电机设计最佳教程_第三讲_电机内的磁场与磁路计算
合集下载
现代永磁电机调速理论第3章磁路计算
现代永磁电机调速理论第3章磁路计算磁路计算的目的是通过计算磁路中的磁通、磁势和磁场分布等参数，来确定电机的磁路结构。
在磁路计算中会用到磁场分析、磁路闭合等理论和方法。
下面分别介绍这些理论和方法。
首先，磁场分析是磁路计算的基础。
通过磁场分析可以确定电机中的磁通分布情况，包括主磁通和漏磁量。
磁场分析可以采用有限元法、解析法等方法。
有限元法是一种常用的数值计算方法，能够有效地解决磁场分析问题。
解析法是基于磁场的解析解，可以得到更准确的结果，但计算复杂度较高。
其次，磁路闭合是磁路计算中另一个重要的理论。
在电机中，为了保持磁场稳定和有效，磁路必须是闭合的。
磁路闭合可以通过磁路连接和磁路绕组来实现。
磁路连接是指磁路中不同部分通过磁性材料连接在一起，形成一个闭合回路；磁路绕组是指通过绕制线圈和导线来形成磁路中的回路。
磁路闭合是保证电机正常运行和提高效率的重要手段。
最后，磁路计算还需要考虑材料的磁性能和磁性参数。
磁性材料是电机中的重要组成部分，其磁化特性和磁导率等参数会影响电机的性能和效率。
磁性材料包括铁芯材料和永磁材料两种。
铁芯材料具有较高的磁导率和良好的导磁性能，能够有效地传导磁通和提高磁场强度。
永磁材料则具有较高的剩磁和矫顽力，能够产生强磁场并保持稳定。
总之，磁路计算是现代永磁电机调速理论中的重要内容，通过磁场分析、磁路闭合和材料磁性能的考虑，可以确定电机的基本参数和结构，进而影响到电机的性能和效率。
磁路计算对于电机设计和优化具有重要的指导意义。
永磁电机磁路计算资料
用标么值表示时，直线的回复线(或退磁曲线)表示成：
r / 0 Br Am /( 0 r Am / hMp ) 0 r Br hMp H c hMp Fc
以标么值表示的等效磁路
=1
=1
（a）磁通源等效电路 （b）磁动势源等效磁路
图3-7 以标么值表示的等效磁路
（二）等效磁路的解析解
图 计算
框图
（三）解析法的应用
上述方法推广应用于所有永磁材料 1.对于铁氧体永磁和部分高温下工作的钕铁硼永磁
（1）设计时保证最低工作点 高于拐点，用 替代
计算矫顽力
（2）工作点低于拐点，用 和 替代 和
图 具有拐点的直线型退磁曲线和回复线
计算剩磁密度
2.对于铝镍钴类永磁
曲线型退磁曲线和回复线
用
和
替代
和
必须着重指出，永磁材料的磁性能对温度的敏感性很 大，尤其是钕铁硼永磁和铁氧体永磁，其的温度系数
达-0.126%/K和-(0.18~0.20)%/K。因此实际应用时，不
能直接引用材料生产厂提供的数值，而要根据实测退
磁曲线换算到工作温度时的计算剩磁密度和计算矫顽
力，以此作为基值进行计算。温度不同，Br和Hc随着改
i—气隙极弧系数； —极距；
Lef—电枢计算长度； K—气隙系数； Ks—饱和系数
2、漏磁导
漏磁导的计算较为繁杂
（五）漏磁因数和空载漏磁因数
1、定义
2、空载
二、等效磁路的解析法
（一）等效磁路各参数的标么值
（二）等效磁路的解析解
（三）解析法的应用
（一）等效磁路各参数的标么值
1、基值选取： 磁通基值
磁化强度
内禀磁感应强度
电机设计最佳教程_第三讲_电机内的磁场与磁路计算
3.1 磁路计算的假设条件和思路
磁路计算的思路
1、先根据假设条件将电机内的磁路分段：
• • • • （空）气隙 材料为线性μ 齿/电励磁磁极 材料为导磁材料，非线性μ 轭部 材料为导磁材料，非线性μ 永磁极 材料为硬磁材料，多数情况下位线性μ
2、利用磁路定律列写各段的磁压降和磁通密度 的关系式，该关系式是磁路尺寸参数和材料特性 的函数。 3、修正磁场简化为磁路过程中带来的偏差，给 出磁压降和磁通密度关系式的修正公式。
1、电机的磁路计算的基本原理
五、磁路的基尔霍夫第二定律： 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和
1、电机的磁路计算内的磁场初步
参见电机的电磁场分析结果
3.1 磁路计算的假设条件和思路
假设1
假设定、转子之间相对不动，经过磁极与齿中 心线（或齿与齿中心线相对位置）取计算回路
电机设计 第三讲
电机内的磁场与磁路计算
讲课人：邢伟
2011.9.22
提
2013年5月31日星期五
要
1、电机的磁路计算的基本原理 2、电机内的磁场初步 3、电机各部分磁路的计算
•气隙 •齿部与轭部等铁磁材料 •绕组端部和磁极的漏磁路
1、电机的磁路计算的基本原理
一、磁通管原理
Φ B dA BA
3.3 齿部、轭部的磁路计算
3.3 齿部、轭部的磁路计算
3.4 磁极漏磁、漏磁系数
课后习题（4选2）
1. 磁路计算的一般步骤是什么？ 2. 磁路计算中主要采用了哪些等效/简化方法 ，每种方法是用来解决什么问题？ 3. 参考唐任远《现代永磁电机设计》列写某 个永磁直流电机的磁路计算方程 4. 参考唐任远《现代永磁电机设计》列写某 个永磁同步电机的磁路计算方程
永磁电机磁路计算资料课件
总结词 详细描述 公式推导 实例计算
特殊模型、专门计算
介绍永磁无刷直流电机的磁路模型，由于其特殊的结构和运行 原理，需要采用特定的方法和公式进行计算。
推导永磁无刷直流电机的磁路方程，着重解析其特殊的磁场特 性和控制策略。
通过具体参数值，演示如何进行永磁无刷直流电机的磁路计算 ，并分析其性能特点。
REPORT
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMARY
永磁电机磁路计算资 料课件
目录
CONTENTS
• 永磁电机概述 • 永磁电机磁路计算基础 • 永磁电机磁路计算方法 • 永磁电机磁路计算实例 • 永磁电机磁路计算软件介绍
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
FEMM
JMAG
Opera
选择建议
功能强大，适用于各种 电机类型，但价格较高 。
开源免费，适用于二维 分析，但对于复杂的三 维模型可能不够精确。
适用于三维分析，但价 格较高。
多物理场耦合分析功能 强大，但价格较高且操 作较为复杂。
根据实际需求选择合适 的软件，如需进行多物 理场耦合分析可选择 Opera或JMAG；如仅 需进行磁路计算可选择 MagNet或FEMM。同 时考虑软件的学习曲线 和价格等因素。
软件操作流程与实例演示
网格划分
对电机进行网格划分，以便进 行数值计算。
边界条件与激励设置
根据实际情况设置边界条件和 电流、电压等激励源。
求解设置
选择合适的求解器并进行求解 设置。
后处理与结果分析
查看计算结果，如磁通密度分 布、磁力线分布、涡流分布等
电机与控制第六章第三节 磁路基础和磁路的基本定律
第二篇 电机与控制
1. 磁路欧姆定律
二、磁路的基本定律
设由某种铁磁材料构成的均匀磁路，其长度为l，截 面积为S，由于磁路上各点的µ值、B值相等，磁场强度 H也相等，故通过S截面的磁通Φ可表示为
BS HS
根据安培环路定律，对于均匀磁路有
H dl Hl NI
l
N为绕组的匝数，由于积分与路径无关，只与路径内 包含的导体电流的大小和方向有关，可见电流是产生磁 场的源泉，即
第二篇 电机与控制
第三节 磁路基础和磁路的基本定律
一、磁路基础 二、磁路的基本定律 三、磁路的分析与计算
第二篇 电机与控制
一、磁路基础
磁路是由铁芯与线圈构成，使磁通绝大部分通过的 闭合回路。磁路通常由铁磁材料及空气隙两部分组成。
典型磁路示意图
构成磁路的重要材料是铁磁性材料，铁磁性材料主 要有铸钢、硅钢片、铁及与钴镍的合金、铁氧体等，它 们在外磁场的作用下将被强烈地磁化，使磁场显著增强， 可以把绝大部分磁力线集中在其内部和一定的方向上。
n
H dl Ik Fm
l
k 1
Fm称为磁通势
第二篇 电机与控制
1. 磁路欧姆定律
二、磁路的基本定律
BS HS
H dl Hl NI
l n
H dl Ik Fm
l
k 1
令磁阻
l
Rm S
IN l S
IN
l
S
Fm
磁路欧姆定律 NI F
Rm Rm
第二篇 电机与控制
二、磁路的基本定律
2. 磁路的基尔霍夫第一定律
穿过任一闭合面的磁通等于穿出该闭合面的磁通。
B dS i 0 ( S内)
第二篇电机与控制
磁路计算
② 由于电机中一对极磁路中两个极的磁路情况相似，所以 只需计算半条回路上的各段磁位降，它们的总和就等于每 个评级的励磁磁势。以下叙述磁位降或磁势均为每极的。
步骤： u
E
B
S
H
HL
F0
4．电机中常用的磁性材料
热轧 硅钢片冷轧无含硅硅钢量片(1(含3硅%)量.5%以下)
比损耗小, 导磁性好, 平整度高 价格低, 导磁导热, 焊接性能好
损失长度：
bv
bv 2
bv 5
（一边开风道）
bv
bv
bv 2
5
2
（二边开风道）
③ 综上所述：
lef lt 2 Nvbv
三、气隙系数 k
③ 在实际上，定、转子都具有径向通风，气隙磁场沿轴向分布
不均匀；由于径向通风道没有钢片，磁通较少，因此也不能用 lt
2. lef 的物理意义：
由于边缘效应和径向通风沟的影响，使气隙磁场沿轴向分 布不均匀，在铁心中磁密大，在通风沟及定、转子端部磁 密较小。为了计算方便，从等效磁道的观点出发，引入计
算长度 lef 的概念，即在这个长度内它的磁密 B 为不变。
因而它决定于励磁磁势分布曲线的形状、气隙的均匀
程度及磁路饱和程度。
如：F 是正弦分布， 均匀，磁路不饱和
则
B(
x)
是正弦，
p
2
0.637
磁路越饱和，B(x)
越平，Bav
越大，
p
越大
（一）直流电机
p
的确定
1．均匀气隙：
p
bp
而
bp
bp
2
bp 极弧实际长度
p
bp
2
2 计及极靴尖处的边缘效应
电机设计及其CAD-第3章
School of Electrical Engineering
12
•2012年4月22日星期日
3 凸极同步电机 励磁绕组为集中绕组，磁动势空间分布矩形。忽略 饱和，Fδ也为矩形。一般尽量使气隙正弦分布，即
School of Electrical Engineering
13
•2012年4月22日星期日
School of Electrical Engineering
6
•2012年4月22日星期日
导热性能及焊接性能好，国外在中小型电机中应用广 泛，但铁耗高。 国外已停止生产热轧钢片:节约能源，改善电机性能 第二节 空气隙磁压降的计算 气隙磁场沿圆周方向分布不均匀。
一个极距内气隙磁密径向分量的分布
School of Electrical Engineering
B( X ) = Bδ 1COS Bδ 1 ≈ Bδ = µ 0
δ (X ) = δ
COS
Fδ π X = µ0 H ( X ) = µ0 τ δ( X )
Fδ
δ
π
2
X
很难实现，一般做成偏心气隙
δ max = δ πb p cos 2τ
≈ 1 .5
) δ max 弧长 b p ， δ
) ，b p 一般为(0.55－0.75)τ。利用气隙
School of Electrical Engineering
17
•2012年4月22日星期日
三、 气隙系数 1 转子铁心表面有齿槽，定子内圆光滑。 槽口存在⇒磁阻增加，槽口处磁通减少⇒气隙磁通减少⇒ 为维持磁通恒定，齿顶处最大磁密由无槽时Bδ增大到Bδmax⇒ 定义kδ = Bδmax/Bδ⇒等效认为有槽电机用一无槽电机代替， 但δ→ kδδ，气隙磁密最大值仍为Bδ。
3.3 永磁电机磁路计算解读
图 计算
框图
（三）解析法的应用
上述方法推广应用于所有永磁材料 1.对于铁氧体永磁和部分高温下工作的钕铁硼永磁
（1）设计时保证最低工作点 高于拐点，用 替代
计算矫顽力
（2）工作点低于拐点，用 和 替代 和
图 具有拐点的直线型退磁曲线和回复线
计算剩磁密度
2.对于铝镍钴类永磁
曲线型退磁曲线和回复线
用
和
i—气隙极弧系数； —极距；
Lef—电枢计算长度； K—气隙系数； Ks—饱和系数
2、漏磁导
漏磁导的计算较为繁杂
（五）漏磁因数和空载漏磁因数
1、定义
2、空载
二、等效磁路的解析法
（一）等效磁路各参数的标么值
（二）等效磁路的解析解
（三）解析法的应用
（一）等效磁路各参数的标么值
1、基值选取： 磁通基值
图
最大有效磁能时的永磁体工作图
图2－16（b） 最大有效磁能时的永磁体工作图
（三）永磁体最佳工作点的应用及注意事项
1．当退磁曲线具有拐点时，首先要进行最大去磁工作
点( 拐点( ， ， )的校核，使其高于退磁曲线(或回复线)的 )，即 ﹥ 或 ﹤ ，并留有充分余
地，以防止永磁体产生不可逆退磁。在保证不失磁的 前提下追求尽可能大( 通常不是最大)的有效磁能。 2．在设计电机时首先着眼于最佳电机设计，有时只好 放弃永磁体的最佳利用。一般取 ＝0.60～0.85，这 需要根据对电机的具体要求，经过方案比较后确定。
磁化强度
内禀磁感应强度
Mr是剩余磁化强度，对特定永磁 是常数， 为永磁体磁化系数， 是H的函数
取绝对值 （其中：Bir=Br=0Mr）
（其中：Bir=Br=0Mr）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.1 磁路计算的假设条件和思路
磁路计算的思路
1、先根据假设条件将电机内的磁路分段：
• • • • （空）气隙 材料为线性μ 齿/电励磁磁极 材料为导磁材料，非线性μ 轭部 材料为导磁材料，非线性μ 永磁极 材料为硬磁材料，多数情况下位线性μ
2、利用磁路定律列写各段的磁压降和磁通密度 的关系式，该关系式是磁路尺寸参数和材料特性 的函数。 3、修正磁场简化为磁路过程中带来的偏差，给 出磁压降和磁通密度关系式的修正公式。
由于饱和引起的磁阻变化的解决办法：试探法 由于磁路宽度不均匀引起的磁路段内磁通分布 不均匀的影响的解决办法：近似等效，如辛普 生公式、梯形近似等。其实质是用一个均匀磁 场强度代替实际上不均匀分布的磁场强度。例 如，非平行齿中的磁路计算和齿联轭中的磁路 计算。
3.3 齿部、轭部的磁路计算
饱和齿部的等效和修正
3.3 齿部、轭部的磁路计算
3.3 齿部、轭部的磁路计算
3.4 磁极漏磁、漏磁系数
课后习题（4选2）
1. 磁路计算的一般步骤是什么？ 2. 磁路计算中主要采用了哪些等效/简化方法 ，每种方法是用来解决什么问题？ 3. 参考唐任远《现代永磁电机设计》列写某 个永磁直流电机的磁路计算方程 4. 参考唐任远《现代永磁电机设计》列写某 个永磁同步电机的磁路计算方程
3.2 空气隙磁路计算
基本思路：
在已知每极气隙磁通和磁路几何尺寸的情况下 ，计算空气隙的磁压降可以归结为确定计算极 弧系数、电枢的计算长度以及气隙系数（或卡 特系数）的数值。 假设电机电枢表面光滑，气隙均匀，给出计算 极弧系数的计算公式，引入一些修正公式，来 考虑气隙不均匀（削角、偏心）的影响 引入修正公式来考虑铁心边缘效应和定、转子 径向通风道对轴向长度的影响 引入气隙系数来修正定、转子铁心开槽对气隙 磁场的影响。卡特系数
三、磁路的欧姆定律 定义：磁动势（安匝数）
F Ni
H B
Hl Ni
Φ B dA BA
l Φ F Ni l Φ ΦRm A B
磁阻，A/Wb 磁导，Wb/A
1、电机的磁路计算的基本原理
四、磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续性定律）： 穿出（或进入）任一闭合面的总磁通量恒等于零 进入任何闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通 量
3.2 空气隙磁路计算
3.2 空气隙磁路计算
计算极弧系数对削角、偏心的修正
3.2 空气隙磁路计算
Lef的修正
3.2 空气隙磁路计算
卡特系数对开槽的影响的修正
3.3 齿、轭部的磁路计算
齿部、轭部的计算主要考虑两个因素：a. 由于饱和引起的磁阻变化；b. 由于磁路宽 度不均匀引起的磁路段内磁通分布不均匀 的影响。
H
B
1、电机的磁路计算的基本原理
二、安培环路定律（全电流定律） 沿着任何一条闭合回路L，磁场强度H 的线积分恰好等于该闭合回线所包围的 总电流值。
ÑH dl i
L
若沿回线L，磁场强 度H处处相等，假设 闭合回路所包围的 总电流由通过电流i 的N匝线圈所提供
Hl Ni
1、电机的磁路计算的基本原理
电机设计 第三讲
电机内的磁场与磁路计算
讲课人：邢伟
2011.9.22
提
2013年5月31日星期五
要
1、电机的磁路计算的基本原理 2、电机内的磁场初步 3、电机各部分磁路的计算
•气隙 •齿部与轭部等铁磁材料 •绕组端部和磁极的漏磁路
1、电机的磁路计算的基本原理
一、磁通管原理
Φ B dA BA
总结
2013年5月31日星期五
磁路计算的基本原理 电机的磁场分布 电机磁路计算的假设与思路
电机各段磁路计算的过程
下节课预告
电机的绕组理论初步
直流电机的绕组 三相交流电机的绕组 绕组因数 多相交流电机绕组理论初步简介
3.1 磁路计算的假设条件和思路
假设2
忽略铁磁材料的磁滞、涡流对磁场
假设3
将电机内实际存在于各部分磁路中的磁场化分为数段等 效磁路（磁通管） 等效就是场化为路后，各段磁路的磁压降等于磁场中对 应点之间的磁压降；通常将空间不均匀分布的磁场化成 磁通沿截面和长度上均匀分布的磁路，即磁通管。
1、电机的磁路计算的基本原理
五、磁路的基尔霍夫第二定律： 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和
1、电机的磁路计算的基本原理
六、磁——电类比
2、电机内的磁场初步
参见电机的电磁场分析结果
3.1 磁路计算的假设条件和思路
假设1
假设定、转子之间相对不动，经过磁极与齿中 心线（或齿与齿中心线相对位置）取计算回路