 1
Type of Steel: iron
Polar Arc Radius (mm): 63.5
Mechanical Pole Embrace: 0.8543 Electrical Pole Embrace: 0.838481
Max. Thickness of Magnet (mm): 3.5 Width of Magnet (mm): 35.0244
Type of Magnet: N42SH60
Type of Rotor: 1
Magnetic Shaft: Yes
PERMANENT MAGNET DATA
Residual Flux Density (Tesla): 1.248
Coercive Force (kA/m): 952
Maximum Energy Density (kJ/m^3): 297.024 Relative Recoil Permeability: 1.04323 Demagnetized Flux Density (Tesla): 0 Recoil Residual Flux Density (Tesla): 1.248 Recoil Coercive Force (kA/m): 952
MATERIAL CONSUMPTION
Armature Wire Density (kg/m^3): 8900 Permanent Magnet Density (kg/m^3): 7500 Armature Core Steel Density (kg/m^3): 7750
Rotor Core Steel Density (kg/m^3): 7870 Armature Copper Weight (kg): 8.20258 Permanent Magnet Weight (kg): 1.97833 Armature Core Steel Weight (kg): 21.0194 Rotor Core Steel Weight (kg): 13.1096
Total Net Weight (kg): 44.3099
Armature Core Steel Consumption (kg): 72.8184 Rotor Core Steel Consumption (kg): 13.1096 STEADY STATE PARAMETERS
Stator Winding Factor: 0.925031
D-Axis Reactive Reactance Xad (ohm): 1.34819
Q-Axis Reactive Reactance Xaq (ohm): 1.34819
D-Axis Reactance X1+Xad (ohm): 2.60051
Q-Axis Reactance X1+Xaq (ohm): 2.60051 Armature Leakage Reactance X1 (ohm): 1.25232 Zero-Sequence Reactance X0 (ohm): 0.849846 Armature Phase Resistance R1 (ohm): 0.323492 NO-LOAD MAGNETIC DATA
Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 1.77706
Stator-Yoke Flux Density (Tesla): 1.42319
Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): 0.657489
Air-Gap Flux Density (Tesla): 0.854749
Magnet Flux Density (Tesla): 0.882299
Stator-Teeth By-Pass Factor: 0.00861322
Stator-Yoke By-Pass Factor: 3.06585e-005 Rotor-Yoke By-Pass Factor: 0
Stator-Teeth Ampere Turns (A.T): 203.897
Stator-Yoke Ampere Turns (A.T): 7.05032
Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T): 1.53221
Air-Gap Ampere Turns (A.T): 763.681
Magnet Ampere Turns (A.T): -976.375
Leakage-Flux Factor: 1
Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Stator Yoke: 0.348841 Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Rotor Yoke: 0.720506 No-Load Line Current (A): 6.1376
No-Load Input Power (W): 363.546
Cogging Torque (N.m): 0.0286775
FULL-LOAD DATA
Maximum Line Induced Voltage (V): 430.965 Root-Mean-Square Line Current (A): 22.5527 Root-Mean-Square Phase Current (A): 22.5527 Armature Thermal Load (A^2/mm^3): 182.516 Specific Electric Loading (A/mm): 36.7383 Armature Current Density (A/mm^2): 4.96799 Frictional and Windage Loss (W): 215.5
Iron-Core Loss (W): 110.95
Armature Copper Loss (W): 493.608
Total Loss (W): 820.058
Output Power (W): 11705.3
Input Power (W): 12525.3
Efficiency (%): 93.4528
Synchronous Speed (rpm): 720
Rated Torque (N.m): 155.246
Torque Angle (degree): 17.1432
Maximum Output Power (W): 33410.2
Torque Constant KT (Nm/A): 7.01043
WINDING ARRANGEMENT
The 3-phase, 2-layer winding can be arranged in 24 slots as below: AZBXYAZBCYAZXCYABXCYZBXC
Angle per slot (elec. degrees): 75
Phase-A axis (elec. degrees): 97.5
First slot center (elec. degrees): 0
TRANSIENT FEA INPUT DATA
For Armature Winding:
Number of Turns: 232
Parallel Branches: 2
Terminal Resistance (ohm): 0.323492
End Leakage Inductance (H): 0.000114719 2D Equivalent Value:
Equivalent Model Depth (mm): 218 Equivalent Stator Stacking Factor: 0.95 Equivalent Rotor Stacking Factor: 1 Equivalent Br (Tesla): 1.248
Equivalent Hc (kA/m): 952
Estimated Rotor Inertial Moment (kg m^2):
0.053233
永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究
第34卷第2期2004年3月 东南大学学报( 自然科学版) JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition) Vol 134No 12 Mar.2004 永磁同步电动机电磁场计算中定转子 空间相对位置确定的研究 刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1 (1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044) 摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置. 关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022******* Investigation in determining the relative position between stator and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation Liu Ruifang 1,3 Yan D engjun 2 Hu Minqiang 1 (1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na) Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222. 作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博 士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.360docs.net/doc/0c10316703.html,. 在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号 分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化. 1 定转子空间相对位置的确定问题 根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为
永磁同步电机交直轴电感计算
参数化扫描的有问题，但是趋势应该差不多 《永磁电机》 永磁同步电机分为表面式和内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻和交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。对于内置式，直轴磁阻大于交轴磁阻（交轴通过路径的磁导率大于直轴），因此Ld 效应，则气隙磁压降为H H=H H H=H H H0H=H H0 Φ HH H ,式中，Ф为每极磁通；δ为气隙 长度；τ为极距；La为铁心长度。 调速永磁同步电机转子结构分为表面型和内置型。由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。而对其他结构，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此Ld 目录 摘要 ..................................................................... I Abstract................................................................. II 第一章绪论........................................................ - 4 - 1.1 工程背景...................................................... - 4 - 1.2 该课题设计的主要内容.......................................... - 4 - 第二章三相异步电动机................................................ - 6 - 2.1 三相异步电动机结构............................................ - 6 - 2.1.1 异步电动机的定子结构..................................... - 7 - 2.1.2 异步电动机的转子结构..................................... - 8 - 2.1.3 三相异步电动机接线图..................................... - 8 - 2.2 三相异步电动机工作原理........................................ - 9 - 2.3 三相异步电动机的机械特性和工作特性........................... - 12 - 第三章三相异步电机电磁设计......................................... - 14 - 3.1 主要尺寸和空气隙的确定....................................... - 14 - 3.2 定子绕组与铁芯设计........................................... - 14 - 3.2.1 定子绕组型式和节距的选择................................ - 15 - 3.2.2 定子冲片的设计.......................................... - 16 - 3.3 额定数据及主要尺寸........................................... - 17 - 3.4 磁路计算..................................................... - 19 - 3.5 性能计算..................................................... - 22 - 3.5.1 工作性能计算............................................ - 22 - 3.5.2 起动性能计算............................................ - 26 - 第四章电机转动轴的工艺分析......................................... - 28 - 4.1 转动轴的加工工艺分析......................................... - 28 - 4.2 选择设备和加工工序........................................... - 30 - 4.3 成品的最后工序............................................... - 31 - 小结与致谢........................................................... - 32 - 参考文献............................................................. - 33 - 永磁同步电机设计 1电机仿真模型 （a ）原型电机（b ）新型电机 图1PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a ）原型电机（b ）新型电机 图3两种电机永磁磁场分布 2.2永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 （c ）两种电机比较 图4两种电机永磁气隙磁密分布 3空载稳态有限元仿真结果比较 3.1空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 图5两种电机空载永磁磁链 图6两种电机空载永磁反电势 3.2空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 （a ）空载永磁磁链（b ）空载永磁反电势 图7磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 4负载稳态有限元仿真结果比较 4.1电枢绕组通入三相对称电压 两种电机具有相同的参数如下：电阻R =0.0410947?，电感L =5.87143?10?5H ，额定转速n =3000r/min 。给电枢绕组通入三相对称电压： A B C 310.269sin(20035.3581/180) 310.269sin(20035.3581/1802/3)310.269sin(20035.3581/1802/3) u t u t u t ππππππππ=+=+-=++（1） 并进行有限元仿真，得到两种电机的绕组电流及转矩波形，分别如图8、图9所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 图8两种电机绕组电流波形 三相电机 额定电压U=380V，f=50HZ,机座号Y132，输出P2=8KW，p=4极 螈 1. 2.芄型号：Y132M 3. 4.蒂输出功率：P N=8KW 5. 6.袂相数：m1=3 7. 8.薇接法： 9. 10.莃相电压：Uφ=380V 11. 13. 14.极对数：p=2 15. 16.定子槽数：Z1=36 17. 18.转子槽数：Z2=32 19. 20.定子每极每相槽数： 21. 22.肂定子外径：D1=21cm D i1=13.6cm 荿定子内径： =0.4mm 蒃气隙长度：δ 转子外径：D2=13.52cm 13.6-0.04*2=13.52cm 转子内径：D i2=4.8cm 定子槽型：半闭口圆底槽 定子槽尺寸：b o1=0.35cm b1=0.67cm h o1=0.08cm R1=0.44cm h12=1.45cm 转子槽形：梯形槽 转子槽尺寸：b o2=0.1cm b r1=0.55cm b r2=0.3cm h o2=0.05cm h r12=2.3cm 23.极距： 24.定子齿距： 25.转子齿距： 26.气隙长度： 27.转子斜槽距：b sk=t1=1.187cm 28.铁芯长度：l=16cm 29.铁芯有效长度：无径向通风道：l ef=l+2δ=16.08cm 30.净铁芯长：无径向通风道：l Fe=K Fe l=0.95*16=15.2cm K Fe=0.95（不涂漆） 31.绕组型式：单层交叉式 32.并联支路数：a1=1 33.节距：1-9,2-10,11-18 34.每槽导线数：由后面计算的数据根据公式计算为： 每极磁通φ1=0.00784wb 波幅系数：K A=1.46 绕组系数：K dp1=0.96 11KW 变频起动永磁同步电动机电磁设计程序 及电磁仿真 1永磁同步电动机电磁设计程序 1.1额定数据和技术要求 除特殊注明外，电磁计算程序中的单位均按目前电机行业电磁计算时习惯使用的单位，尺寸以cm(厘米)、面积以cm 2(平方厘米)、电压以V （伏）、电流以A （安）、功率和损耗以（瓦）、电阻和电抗以Ω（欧姆）、磁通以Wb(韦伯)、磁密以T(特斯拉)、磁场强度以A/cm(安培/厘米)、转矩以N （牛顿）为单位。 1额定功率kw P n 11= 2相数 31=m 3额定线电压V U N 3801= 额定相电压Y 接法V U U N N 39.2193/1== 4额定频率50f HZ = 5电动机的极对数P =2 6额定效率87.0, =N η 7额定功率因数78.0cos , =N ? 8失步转矩倍数2.2* =poN T 9起动转矩倍数2.2* =stN T 10起动电流倍数2.2* =stN I 11额定相电流62.2478.087.039.21931011cos 105 , ,15=????=?=A U m P I N N N N N ?η 12额定转速1000=N n r/min 13额定转矩m N n P T N N N .039.1051000 11 55.91055.93=?=?= 14绝缘等级:B 级 15绕组形式:双层叠绕Y 接法 1.2主要尺寸 16铁心材料DW540-50硅钢片 17转子磁路结构形式:表贴式 18气隙长度cm 07.0=δ 19定子外径cm D 261= 20定子内径cm D i 181= 21转子外径86.17)07.0218(212=?-=-=cm D D i δ 22转子内径cm D i 62= 23定,转子铁心长度cm l l 1521== 24铁心计算长度cm l l a 152== 铁心有效长度cm cm l l a ef 14.15)07.0215(2=?+=+=δ 25定子槽数136Q = 26定子每极每相槽数332/362/11??==p m Q q =2 27极距cm P D i p 728.932/1814.32/1=??==πτ 28定子槽形:梨形槽 定子槽尺寸 cm h cm r cm b cm b cm h 72.153.078.038.008.002110101===== 29定子齿距cm Q D t i 5708.136 181 1 1== = π π 11KW变频起动永磁同步电动机电磁设计程序 及电磁仿真 1永磁同步电动机电磁设计程序 1.1额定数据和技术要求 除特殊注明外，电磁计算程序中的单位均按目前电机行业电磁计算时习惯使用的单位，尺寸以cm（厘米）、面积以cm2（平方厘米）、电压以V （伏）、电流以A （安八功率和损耗以（瓦）、电阻和电抗以门（欧姆）、磁通以Wb（韦伯）、磁密以T（特斯拉）、磁场强度以A/cm（安培/厘米）、转矩以N （牛顿）为单位。 1额定功率P n =11kW 2相数叶=3 3额定线电压U N1 =380V 额定相电压丫接法U N =U N1 / 3 = 219.39V 4额定频率f =50HZ 5电动机的极对数P=2 6额定效率N =0.87 7额定功率因数cos N =0.78 8失步转矩倍数T；°N =22 9起动转矩倍数T；N =22 10起动电流倍数I；N =2.2 12 额定转速n N =1000r/min 13额定转矩T N二9.55P N 103二 9.55 11 二105.039N.m n N 11额定相电流I N P N X105 0U N N COS N 11 105 3 219.39 0.87 0.78 A-24.62 14绝缘等级:B级 15绕组形式：双层叠绕Y接法 1.2主要尺寸 16铁心材料DW540-50硅钢片 17转子磁路结构形式：表贴式 18气隙长度：=0.07cm 19定子外径D1 =26cm 20定子内径D i1 =18cm 21 转子外径D2二D H—2、=(18 -2 0.07)cm =17.86 22转子内径D i2 =6cm 23定,转子铁心长度h日2 =15cm 24铁心计算长度l a J =15cm 铁心有效长度l ef =la 2、=(15 2 0.07)cm = 15.14cm 25定子槽数Q1 = 36 26定子每极每相槽数q =Q1 /2gp =36/2 3 3=2 27极距巨p =蔥D i1/2P =3.14 18/2 9.728cm 28定子槽形:梨形槽定子槽尺寸 h01= 0.08cm b01= 0.38cm bi = 0.78cm r1 二 0.53cm h o2 = 1.72cm 巧“18^ 29定子齿距t1卩 1.5708cm Q136 永磁同步电机磁钢退磁计算 磁钢退磁风险及退磁性能评估是永磁电机无法回避的问题，本文针对永磁同步电机，说明采用Altair Flux 进行磁钢退磁分析的过程。 1、退磁率评估 所谓退磁率评估其实是一个电磁场后处理过程，在执行完成瞬态磁场计算后，根据指定的退磁评估点（如90%剩磁Br），由软件提取永磁体中的磁场强度H和磁密B，计算出永磁体内部的新的剩磁Br’，并计算出永磁体剩磁低于指定退磁点剩磁的面积或体积大小，即永磁体中出现退磁现象且低于指定剩磁的占比。而静态退磁评估是指在瞬态磁场计算过程中，永磁体的剩磁始终保持不变，即不考虑永磁体退磁、回复过程及引起的磁场变化和设备电气性能输出的变化（如电机电磁转矩下降）。 2、动态退磁分析 动态退磁指的是在磁场计算过程之中同时考虑永磁体由于退磁及回复过程（recoil）导致的永磁体结构中剩磁的改变，以及在新剩磁数值下的磁场分布。Altair Flux2019.1新增永磁体动态退磁分析功能，即在瞬态磁场计算过程中软件自动计算并更新永磁体退磁后的剩磁材料属性，并用于下一时间步的磁场计算。Flux 中要考虑永磁体动态退磁过程，只需在永磁体材料属性定义界面中勾选中“求解过程中考虑退磁”选项即可，其他分析设置过程与常规瞬态磁场分析设置相同，无需额外的特别设定。Flux软件计算永磁退磁过程中会自动考虑永磁体的回复线，软件内部根据定义的非线性退磁曲线结合Preisach磁滞回线模型进行。 动态退磁分析适用于2D和3D瞬态磁场分析，且在瞬态分析中初始计算设置为从静态计算开始。该退磁过程只考虑由于反向磁场引起的退磁，不考虑由于温度变化引起的热退磁。 以8极48槽三相永磁同步电机2D瞬态磁场分析为例，计算模型以及使用磁钢材料属性如下图所示： 2 永磁同步电机的公式推导 2.1 永磁同步电机的能量转换过程推导 永磁同步电机电压平衡方程： （2-1） 其中，t θ = Ω ，θ为转子机械角位移，Ω为转子机械角速度，电机稳定运行时为常数，即const Ω=。则有 d d i L u Ri L i t θ?=++Ω? （2-2） 其中，Ri 为电阻压降，d d i L t 表示感应电动势，L E i θΩ?=Ω?成为运动电动势。 转矩平衡方程： 22d d m mec J R mec T T T T d T J R dt t θθ Ω =++=++ （2-3） 其中，m T 为电机电磁转矩，mec T 为输出机械转矩，22J d T J dt θ =为惯性转矩， d d R T R t θ Ω=为阻力转矩；理想情况下，电机阻力力矩近似为常数，稳定运行时机 械加速度为零，所以输出的机械转矩mec m R T T T =-，由于电机阻力力矩近似为常数，电磁功率可近似看作输出机械功率。 磁能的表达式： '1112n n m m j jk k j k W W i L i ====∑∑ （2-4） 由磁能与电磁转矩之间的关系m m W T d θ=?，则： 111122n n jk m m j k t j k L W L T i i i i θθθ ==???===???∑∑ （2-5） 其中，t i 表示电流矩阵的转置。 则电磁功率为： 1122 m m t t L P T i i i E θΩ?=Ω= Ω=? （2-6） 由公式两边同时乘以t i ，则： d d 1d 12d 2t t t t t t t t i i u i Ri i L i E t i i Ri i E i L i E t ΩΩΩ=++?? =+++ ? ?? （2-7） 由式（2.7）可知，等式左边t i u 为电机输入功率；等式右边t i Ri 为电阻损耗 功率，1 2 t i E Ω是电磁功率，即电功率转换成机械功率输出的那一部分，表明从电 磁耦合场中获得的一半能量转换成了机械能输出；d 1 d 2 t t i i L i E t Ω+是输入功率除去 输出的和内阻损耗功率之后的功率，即为磁场功率。稳态运行时，一个周期内磁场功率应为零，即一个周期内磁场转化的功率与释放的功率相同。 2.2 坐标变换 （1）0abc dq -变换（Clark 变换） 设三相绕组和两相绕组每相的绕组匝数分别为N 1，N 2，将两组磁动势分别投影到α轴和β轴上： 121211 () 22) a b c b c N i N i i i N i N αβ=--=- （2-8） 前后保持功率不变， 可进一步推倒出此时 21N N = ，所以，三相静止坐标系到两相静止坐标系（3s/2s ）的“等功率”变换矩阵为： 3/2111220s s C ?--?=? （2）0dq αβ-变换（Park 变换） 同样遵照磁效应等效原则，同一时刻、同一方向上的瞬时磁动势相等，再由 中小型三相感应电动机（单笼转子）电磁计算程序 一． 额定数据及主要尺寸 1． 输出功率P N 2． 外施相电压U N ф，Y 接法3 N N U U = φ，Δ接法N N U U =φ 3． 功电流 φ N N KW U m P I 1= 4． 效率 η’ 按照设计任务书的规定 5． 功率因数cos φ’ 按照设计任务书的规定 6． 极对数p 7． 定转子槽数 Z 1、Z 2 8． 定转子每极槽数 p Z Z p 21 1= 9． p Z Z p 22 2= 10． 定转子冲片尺寸（见图1） 11． 极距 p D i 21 πτ= 12． 定转子齿距 1 1 1Z D t i π= 2 2 2Z D t π= 13． 节距 y —— 以槽数计 14． 转子斜槽宽 b sk （一般取一个定子齿距t 1，也可按需要设计） 15． 每槽导体数 双层线圈 N s1 =2×每线圈匝数 单层线圈 N s1 =每线圈匝数 16． 每相串联导体数 111 11a m Z N N s = φ 17． 绕组线规（估算）1 11 11''''J a I A N c t = I ’1（定子电流初步值）= ' cos '?ηKW I 18． 槽满率 ⑴槽面积 2 )'(222 21 1121r h h b r A s s π+-+= ⑵槽绝缘占面积 双层绕组 )22(112121' b r r h A s t t +++?=π 单层绕组 )2(21'r h A s t t π+?= ⑶槽有效面积 t s ef A A A -= ⑷槽满率 %100211?=ef s t f A d N N S 19． 铁心长l t 铁心有效长 无径向通风道 δ2+=t ef l l 定转子径向通风道不交错 ' 11v v t sf b n l l -= 定转子径向通风道交错 )('22'11v v v v t sf b n b n l l +-= 'v b 由图9查出 净铁长 无径向通风道 t Fe Fe l k l = 有径向通风道 )(v v t Fe Fe b n l k l -= 20． 绕组系数 111p d dp K K K = ⑴分布系数 2sin 2sin 111 αα q q K d = ⑵短距系数 βπ2sin 1 =p K 21． 每相有效串联导体数 11dp K N φ 二． 磁路计算 22． 每极磁通 1 11 11122.24dp dp Nm K fN E fN K K E φφ≈ = 其中φεN L U E )1(' 1-= （假设'1'L E K ε-=） 23． 每极齿部截面积 定子 111p t t Fe t Z b l K A = 转子 222p t t Fe t Z b l K A = 对于非平行齿，则b t 取离最窄齿三分之一齿高处的齿 永磁电机电磁计算 传统的电机学和电机设计中，习惯地把电机的分析和计算归结为电路和磁路的计算问题。实际上，电路和磁路中的各个参数是由电机电磁场的场量得来，由于数值计算和仿真技术的不断发展，我们可以直接使用有限元对电机的电磁场进行分析和计算。 本文将应用ANSYS软件，对大型永磁电机的电磁场进行分析和计算。这里只研究平行平面场问题，即二维电磁场，因而只有一个自由度即矢量磁势Az。电机的对称周期取一对磁极范围。考虑漏磁的影响，把转轴和机座作为模型的内外边界。 定义电机材料特性 首先，定义硅钢片的材料属性与磁化曲线，如图1： 永磁体的材料特性需要说明的是，永磁体的退磁曲线是指剩磁密度Br 与矫顽力Hcb的曲线，以下简称BH曲线。退磁曲线通常在第二象限，但ANSYS 程序中需按第一象限输入。此外还需要知道永磁体的工作温度，即电机内部温度分布，Br的可逆温度系数，Hcb的可逆温度系数。 参数化建模 参数化建模具有很多优点，各个变量物理意义明确，便于查找和修改。而且可以通过对话框快速对电机尺寸参数进行调整，缩短调试程序和优化设计的时间。这里采用ANSYS内部的对话框进行交互，可以方便其他设计人员对程序的调试，提高程序的通用性，如图2： 有限元模型的建立和边界条件 定、转子应分别建模，这样两部分模型不会相互干扰。定、转子之间的气隙，可定义两层或更多层，再经过径向拼接得到整个求解区域。分网时应注意疏密结合，气隙部分网格要足够稠密，而且沿径向应均匀分网。其它部分网格可稀疏些。模型尽量使用四边形网格，并保证节点连续。 这里只研究电机转速恒定情况，用有限元法进行电机的电磁场分析，要模拟电机定、转子之间的相对运动。这里使用运动边界法，即假设定子模型静止不动，让转子部分旋转，和真实情况一样。具体如下：气隙模型中有一条定、转子网格重合的公共运动边界，分别为定、转子的运动边界上的节点编号，并且保证相邻节点径向间距相等，这样能保证转子旋转后运动边界上的节点重合，压缩重合的关键点（KP）、节点（node），保持网格的连续性。如图3 图3 运动边界示意图 后处理 无刷同步电机电磁计算程序 5.1 额定数据和主要尺寸 1．额定电压 U N V 380= 2．额定转速 n N 3000/min r = 3．额定频率 ?HZ 50= 4．额定功率因数 cos ?=0.9 5．额定电流 80N I A = 6．相数 m=3 7．确定功率: 600800.8 1.173.16P kw =???= 针对有会员 对公式7提出的质疑，经过分析和讨论，公式7更正为： P=sqrt(3)×600×80×0.8=66.5kW ，以下步骤用此数据代入，恕不一一修正。 另，其他公式目前暂未发现错误之处，欢迎大家继续批评指正 8．根据功率取对应T2X-250L 电机，额定功率75N P kw = 9．效率 91.4%η= 10．极数 2p 12012050 41500 N f n ?= == 11．计算功率： ' 1.0875 101.25cos 0.8E N K P P kw ??= == 式中 1.08E K =（对于同步发电机取值） 12．极弧系数：极弧长度(0.630.72)p b τ=～ 取' p α= 0.67p b τ = 13．气隙磁密 (0.71.07)B T δ=～ 取0.8B T δ= 14．取线负荷 280/280/ A K A m A c m == 15．电机的计算体积 3' 2'16.110il p B dp N P D lef K K A B n δα????=? ?? 33 33 6.110101.25100.67 1.110.92280000.81500 27.110m -???= ?????=? 16．主要尺寸比：0.6 2.5λ=～ 17．定子铁心内径取值范围 il D = 0.23990.3860m ==～ 18．定子铁心铁外径： ()111.42 1.420.23990.3407i D D m ===～0.3860～0.5481 按标准选取1430D mm = 则定子内径：11430302.823001.42 1.42i D D cm mm ==≈≈ 19．定子铁心有效长度： 23122127.1100.30113000.3i i D lef l lef m mm D -??≈==≈≈ 20．定子铁心净长度： ()3000.92276Fet Fet k k Fet l K l n b K l mm =-=?=?= 式中Fet K =0.92(对0.5mm 厚硅钢片) 在对发电机的计算中,k k n b 不计入Fet l 中 本次设计选用的硅钢片型号为：DR530-50对应的老牌号为D22 21．磁极铁心总长度：300m ef l l mm == 22．磁极铁心净长度： 0.953028.5Fem Fem m l K l cm =?=?= 式中Fem K =0.95（对于1 1.5mm ～厚钢片） 23．极距： 1300235.524i D mm p ππτ?=== 24．圆周速度：223.55/1000 f m s τ ν=?= 25．气隙长度： 最小气隙：c K B A ???= δ τ δ）～（30.025.0 永磁同步电机设计1电机仿真模型 N S N S N S N S （a）原型电机（b）新型电机 图1 PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2 新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a）原型电机（b）新型电机 图3 两种电机永磁磁场分布 2.2 永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 50100 150200250300 -1.25 -1-0.75-0.5-0.2500.250.50.7511.25Distance/mm B r /T 原型电机新型电机 （c ）两种电机比较 图4 两种电机永磁气隙磁密分布 3 空载稳态有限元仿真结果比较 3.1 空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 48 121620 -0.6-0.4-0.200.20.4 0.6 时间/ms 空载永磁磁链/W b 原型电机 新型电机 图5 两种电机空载永磁磁链 48 121620 -400 -300-200-1000100200 300400时间/ms 空载反电势/V 原型电机新型电机 图6 两种电机空载永磁反电势 3.2 空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 23456789101112131415 1 2 3 4 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机 新型电机 23456789101112131415 24681012 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机新型电机 （a ）空载永磁磁链 （b ）空载永磁反电势 图7 磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 ADJUSTABLE-SPEED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DESIGN File: Setup1.res GENERAL DATA Rated Output Power (kW): 5.5 Rated Voltage (V): 380 Number of Poles: 8 Frequency (Hz): 33.3333 Frictional Loss (W): 66 Windage Loss (W): 80 Rotor Position: Inner Type of Circuit: Y3 Type of Source: Sine Domain: Time Operating Temperature (C): 75 STATOR DATA Number of Stator Slots: 48 Outer Diameter of Stator (mm): 260 Inner Diameter of Stator (mm): 180 Type of Stator Slot: 2 Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 0.8 hs1 (mm): 0.59 hs2 (mm): 22.0439 bs0 (mm): 3.2 bs1 (mm): 6.11469 bs2 (mm): 9.00436 Top Tooth Width (mm): 5.85092 Bottom Tooth Width (mm): 5.85092 Skew Width (Number of Slots): 1 Length of Stator Core (mm): 60 Stacking Factor of Stator Core: 0.99 Type of Steel: DW465_50 Slot Insulation Thickness (mm): 0.3 Layer Insulation Thickness (mm): 0 End Length Adjustment (mm): 0 摘要 Y2系列电机是在Y系列电机基础上更新设计的一般用途电机，它具有结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，以及重量轻，成本低等优点，在电机噪声、振动水平优于Y系列电机，外观更加满足国内外的用户需求，本文为Y2-112M-2的电磁设计。 在设计过程中，掌握了中小型三相感应电机的设计原理，熟悉相关的技术条件，基于给定的参数结合相关的技术条件，确定与电机的电磁性能有关的尺寸，选择定、转子的槽数和槽配合，确定槽型尺寸，选定有关材料，编程进行电磁计算，结合前面的数据计算出相应的工作性能和起动性能，包括效率、功率因数、最大转矩倍数、起动转矩倍数、起动电流倍数等。为了减小误差和计算量，还在MATLAB中编写了电磁计算程序。此外，本设计还用CAD绘制了定、转子冲片图以及定子绕组分布图,最终使技术指标符合任务书的要求。 通过对电机性能尺寸的确定，以及对槽型的选取，选定了有关尺寸，通过编程的反复调试，使其技术指标符合任务书的要求，最终设计出符合任务书要求的电机。 关键词：Y2-112M-2三相异步电动机;定、转子；电磁设计计算 Abstract Y2 series motors is designed on the basis of Y series motor update general purpose motor. it has a simple structure, convenient manufacture, use and maintenance, reliable operation .as well as light weight, low cost advantages, the motor noise and vibration level is better than that of Y series motor. appearance more meet the needs of users at home and abroad, this paper designed for electromagnetic Y2-112m - 2. In the process of design, master the design principles of small and medium-sized three-phase induction motor, familiar with relevant technical conditions, based on the given parameters combining with related technical conditions, determine the size of the associated with the electromagnetic performance of the motor, \"option, rotor slot number and groove, groove type size ,selected materials programming electromagnetic calculation, Finally, combined with the previous data to calculate the working performance and the corresponding starting performance, including efficiency, power factor, the maximum torque, starting torque, starting current ratio etc. In order to reduce the error and the amount of calculation, prepared electromagnetic calculation program in MATLAB. In addition, the design also drawing, the rotor and the stator , windings distribution prints with CAD. the technical indicators in line with the requirements of specification. To determine the size of the motor performance, as well as to the trough type selection, the selected size, by the repeated debug programming, make the technical indicators meet the requirements of the specification, the final design conform to the requirements of the specification of the motor. Key Words: Y2-112M-2three-phase asynchronous motor, the stator , the rotor Electromagnetic design calculationY2-160M1-2三相异步电动机电磁设计解读
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