ANSOFT软件在电机设计中的应用四学习教案

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1、会计学1ANSOFT软件软件(run jin)在电机设计中的在电机设计中的应用四应用四第一页，共101页。永磁同步电机永磁同步电机(旋转旋转(xunzhun)电机电机)PMSM第1页/共101页第二页，共101页。第2页/共101页第三页，共101页。第3页/共101页第四页，共101页。第4页/共101页第五页，共101页。第5页/共101页第六页，共101页。第6页/共101页第七页，共101页。第7页/共101页第八页，共101页。第8页/共101页第九页，共101页。第9页/共101页第十页，共101页。第10页/共101页第十一页，共101页。第11页/共101页第十二页，共101页

2、。第12页/共101页第十三页，共101页。第13页/共101页第十四页，共101页。第14页/共101页第十五页，共101页。第15页/共101页第十六页，共101页。第16页/共101页第十七页，共101页。表面式转子磁路结构的制造工艺简单表面式转子磁路结构的制造工艺简单(jindn)(jindn)成本低，应用较为成本低，应用较为广泛，主要适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安广泛，主要适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能应用于异步起动永磁同步电放起动绕组，无异步起动能力，不能应用于异步起动永磁同步电动机。动机。永磁体放置方式分类永磁体放置

3、方式分类第17页/共101页第十八页，共101页。径向(jn xin)这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或启动的作用，动稳态性能好，广泛应用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。切向永磁体放置方式分类永磁体放置方式分类第18页/共101页第十九页，共101页。混合式永磁体放置永磁体放置(fngzh)方式分类方式分类第19页/共101页第二十页，共101页。极对数极对数(du

4、sh)分类分类第20页/共101页第二十一页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第21页/共101页第二十二页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第22页/共101页第二十三页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第23页/共101页第二十四页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第24页/共101页第二十五页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第25页/共101页第二十六页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第26页/共101页第二十七页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第27页/共101页第二十八页，共101

5、页。极对数极对数(du sh)分类分类第28页/共101页第二十九页，共101页。极对数极对数(du sh)分类分类第29页/共101页第三十页，共101页。第30页/共101页第三十一页，共101页。第31页/共101页第三十二页，共101页。在基本尺寸，结构形式和永磁体材料性能确定以后，转子冲片的设计就是合理利用有效空间安置鼠笼条（需要自启动），永磁体及磁路结构的问题。第32页/共101页第三十三页，共101页。所需永磁体体积(tj):第33页/共101页第三十四页，共101页。第34页/共101页第三十五页，共101页。路算路算场算场算第35页/共101页第三十六页，共101页。场算场算

6、第36页/共101页第三十七页，共101页。场算场算第37页/共101页第三十八页，共101页。场算场算第38页/共101页第三十九页，共101页。Ua=179.624 * sin(2*pi*50*time+10.5*pi/180)场算场算第39页/共101页第四十页，共101页。场算场算第40页/共101页第四十一页，共101页。场算场算第41页/共101页第四十二页，共101页。场算场算第42页/共101页第四十三页，共101页。场算场算第43页/共101页第四十四页，共101页。场算场算120134mAAAA第44页/共101页第四十五页，共101页。求矢量(shling)磁位A值的方法

7、第45页/共101页第四十六页，共101页。第46页/共101页第四十七页，共101页。第47页/共101页第四十八页，共101页。永磁直线永磁直线(zhxin)同步电机同步电机PMLSM第48页/共101页第四十九页，共101页。直线电机(dinj)设计的热点问题:(1)减小直线(zhxin)电机体积和质量、提高推力及推力密度;(2)直线(zhxin)电机特殊的端部效应问题;(3)削弱和抑制由于直线(zhxin)电机自身和外界因素引起的推力减小和推力脉动问题;(4)采取必要的控制策略，获得直接驱动系统的快速响应能力和良好的控制性能;(5)为避免“零”传动系统出现机械振荡，获得稳定的控制，系统

8、还应该具备足够高的动态刚度和静态刚度。第49页/共101页第五十页，共101页。1.脉动脉动(midng)问题问题比较大.推力波动产生(chnshng)的原因第50页/共101页第五十一页，共101页。移极技术不像PM斜极那样，会产生PM磁极形状的制造困难(kn nn)，在平板结构电机中PM磁极还保留矩形适合大批量生产。1 移极技术(jsh)1.脉动(midng)问题_齿槽力移1/2槽距第51页/共101页第五十二页，共101页。2 分数(fnsh)槽整数槽绕组在任何时刻，定子磁极与电枢齿槽的相对位置，对所有磁极来说都是一样的，因此(ync)磁极磁通的脉动，对所有磁极来说也一样的，由磁极磁通的

9、脉动所产生的动子绕组的各相串联线圈中的齿谐波电势在时间上是同相的，它们直接相加，使在相电势中产生很强的齿谐波。1.脉动(midng)问题_齿槽力第52页/共101页第五十三页，共101页。由于q为分数，每极所占的槽数为分数，任一时刻，相邻两磁极相对于动子齿槽位置必有位移，各磁极磁通的脉动情况不一致，由其所产生的动子绕组(roz)的各相串联线圈中的齿谐波电势在时间上并不同相，必须采用向量相加，这样使各相串联线圈中的齿谐波电势大部分相互抵消，使每相的齿谐波电势大为削弱，对减小齿槽力的波动起到很大的作用，这对提高PMLSM平滑运动更有意义。分数(fnsh)槽:采用分数槽绕组，等效每相每极槽数q增大，

10、极大(j d)的改善了电势波形。1.脉动问题_齿槽力第53页/共101页第五十四页，共101页。缺点是分数(fnsh)槽绕组的合成磁势会出现低次(v1)谐波，这些低次谐波将引起电机局部饱和，降低平均推力，增大附加损耗。斜槽、闭口槽和分数槽情况下的齿槽力波动的比较，采用分数槽，PMLSM的齿槽力波动幅值最小，仅为在整距开口槽情况下齿槽力波动幅值的1/5，并得到(d do)了较采用斜槽、闭口槽好的削弱齿槽力波动的效果。1.脉动(midng)问题_齿槽力第54页/共101页第五十五页，共101页。通过减小槽口宽度(kund)、采用磁性槽楔或者闭口槽，将会减小PMLSM齿槽力波动。3 槽口(co ku

11、)宽度增加线圈(xinqun)下线工艺的复杂性。槽开口将引起动子铁心各向异性的程度，影响到磁导变化。缺点：闭口槽结构闭口槽结构完全消除齿槽力波动的影响。漏磁问题。1.脉动问题_齿槽力第55页/共101页第五十六页，共101页。槽高的变化(binhu)对齿槽力的影响较小算例 槽高影响槽高影响(yngxing)注：算例摘自文献(wnxin)浙江大学博士论文作者邵波第56页/共101页第五十七页，共101页。 槽宽影响槽宽影响(yngxing)随着槽宽的变小(bin xio)，齿槽力波动在一定程度上得到了抑制。由于过小的槽宽，制约了线圈的排布和励磁磁势。1.脉动(midng)问题_齿槽力第57页/共

12、101页第五十八页，共101页。 闭口闭口(b ku)槽槽齿槽力波动(bdng)与闭口槽口高成反比。h0槽口(co ku)高1.脉动问题_齿槽力第58页/共101页第五十九页，共101页。4 斜槽或斜极斜槽斜槽有效(yuxio)减小推力波动。减少(jinsho)电磁推力。电磁推力是否(sh fu)减少？斜极斜极工艺将使装配和充磁变得较为困难。否1.脉动问题_齿槽力第59页/共101页第六十页，共101页。斜槽斜槽齿槽力波动和斜槽角有关(yugun)，斜槽对齿槽力波动抑制作用也较大，但斜槽(或斜极)给制造工艺增添了困难，同时也增加了斜槽漏磁。1.脉动(midng)问题_齿槽力第60页/共101页

13、第六十一页，共101页。5 气隙长度(chngd)增加(zngji)气隙的大小可以抑制齿槽力的影响？气隙的变大，会导致(dozh)PMLSM电磁推力的减小。气隙的大小影响着动子齿槽和永磁体的相互作用，所以影响齿槽转矩。问题问题1.脉动问题_齿槽力第61页/共101页第六十二页，共101页。气隙长度气隙长度(chngd)气隙的增大(zn d)能部分的减小齿槽力的波动。但是，气隙的增大(zn d)，需要增大(zn d)励磁。1.脉动(midng)问题_齿槽力第62页/共101页第六十三页，共101页。端部铁心端部铁心(ti xn)断开断开纵向端部效应是端部磁场畸变和结构断开对直线电机性能和设计带来

14、的一系列变化的总称.1定位力(detent force)造成的推力波动2磁场分布变3奇数磁极3三相(sn xin)电感不相等 现象等等。产生纵向端部效应产生纵向端部效应第63页/共101页第六十四页，共101页。（注：参考文献：永磁直线同步电机纵向端部效应(xioyng)补偿方法。电机工程学报。）第64页/共101页第六十五页，共101页。例如(lr)加大边齿的宽度第65页/共101页第六十六页，共101页。举例(j l)加大边齿的气隙长度第66页/共101页第六十七页，共101页。减小端部效应推力波动的方法(fngf)：1采用多极结构2增加气隙长度3增加直线电机两端的齿宽等方法(fngf)第

15、67页/共101页第六十八页，共101页。单边平板型PMLSM电磁(dinc)推力特点：(1)法向力远大于推力，数值上相差(xin ch)十倍以上。(2)定子极距对电磁推力的影响. K是定子极距与初级绕组齿距的比值.随着K值增加，推力和法向力脉动范围增加。当K=1时，直线电机极距等于齿距，此时(c sh)导致该直线电机推力和法向力脉动范围非常大，应该避免发生这种情况。2.电磁推力第68页/共101页第六十九页，共101页。由表达式推出永磁直线同步电机动子和定子结构参数(cnsh)对电机推力的影响。2.电磁推力_结构(jigu)参数对推力影响第69页/共101页第七十页，共101页。推力标么值随

16、气隙及结构参数(cnsh)的变化2.电磁推力_结构参数(cnsh)对推力影响随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响不同，呈现非线性的变化关系。动子槽距加大，直线电机推力减小，并且随着槽型尺寸(ch cun)的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;k变大第70页/共101页第七十一页，共101页。推力标么值随气隙及结构(jigu)参数的变化2.电磁(dinc)推力_结构参数对推力影响随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同的结构参数对推力的影响(yngxing)不同，呈现非线性的变化关系。同样在气隙不变的情况下，随着永磁体磁化高度的增加，直线电机推力也增加，但增加趋势有

17、所减弱。换句话说，永磁体磁化高度的显著增加并不能显著增加推力。考虑到永磁材料的高成本应该合适选择永磁体尺寸。k变大第71页/共101页第七十二页，共101页。推力标么值随气隙及结构(jigu)参数的变化随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同(b tn)的结构参数对推力的影响不同(b tn)，呈现非线性的变化关系。动子槽型加深，直线电机推力减小，并且随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;k变大2.电磁(dinc)推力_结构参数对推力影响第72页/共101页第七十三页，共101页。推力标么值随气隙及结构参数(cnsh)的变化随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，不同(b tn)的结

18、构参数对推力的影响不同(b tn)，呈现非线性的变化关系。增加槽宽，直线电机推力趋于增加，并且随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;k变大2.电磁(dinc)推力_结构参数对推力影响第73页/共101页第七十四页，共101页。推力标么值随永磁体磁化高度及结构(jigu)参数的变化随着(su zhe)永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定情况下，槽深增加则推力减小。k变大2.电磁推力_结构参数(cn

19、sh)对推力影响第74页/共101页第七十五页，共101页。推力标么值随永磁体磁化高度及结构(jigu)参数的变化随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定(ydng)数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定(ydng)情况下，气隙减小，推力增大。k变大2.电磁推力_结构(jigu)参数对推力影响第75页/共101页第七十六页，共101页。推力标么值随永磁体磁化(chu)高度及结构参数的变化随着永磁体磁化高度增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值

20、后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它(qt)条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一定情况下，槽距增大，则推力减小。k变大2.电磁推力_结构(jigu)参数对推力影响第76页/共101页第七十七页，共101页。推力标么值随永磁体磁化高度及结构参数(cnsh)的变化随着永磁体磁化高度增加，直线(zhxin)电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和，也就是说，在其它条件不变的情况下，永磁体磁化高度尺寸太大，不但推力增加缓慢，而且由于电机体积和重量增大，反而导致推力密度降低。在永磁体磁化高度一

21、定情况下，槽宽增加，推力提高。k变大2.电磁(dinc)推力_结构参数对推力影响第77页/共101页第七十八页，共101页。随着气隙增大，推力减小;当气隙一定时，动子槽距加大、槽型加深，减小槽宽，直线电机推力减小，并且(bngqi)随着槽型尺寸的增加，直线电机推力减小趋势有所减弱;随着永磁体磁化高度的增加，直线电机推力也增加，但增加趋势有所减弱。结构参数(cnsh)对推力的影响： 随着永磁体磁化高度(god)增加，直线电机推力迅速上升，达到一定数值后，电机推力变化趋向饱和。在永磁体磁化高度(god)一定情况下，槽距增大、槽深增加，减小槽宽，则推力减小;气隙减小，推力增大。2.电磁推力_结构参数

22、对推力影响第78页/共101页第七十九页，共101页。电机在一个极距下产生(chnshng)推力体积密度推力体积密度(md)计算示意图2.电磁(dinc)推力_推力密度第79页/共101页第八十页，共101页。电机在一个(y )极距下产生推力体积密度Hpm为永磁体磁化(chu)高度2.电磁(dinc)推力_推力密度永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，推力密度将随着永磁体磁化高度增加而减小，且磁化高度增加值越大推力密度减小趋缓。磁化高度增加第80页/共101页第八十一页，共101页。电机在一个极距下产生(chnshng)推

23、力体积密度hy动子高度(god)2.电磁(dinc)推力_推力密度永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，动子高度增加较小时，推力体密度加大，但显著加大动子高度会使推力密度值缓慢增加;动子高度增加第81页/共101页第八十二页，共101页。电机在一个极距下产生(chnshng)推力体积密度永磁体磁化高度(god)增加永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，推力密度与极距的变化关系存在一个最高点，适当选择极距尺寸非常重要。在推力达到最高点后，极距一定时，随着

24、磁化(chu)高度增加推力密度减小。2.电磁推力_推力密度第82页/共101页第八十三页，共101页。电机在一个(y )极距下产生推力体积密度动子高度(god)永磁体宽度增加，推力密度增加;当永磁体宽度增加到一定值时，推力密度增加变缓并有减小的趋势。当永磁体宽度一定时，适当增加动子高度(god)方向尺寸，可以提高推力密度;2.电磁推力_推力密度第83页/共101页第八十四页，共101页。第84页/共101页第八十五页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)模型:第85页/共101页第八十六页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机空载(kn zi)定

25、位力转矩波动(bdng)：268/38007第86页/共101页第八十七页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)空载法向力第87页/共101页第八十八页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)空载反电势幅值：194V，有效值137.2V,反电势正弦(zhngxin)度良好。第88页/共101页第八十九页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)空载磁密分布云图第89页/共101页第九十页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)齿轭分布齿轭磁密数值(shz)偏低.第90页/共101页第

26、九十一页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机空载(kn zi)气隙磁密分布第91页/共101页第九十二页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)负载通入电流第92页/共101页第九十三页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机负载(fzi)通入电流第93页/共101页第九十四页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)负载通入电流电流(dinli)42.5A第94页/共101页第九十五页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)额定负载电磁推力双边(shungbin)波动：（40

27、08-3506）/3800=13.2%第95页/共101页第九十六页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)额定负载法向拉力第96页/共101页第九十七页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机负载(fzi)反电势负载相反(xingfn)电势幅值305V,有效值215V。第97页/共101页第九十八页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)负载磁密分布第98页/共101页第九十九页，共101页。3.永磁直线(zhxin)同步电机仿真电机(dinj)负载气隙磁密第99页/共101页第一百页，共101页。第100页/共101页第一百零一页，共101页。