永磁设计参考
材料从研制角度而言，是希望性能尽可能地优越。但从使用角度考虑，对已研制出的材料，如何合理利用以期获得最大的收益则显得更为重要。具体到永磁材料，则涉及到磁体的选用和磁路的设计。下面对永磁磁路设计做简单介绍。
·永磁磁路的基本知识
磁路：
最简单的永磁磁路由磁体、极靴、轭铁、空气隙组成。磁路之所以采用路的说法，是从电路借用而来，所以传统意义上的磁路设计是与电路设计相类似的，为了更明了地说明这个问题，简单比较如下图：
磁路的基本类型有并联磁路、串联磁路，其形式同于电路。
静态磁路基本方程：
静态磁路有两个基本方程：
其中k f为漏磁系数，k r为磁阻系数，Bm、Hm、Am、Lm分别为永磁体工作点、面积和高度；Bg、Hg、Ag、Lg为气隙的磁通密度、磁场强度、气隙面积和长度。由以上两式可得：
上式中Vm=Am.Lm表示永磁体体积，Vg=Ag.Lg表示气隙的体
积，(HmBm)是永磁体工作点的磁能积。
·磁路设计的一般步骤：
·根据设计要求（Bg Ag、Lg的值由要求提出），选择磁路结构的磁体工作点。在选择磁路结构时，需要结合磁体性能来考虑磁体的尺寸，设法使磁体的位置尽量靠近气隙，磁轭的尺寸要够大，以便通过其中的磁通不至于使磁轭饱和，即φ=B轭A轭，式中的B轭最好相当于最大磁导率相对应的磁通密度。如果B轭等于饱和磁通密度的话，则磁轭本身的磁阻增加很多，磁位降加大，或者说磁动势损失太大。
·估计一个Kf和Kr，利用初步算出磁体尺寸Am 、Lm；
·据磁体尺寸、磁轭尺寸，算出整个磁路的总磁导P（其中关键是漏磁系数Kf的计算），再将原工作点代入下式：
Bg=F/[KfAg(r+R+1/P)]
·据总磁导P、漏磁系数Kf、磁体内阻r和磁轭的磁阻R，看Bg是否与要求相符，否则再从头起设计。
在已知气隙要求(Bg、Ag、Lg)和磁体工作点的情况下，欲求磁体的尺寸（Lm、Am），则需要知道漏磁系数Kf和磁阻系数Kr。Kr的值
变化较小，一般在1.05至1.45之间。Kf的值在不同磁路结构(不同的尺寸、磁势分布)中，差别很大。计算Kf的方法，带有很大的经验性质，原因是磁路中的磁通(磁流)、磁动势、磁阻都是非集中参量，很难准确计算，理论计算与实际结果误差往往在10%以上。虽然如此，作为一种方法，下面还是要对Kf的理论计算作一个简单介绍。
·漏磁系数Kf的计算：
从磁路设计和方法可见，磁路设计之关键是漏磁系数Kf的计算。
对于Kf的计算，一般有磁导法和经验公式法：
1.用磁导法计算漏磁系数，先把磁路等效成电路，计算磁路各部分的磁导，再根据基尔霍夫方程组，求Kf :
其中，Pb为气隙上下边缘的磁导，Pi为磁体外侧面的磁导。
对于各部分的磁导Pi的求法有二：
·
·
（该方法使用更广泛）
2.据上面理论，经推导可有以下关于常见磁路磁导的计算公式：
·磁体工作点的确定:
磁路设计，首先要据磁路选取合适的磁体，并确定其工作点Bm、Hm。为满足磁通稳定性的要求，磁体工作点应选在磁体最大磁能积点的上方。由于磁体工作点与磁性能和磁体尺寸有关，故选定所使用的磁体后，便是要选择合适的磁体尺寸，以得到合理的工作点。为判断所选取的工作点是否合理，我们简单谈一下如何确定磁体的工作点：
1. 孤点磁体单位磁导（退磁系数PC）的确定:
由电磁场理论可有：孤立磁体总磁导
则单位磁导，下面分情况说明：
轴向磁化圆棒：
沿辐向磁化圆棒：
块状磁体：
实际测定值与理论值有些差异，但完全可以定性地说明问题。
2. 磁体工作点的确定:
磁体退磁曲线如右:
过O点作负载线，其斜率即为导磁系数Pc，该负载线与Br－Hcb连线相交于一点，该点对应的Bm、Hm即为磁体工作点。据此我们既可对所选磁体的工作点进行计算，从而进行下一步的磁路设计，也可在选用磁体时采用合适的磁体尺寸，使磁体工作点满足磁路设计之要求。
磁铁间吸引或排斥力的计算：
对于如下图中所示的磁铁与铁磁性材料之间的吸引力F的算法：
设气隙磁密Bg，磁场强度Hg，气隙面积Ag，气隙长Lg，则吸引力F为：
即磁体与衔铁间的磁力与气隙磁密，磁场强度及气隙面积成正比。而对于图中两块磁体相对的情况（包括相斥和相吸），可由上述结论引申得到以下结论：
两磁铁之间的吸引力或排斥力为：2F 。
·动态磁路的设计：
气隙磁场发生变化的磁路称为动态磁路。其气隙磁场发生变化可由尺寸变化，也可由外场影响。处于动态工作的磁体一般有两种情况：牵引磁体和磁力吸盘。牵引磁体要求在一定的距离下有多大的牵引力，磁力吸盘则要求距离为零时有多大的吸引力。在动态磁路中，磁体工作点在变化，即如图所示：
对于动态磁路，有：
即当气隙条件（Ag、Lg）和磁体性能（B1、H1、цrec、Am、Lm）确定后，气隙磁密即确定。则动态磁路中牵引力公式为：
其中：
可见随着常数a、b不同，吸引力F与Lg曲线形状不同，但总随Lg2衰减。棒形磁体牵引力小，但衰减慢；曰字型磁体变化快，Lg小，作用力F可以很大。
·磁路设计之有限元法：
永磁磁路设计是通过对磁通的流向予以明确化，并在分清其主导和次要因素后，予以适当的简化，从而抓住问题的主要矛盾来解决。其整套思路是在对电机设计过程中逐步发展起来的。特点是以集中参量描述磁场的分布。这一套方法对电机的设计是很效的，但在其它许多场合下，之其是磁场的分布有场形分布时，磁路算法已不在适用，而要用到数值分析方法，如有限差分法、有限元法、积分方程法等，其中发展较成熟的是有限元法。
有限元法是基于建立起来的数字模型，用现代数学方法求出有关微分方程定解问题的解，并对计算结果进行加工和解释。
有限元法对磁体的磁场进行求解的步骤一般为：
·场域剖分；
·单元分析；
·总体合成；
·处理边界条件；
·解方程。
更具体地说，电磁理论中将永磁体的模型建立为绕在磁导率为μ的铁
芯上的同形状的无限薄电流线圈。对于磁体所产生的磁场，可用麦克斯韦电磁场理论建立方程。如对电机中经常使用的垂直于电机轴的平行平面场，该场域上的电磁场可建立方程：对场域
第一类边界：A=A0 （规定了物理量在边界上的值称为第一类边界条件）；
第二类边界：（规定了物理量法向微商在边界上的值称为第二类边界条件）；（其中A为磁矢量，J2为源电流密度）。且此
时有：；；；（n 为法线方向，t为切线方向）。
上述方程可等价为下面的变分问题：
第一类边界：A=A0式中，
对诸如上述的电磁场方程很难精确求解，如何寻找一些既实用又能达到求解要求的方法是很重要现代数学问题，而有限元法是其中之一。有限元法是将求解区域剖分为多个小单元，这种小单元称为网格。网格的选取及疏密取决于具体场域及对精度的要求。对每个网格构造插值函数（一般用线性插值或抛物线插值）A=NiAi+NjAj+---+NnAn ,将其及对x、y的一阶偏导数代入能量方程中，将变分问题转化成能量函数W以求极值，得到节点函数的代数方程组。对于该代数问题，
要用牛顿-拉斐森迭代法求解。经过适当次迭代后，右端项接近于零，从而使解趋于收敛，解得值后，通过处理即求得场量。
所以有限元法的核心是网格剖分与边界条件的确定，之后是选用现代数学进行运算求解，最后对求解结果进行分析。
在对许多具体情况时，可使用一些建立起来的物理模型，从而可使问题简单化。而真正在设计中，现代多用电机CAD一类的高级辅助软件，进行分析、设计，保证设计的正确性、准确性及最优化。
·磁体表场及其计算：
磁性能的测量对磁体生产厂家和使用客户来说，都是一个很重要的问题。磁体的精确测量，应使用测试仪；但在对大量产品的测试中，人们更多的使用的是测试磁体的表场，但表场究竟是一个什么概念？与静态测试有何联系？如何正确评价表场值？值得探讨。对于磁体表场的理论计算，据电磁理论可有以下公式：
圆片类磁体表场计算公式：
方块类磁体表场计算公式：
其中长度为L、宽度为W、高度为T、x是测试点离磁体表面的距离。圆环类磁体表场计算公式：
表场计算的理论公式描述了磁体表场随参量的变化规律，但与实际测量值有一定的差别，故实际我们在计算时可在其理论值计算的基础上加一修正系数：一般我们取为0.8-0.9，或采用一些更与实际相接近的经验公式。
（一）PMSM的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1）忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2）不考虑涡流和磁滞损耗； 3）当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4）驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5）忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型山电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： （1）电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示： 叫=RJd + Ld - — 3趴 at 此 dt 其中，Rs为定子电阻；ud、uq分别为d、q轴上的两相电压；id、iq分别为d、q轴上对应的两相电流；Ld、Lq分别为直轴电感和交轴电感；为电角速度；巾d、Wq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 / X cos 8 一sin。 （22 、 2 / \ = cos（。一—-sm(8— 3 3 宀 2 2 cos(& + -?r) 一sin(8 + - I 3 3丿 （2）d/q轴磁链方程： 其中，Wf为永磁体产生的磁链，为常数，,而◎=% 是机械角速度，P为同步电机的 极对数，3c为电角速度，eO为空载反电动势，其值为
永磁直流電機設計 1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系: 與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是: D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1) D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸 Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定 p’計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8 Ce 電勢系數 a 支路數在小功率電機中取a=2 p 极數在小功率電機中取p=2 N 電樞總導体數 n 電机額定轉速 Ky 電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩 αP 極弧系數一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637 Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg τ極矩(cm) τ=π*D2/P Bg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br為剩磁密度 A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了. 在(1)式的基礎上經過變換可為:
D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A 由上式可以看, C A的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它 僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機 常數,它的導數K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電 樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數. 2.直流電機定子的確定 2.1磁鋼內徑 根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑 Dmi=D2+2g+2Hp 其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm ,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁 鋼電機可取得較小,因鐵氧體H C較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞 反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和 噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高. 有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴 形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁 極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺 寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產. 其缺點是容易引起不可逆退磁現象. Hp 極靴高(cm) 無極靴結構時Hp=0 2.2磁鋼外徑 Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形結構) Hm 永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產生不可逆退磁),(2)在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小. 2.3磁鋼截面積Sm 對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說, Br較大,則Sm取小值. 環形鐵氧體磁鋼截面積: Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)
铁氧体磁体使用注意事项： （1）由于铁氧体磁体的单磁磁晶各向异性常数K，在0摄氏度下要显著降低。 （2）铁氧体剩磁温度系数是负的，温度升高剩磁下降。而矫顽力温度系数是正的，温度升高，矫顽力增加。 （3）铁氧体剩磁虽然低，但矫顽力却高。只要精心设计，磁隙磁通密度亦可达1T以上，体积亦可设计较小。 （4）要把握测试，确保实际使用的磁体同设计选用的磁体一致。 钕铁硼磁体使用时应注意以下事项 （1）钕铁硼磁体一般选用内磁式磁路。虽然钕铁硼磁体磁能积甚高，但磁隙中磁通密度并不容易达到高值。 （2）钕铁硼磁体矫顽力高，适宜制成薄片。 （3）钕铁硼磁体易碎、生锈。 （4）钕铁硼磁体充磁要使用专门设备，退磁困难。 钕铁硼磁体价廉而物美，美中不足的是居里点低，只有319摄氏度， 稀土地钴磁体有两类：一类习惯称之为2：17材料，通式为R2C O17，R表示稀土材料 稀土钴磁体的优点是居里点高，可达850摄氏度。 铁氧体磁路是由导磁上板、导磁板柱和磁体组成。利用铁氧体的磁性，而用低碳钢制成的导磁上板、导磁板柱形成导磁通道，在磁隙中形成一个均匀的强磁场，进而推动载流音圈振动。 磁力线能穿透一切（超导体除外）物质，无往而不在，只是导磁板磁阻较低，磁力线穿过较多，由于人们对电路熟悉，因此引用一个磁路概念，借用电路的分析手段来分析磁路。 但是电路、磁路还是有相当的不同。比如：电路中电流是循规蹈矩，否则就是事故；而磁路约束力就小得多，磁力线四处散逸。 导磁上板（华司），通常由低碳钢制成。低碳钢即含碳量较低的钢材，在扬声器导磁极最常用的是45号钢。它的成分中C为0.42%~0.50%，抗拉强度600MPA，屈服强度355MPA，伸长率16% 当磁隙中为高磁通密度时，导磁板可采用电工纯铁，其含碳量更低。 对于普通磁路，长期困扰的一个问题，就是磁通密度分布不均匀，也就是在磁隙内磁通密度是均匀的；在磁隙外，由于磁阻增加，磁通密度下降，由于磁路形状不对称，导磁板上、下两边下降速度不同。 由JBL公司最早推出的T形磁路，由于在磁隙中产生均匀磁场而受到重视。普通磁路的磁通，在磁隙上下公布是不均匀、不对称的。将导磁柱形状改一下，做成T形，在磁隙中的磁通分布上下是均匀的、对称的。这就进一步减小了扬声器的失真。由形定名，这种磁路被形象称之为T形磁路，或称对称磁路（SFG）。
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
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：
新型永磁电机转子磁路结构设计与分析 方案计算中采用了二维平面电磁场时步有限元结合场路耦合的方法，采用该计算方法的优点是能够考虑机械运动、导体区域感应涡流产生的集肤效应以及绕组邻近效应的影响，通过合理的简化模型，可以获得较高的计算精度和合理的计算时间[7]。 永磁同步电机电磁场时变问题中的Maxwell方程组表达式为： （2） 当考虑到电机铁芯的饱和因素，则非线性时变运动电磁场问题的偏微分方程表达式[8]为：（3） 式中：A—矢量磁位；Js—外部强加的源电流密度；v—媒质的磁阻率；V—媒质相对坐标系的运动速度；—媒质的电导率。 3 电磁场仿真计算与分析 根据上述分析，针对以上转子磁路结构类型，本文建立了3种磁路结构的模型，分别是表贴式、内置式和本文提出的新磁路结构。 该永磁同步电动机的定子槽数（36槽）及结构尺寸相同。转子采用不同的磁路结构，即表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构和本文提出的新型磁路结构。转子极数为8极。图3、图4和图5分别为表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构（转子磁路為一字型结构）、以及本文提出的新型转子磁路结构。 建立有限元仿真模型后，将分别计算3种磁路结构的空载反电动势波形，电机运行转速为1 000rpm，磁钢温度20℃。图6、图7和图8分别是表贴式转子磁路结构的空载反电动势波形、内置式转子磁路结构的空载反电动势波形和本文提出的新型转子结构的空载反电动势
波形。 通过对比图6、图7和图8的有限元仿真计算结果可知，当采用本文提出的新型转子磁路结构时，电机空载反电动势波形具有更高的正弦度，谐波含量最低，其谐波畸变率约为0.3%，远小于表贴式结构的2.6%和内置式转子结构的1.1%。 在空载工况下，对3种磁路结构电机的交直轴电感进行有限元仿真分析，得到电机交、直軸电感随时间的变化波形。计算结果如图9、图10、图11所示。 图9为表贴式转子结构的交直轴电感仿真结果。由于表贴式电机的交直轴磁导近似相等，因此仿真曲线中交直轴电感相近，即电机的凸极率近似为1。由图10可知，内置式电机的交直轴电感相差较大，其凸极率约等于1.5。图11为本文提出的新型转子磁路结构的电感仿真曲线，该结构的凸极率约为1.06，十分接近表贴式转子结构的凸极率，所以该磁路结构的控制方式与表贴式电机基本一致，使电机的控制方式更加简单。 4 试验验证 本文对新型转子磁路结构电机进行设计分析，根据设计参数制作了样机，并对样机的空载反电动势波形以及电机线电感进行试验测试。图12为新型转子结构样机空载反电动势波形。实测反电动势有效值与仿真计算值误差2.6%，满足工程设计要求。 本文通过对新型转子结构样机电感测试，得到样机线电感最大值约为105μH，线电感最小值约为90μH，因此其凸极率约为1.16，远低于内置式电机的凸极率，与表贴式电机的凸极率接近。 5 结论 本文提出了一种新型永磁同步电机转子磁路结构，通过分析得出以下结论。1）本文提出的新型永磁同步电机转子磁路结构，能够实现电机的高速运行，提高了磁钢在高速运行和冲击
ANSOFT RMxprt自动创建PM BLDC电机Maxwell2D的仿真步骤一、通过RM创建模型，打开模型图界面，在界面上点击右键--------选定Assign Excitation-------选定Set Core Loss... 二、在Set Core Loss点击左键进入以下界面 在Stator和Rotor后面的Core Loss Setting栏复选框点击出现如上图所示√，注意如果是系统定义的软磁材料后面的Defined in Material栏下的小方框里会出现√这表示在定义材料特性时，已经将铁耗计算相关的系数已经定义，可以用于铁耗计算。 三、添加一个求解设置 点击选中项目结构树种中的Analysis下的Setup1，点击右键弹出如左图对话框，点击Properties弹出右图求解器对话框
在对话框General选项下设置求解器的停止时间Stop time通常为电机转过720o电角度（2个电角度周期）所需的时间，如果后处理电流或者转矩的瞬态波形还处于收敛状态，说明需要增加求解时间，可以设置为2.5个电角度周期。瞬态场计算时间步长Time step一般而言越小越好，但过小会延长求解器计算时间，通常按设定的速度转动1o所需要的时间来设置。 接下来设置下图来保存系统需要保存的从开始到停止的中间计算时刻点的模型 在这里，默认的设置为保存三个点的求解模型和相应的计算结果数据，可以修改起点Start、停止点Stop和时间步长Step数据获得更多的时刻点数据，然后点击Add to list增加到计算时刻点列表里，如下图所示 上图设定时间步长为0.001，也就是保存包括0时刻的11个时刻点的数据，这样我们能在在后面观察到0时刻的位置，观察磁钢轴线（D轴）和电机A相轴线的位置关系（在《ANSOFT仿真中的初始位置和编码器零点分析》中会详细讨论。
1.1 磁路结构和设计计算 永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此，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，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。 1.2 控制问题 永磁发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。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。 1.3 不可逆退磁问题 如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振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，既要研究开发适合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式发电机不会失磁。 1.4成本问题 由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。 1.5永磁转子特点： 结构1： 并联磁场结构；转采用采用铸造压制而成，里面嵌放永磁体，能量大、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号；ZL96 2 47776.1 结构2： 串联磁场式结构；转子采用钢结构，表面按顺序嵌放永磁铁，转子表面磁通强、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号：ZL98 2 33864.3 整机稳压系统特点： 采用可控硅和二极管组成半控桥式整流电路。稳压系统是一种斩波调制型稳压装置，其稳压精度为正负0.1v，故该发电机具有能瞬间承受较大电流、运行可靠和耐用等特点，又因可直接利用发电机发出的交流电的反向电压使可控硅自行关断，故无需加关断电路，使电路结构简单、可靠。 2、永磁发电机的优点
现代电机设计 利用Ansoft软件对异步起动永磁同步电动 机的分析计算 2013 年7 月
目录 第1章引言………… 第2章 RMxprt在永磁同步电机中的电机性能分析………… 2.1 Stator项设置过程………… 2.2 Rotor项设置过程………… 2.3 Line Start-Permanent Magnet Synchronous Machine的电机仿真………… 2.4 计算和结果的查看………… 第3章静态磁场分析………… 3.1 电机模型和网格剖分图………… 3.2 磁力线分布图…………………… 3.3 磁密曲线 3.3.1 气隙磁密分布………… 3.3.2 定子齿、轭部磁密大小………… 3.3.3 转子齿磁密大小………… 第4章瞬态场分析………… 4.1 额定稳态运行性能………… 4.1.1 电流与转矩大小………… 4.1.2 各部分磁密………… 4.2 额定负载启动………… 4.2.1 转矩-时间曲线………… 4.2.2 电流-时间曲线………… 4.2.3 转速-时间曲线………… 4.2.4 转矩-转速曲线…………
第1章引言 Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁场领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。该软件包括二维求解器、三维求解器和RMxprt旋转电动机分析专家系统这3个主要模块，不仅可以进行静磁场、静电场、交直流传导电场、瞬态电场、涡流场、瞬态磁场等不同的基本电磁场的特性分析，还可以通过RMxprt电动机模块仿真多种电动机模型，为实际电动机设计提供帮助。利用Ansoft软件进行仿真可以帮助我们了解电动机的结构特性。 本文是一台4极、36槽绕组永磁同步电动机，利用RMxprt模块进行电机的建模、仿真以及导入到Maxwell2D的有限元模块的方法，然后再对Maxwell2D 中的永磁体模型进行修正，最后对该电机在静态磁场和瞬态磁场的情况下进行分析。
磁路的基本概念和基本定律 在很多电工设备（象变压器、电机、电磁铁等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题，这一章，我们就学习磁的相关知识。 一、磁铁及其性质：人们把物体能够吸引铁、钴等金属及其合金的性质叫做磁性，把具有磁性的物体叫做磁体（磁铁）。磁体两端磁性最强的区域叫磁极。任何磁体都具有两个磁极，而且无论把磁体怎样分割总保持有两个异性磁极，也就是说，N极和S极总是成对出现的。与电荷间的相互作用力相似，磁极间也存在相互的作用力，且同极性相互排斥，异极性相互吸引。 1．1磁场与磁感应线 磁铁周围和电流周围都存在磁场。磁场具有力和能的特征。磁感应线能形象地描述磁场。它们是互不交叉的闭合曲线，在磁体外部有N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极，磁感应线上某点的切线方向表示该点的磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。 1．2描述磁场的物理量： 磁感应强度B：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受电磁力F与电流I和导线有效长度L的乘积IL的比值即为该处的磁感应强度，即B＝F/IL，单位：特斯拉。磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量，它与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。 磁通∮：磁感应强度B和与它垂直方向的某一截面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，即∮＝BS，由上式可知，磁感应强度在数值上可以看作与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度，单位是伏.秒，通常称为“韦”。磁通∮是描述磁场在空间分布的物理量。 磁导率u是说明媒体介质导磁性能的物理量。 1．3定则 电流与其产生磁场的方向可用安培定则（又称右手螺旋法则）来判断。安培定则既适用于判断电流产生的磁场方向，也可用于在已知磁场方向时判断电流的方向。 1.直线电流产生的磁场，以右手拇指的指向表示电流方向，弯曲四指的指向即为磁 场方向。 2.环形电流产生的磁场：以右手弯曲的四指表示电流方向，拇指所指的方向即为磁 场方向。 3．通电导体在磁场内的受力方向，用左手定则来判断。平伸左手，使拇指垂直其余四指，手心正对磁场的方向，四指指向表示电流方向，则拇指的指向就是通电导体的受力方向。可用下式来表示：
磁性材料设计参考永磁材料设计 永磁设计 材料从研制角度而言，是希望性能尽可能地优越。但从使用角度考虑，对已研制出的材料，如何合理利用以期获得最大的收益则显得更为重要。具体到永磁材料，则涉及到磁体的选用和磁路的设计。下面对永磁 磁路设计做简单介绍。 ·永磁磁路的基本知识 磁路： 最简单的永磁磁路由磁体、极靴、轭铁、空气隙组成。磁路之所以采用路的说法，是从电路借用而来，所以传统意义上的磁路设计是与电路设计相类似的，为了更明了地说明这个问题，简单比较如下图： 磁路的基本类型有并联磁路、串联磁路，其形式同于电路。 静态磁路基本方程： 静态磁路有两个基本方程： 其中k f为漏磁系数，k r为磁阻系数，Bm、Hm、Am、Lm分别为永磁体工作点、面积和高度；Bg、Hg、Ag、Lg为气隙的磁通密度、磁场强度、气隙面积和长度。由以上两式可得： 上式中Vm=Am.Lm表示永磁体体积，Vg=Ag.Lg表示气隙的体积，(HmBm)是永磁体工作点的磁能积。 ·磁路设计的一般步骤： ·根据设计要求（Bg Ag、Lg的值由要求提出），选择磁路结构的磁体工作点。在选择磁路结构时，需要结合磁体性能来考虑磁体的尺寸，设法使磁体的位置尽量靠近气隙，磁轭的尺寸要够大，以便通过其中的磁通不至于使磁轭饱和，即φ=B轭A轭，式中的B轭最好相当于最大磁导率相对应的磁通密度。如果B 轭等于饱和磁通密度的话，则磁轭本身的磁阻增加很多，磁位降加大，或者说磁动势损失太大。 ·估计一个Kf和Kr，利用初步算出磁体尺寸Am 、Lm； ·据磁体尺寸、磁轭尺寸，算出整个磁路的总磁导P（其中关键是漏磁系数Kf的计算），再将原工作点代入 下式： Bg=F/[KfAg(r+R+1/P)] ·据总磁导P、漏磁系数Kf、磁体内阻r和磁轭的磁阻R，看Bg是否与要求相符，否则再从头起设计。
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势， 忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相
静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22 cos()sin() 33 22 cos()sin() 33 a d b q c u u u u u θθ θπθπ θπθπ ?? ? - ??? ?? ?? =--- ? ?? ?? ?? ?? ? +-+ ?? (2)d/q轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψ ψ =+ ?? ? = ?? 其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，0 f r e ω ψ=，而c r p ω ω=是机械角速度，p为同步电机的极对数，ωc为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 3 2 e d q q d T p i i ψψ ?? =- ?? 把它带入上式可得: 3 () 2 33 () 22 e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψ ψ ?? =+- ?? =+- 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 3 2 e f q t q T p i k i ψ == 这里， t k为转矩常数， 3 2 t f k pψ =。
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 T。本例所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 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
FINEMotor? 扬声器磁路系统及音圈设计程序 指导书 https://www.doczj.com/doc/7715303915.html,
注意：如果将PDF READER的“平滑文本”选项去掉，将会解决显示汉字太淡的问题。
FINEMotor程序是模拟和设计各种喇叭单体的磁路和音圈的理想程序。这些单体不但包括中低音和圆顶喇叭而且还包括电话接收器和耳机等。 6.5英吋低音扬声器设计 启动 FINEMotor，选择 "NEW" 或 _Default.fm2。我们先试用一种现存的9.75mm卷宽的音圈. 按 "Voice Coil"音圈按钮: 选 2 层圆铜线圈，然后设定直流电阻Re=6.2欧姆. 注意 "Wire Stretch"(音圈线延展率) 设定成 4% 来配合我们实际的线圈(见calculated winding计算的卷宽). 按 "Acoustic Components" 声学组件按钮，将会出现如下对话窗口: 输入有效直径D=13.11cm( 包括悬边一半) 以自动地计算出振动面积 Sd. 下面需输固定质量，是除了音圈线以外的全部振动质量。这等于: 一半 (会动的) 边 + 音盆 + 防尘盖 + 音圈架 + 半个弹波 + 胶 +空气负荷. 我们知道这是8 克. 因为默认值 3 是针对典型的铝合金音圈架，所以我们使用 Kapton 时设定 Qms=7。
因为不知道 Fs，我们点选 "Use calculated Fs用计算的 Fs" 用FINEMotor计算。音盆加边的共振频率 Fo为22.5 Hz。我们看到边的顺性已经被计算为 6.25 mm/N。我们想要用具有变位为1.2mm/N的弹波，但是我们看见这样得出Fs = 51.04 Hz。那太高了；改弹波变位为2.0mm/N得到可接受的Fs为41.61Hz。 最后我们看一下磁铁系统。按" Motor Parts" 选定 " Use estimated leakage "用预估磁漏: 选择70x32x15磁铁，加上27.20内径的华司和现成的T铁。然后我们来看主窗口左上方的曲线图，如下: 这是系统主要曲线，显示出所有能满足前面我们输入的规格条件的各种可能卷宽的音圈。垂直的虚线指示现在卷宽的模拟结果。试着按住左键的鼠标再左右拉动，所有随卷宽变更的喇叭TS参数便同时在下面算出。 对约10mm 的卷宽，我们得到 0.46 的 Qts，这对低音反射箱用途Q值较高和 2.35mm 的 Xmax有效振幅。让我们试一个比较大的磁铁:在 " Magnet Parts Selection磁铁部件选择 " 按向下箭头选磁铁为 84x33x15mm. 按Apply生效。
磁路设计的基本概念 第一章磁路 电机是一种机电能量转换装置，变压器是一种电能传递装置,它们的工作原理都以电磁感应原理为基础，且以电场或磁场作为其耦合场。在通常情况下，由于磁场在空气中的储能密度比电场大很多，所以绝大多数电机均以磁场作为耦合扬。磁场的强弱和分布，不仅关系到电机的性能，而且还将决定电机的体积和重量；所以磁场的分析扣计箅，对于认识电机是十分重要的。由于电机的结构比校复杂，加上铁磁材料的非线性性质，很难用麦克斯韦方程直接解析求解；因此在实际工作中．常把磁场问题简化成磁路问题来处理。从工程观点来说，准确度已经足够。 本章先说明磁路的基本定律，然后介绍常用铁磁材料及其性能，最后说明磁路的计算方法。 1-1 磁路的基本定律 一、磁路的概念 磁通所通过的路径称为磁路。图1—1表示两种常见的磁路，其中图a为变压器的磁路，图b为两极直流电机的磁路。 在电机和变压器里，常把线圈套装在铁心上。当线圈内通有电流时、在线圈周围的空间(包括铁心内、外)就会形成磁场。由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过，并在能量传递或转换过程中起耦合场的作用，这部分磁通称为主磁通。围绕裁流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。主磁通和漏磁通所通过的路径分别构成主磁路和漏磁路，图1—l中示意地表出了这两种磁路。 用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈(或称励磁绕组)，励磁线圈中的电流称为励磁电流(或激磁电流)。若励磁电流为直流，磁路中的磁通是恒定的，不随时间而变化，这种磁路称为直流磁路；直流电机的磁路就属于这一类。若励磁电流为交流(为把交、直流激励区分开，本书中对文流情况以后称为激磁电流)，磁路中的磁通随时间交变变化，这种磁路称为交流磁路；交流铁心线圈、变压器和感应电机的磁路都属于这一类。 二、磁路的基本定律 进行磁路分析和计算时，往往要用到以下几条定律。 安培环路定律沿着任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分值恰好等于该闭合回线所包围的总电流值∑i，(代数和)．这就是安培环路定律(图l—2)。用公式表示，有 (1—1) 式中，若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i取正号，否则取负号。例如在图1—2中，i2的正方向向上，取正号；i1和i3的正方向向下，取负号；故有. 若沿着回线L，磁场强度H的方向总在切线方向、其大小处处相等，且闭合回线所包围的总电流是由通有电流i的N匝线圈所提供，则式(1—1)可简写成 HL=Ni (1—2)
. 无刷直流永磁电动机设计实例 一.主要技术指标 1.额定功率：P N30W 2.额定电压：U N 48，直流 V 3.额定电流：I N1A 3.额定转速：n N10000r/min 4.工作状态：短期运行 5.设计方式：按方波设计 6.外形尺寸：0.0360.065m 二．主要尺寸的确定 1.预取效率0.63、 2.计算功率P i 直流电动机 ' K m P N0.8530 P i40.48W，按陈世坤书。 N 0.63 长期运行 1 2 PN Pi 3 短期运行 1 3 PN Pi 4 3．预取线负荷A s'11000A/m 4．预取气隙磁感应强度B'0.55T 5. 预取计算极弧系数i0.8 6．预取长径比（L/D）λ′=2
Word资料
. 7．计算电枢内径 6.1P i 6.1 40.48 10 2 m D i13 3 1.37 i A s B n N 0.811000 0.55 210000 根据计算电枢内径取电枢内径值D i1 1.4 102 m 8. 气隙长度 0.7 103 m 9. 电枢外径D 1 2.95 102m 10. 极对数p=1 11.计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 102 2.8 102 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8102 m 12. 极距 Di13.14 1.410 2 2 m 2p 2 2.2 10 13. 输入永磁体轴向长L m L 2.8102 m 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 D i1 3.141.410 2 10 2 m t 6 0.733 z 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: b t tB 0.733 102 0.55 0.294 10 2 m ，B t 可由 B t K Fe 1.430.96 设计者经验得 1.43T ，b t 由工艺取0.295102 m 5. 预估轭高: h j1 a i B 2.2 0.8 0.55 0.32310 2 m 2lB j1K Fe 2KFeBj1 2 0.96 1.56
永磁电机 永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高、结构简单，是很好的节能电机，随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展．永磁电机的应用变得更为广泛。
永磁电机的发展历史 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。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励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（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。 随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约2.7 kJ/m3）、钴钢（最大磁能积约7.2 kJ/m3）等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85 kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160 kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。 一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。 永磁电机的特点及应用 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围极为广泛，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。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用场合。 1、稀土永磁发电机
2004 ANSYS 中国用户论文集
永磁电机电磁计算
吴海鹰 武汉船用电力推进装置研究所 430064
[ 摘 要 ] 现代船舶多采用电力推进作为其动力系统,而交流永磁推进是船舶动力系统的一个新的发展 方向.本文采用有限元法,在船舶永磁推进电机电磁场分析计算的基础上,运用场——路结 合方法进行电磁设计计算,可得到电机的内部磁场分布波形,绕组反电势,电机电感和电磁 转矩等重要电磁参数,从而验证电机结构参数的合理性,并且能够计算出推进电机各种运行 工况下的特性.本文利用电机的周期性和齿槽结构的重复性,采用简化计算的方法即只计算 一个槽距范围,对得到的结果数据进行数据扩展,得到电机转子转过一对磁极范围的数据, 可使计算速度提高几十倍.在计算中同时考虑了电枢斜槽,硅钢片叠压系数,硅钢片磁导率 各向异性等因素的影响.用上述计算方法设计计算了兆瓦级船舶交流永磁推进电机,各种参 数计算值与实验结果相比基本相符,能够满足设计的精度要求. [ 关键词 ] 反电势 电感 叠压系数 磁导率各项异性
Electromagnetic Field Calculation of AC PM Propulsive Motor of Ships
Wu haiying CISC 712 ,430064
In recent years the designers adopt the electric-drive as their ships power system. However, the AC permanent magnet(PM) propulsion motor is a new developing trend of the ships power system. On the basis of the electromagnet field analysis and calculation of the PM motor, we use the finite element method and field—current conjugation for EM field design to get the parameters such as magnetic field waveform, winding EMF, self-inductance, mutual-inductance and EM torque, etc. So that we could confirm structure parameter of the motor ,then calculate the perform characteristic of propulsive motor under every operating mode. We use the periodicity of motor and the repeatability of the tooth space structure, adopts a simplified calculation of calculating just one slot pitch, and extending the data, then getting the data that the rotor rotates a pair of magnetic poles, and it makes the speed of calculation improve multi-times. Consider the influence of the armature chute, silicon sheet lamination-stacking parameter, silicon sheet magnetic inductivity anisotropy, etc. at the same time. We have designed the megawatt AC PM propulsion motor of the ships, the calculated result of the parameters is up to the experimental result basically. [ Keyword ] EMF inductance silicon sheet lamination-stacking magnetic inductivity anisotropy [ Abstract ]
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前言
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. 科技飞速发展的今天,大型电机和特种电机的设计技术都有了巨大的进步,电机性能参 数计算的精度要求越来越高, 设计研发的周期越来越短, 传统的分析计算不能很好的满足上 述要求.有限元法作为一种电机电磁场数值解法臻于完善,其应用也越来越广泛.作为一种 近似的数值计算方法, 有限元法的计算精度很大程度上取决于网格剖分的疏密程度. 对于一 台电机若采用三维模型计算,其计算量很大,不利于调试.实践证明如果忽略电机端部的影 响,采用二维的磁场分析也能满足设计的精度要求.利用电机结构的周期性,选用充分,合 理的电机计算区域作为有限元模型,可以对电机模型进一步的简化.