基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例

基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例

4.2.1 问题描述

三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。该电机的模型示意图如图4-1 所示。

图4-1 4 极24 槽永磁电机结构示意图

通过本问题的分析，读者可以学习掌握Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。

Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下：

1创建项目及定义分析类型

2建立几何模型

3定义及分配材料

4定义及加载激励源和边界条件

5求解参数设定

6后处理

4.2.2 创建项目

Step1. 启动Ansoft 并建立新的项目文件

假设用户计算机已经安装了Microsoft 公司的Windows 操作系统和Ansoft 公式的12 版本Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。

图4-2 Maxwell 12 启动初始界面

执行File/New/命令，或者单击工具栏上按钮新建一个项目文件如图4-3 所示。

图4-3 添加新项目界面

Step2. 重命名及保存项目文件

在项目管理窗口中右键单击项目名称选择Rename 命令，输入PMSM-Magstatic 对项目

文件进行重命名，如图4-4，单击工具栏上按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录

4

中就会出现如PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图4-5 所示。

图4-4 项目文件重命名界面Array

图4-5 项目保存目录对话框

Step3. 定义分析类型

采用二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析，求解器选择步骤如下：

执行Project/Insert Maxwell 2D Design 命令，或者单击工具栏上按钮建立maxwell

2D 设计分析类型，如图4-6 所示。

5

图4-6 建立分析类型界面

执行Tools/Options/Maxwell 2D options 命令，进行maxwell 2D 求解器类型选择，在求解器选择下拉菜单中选择Magnetostatic 求解器，坐标平面选择XY 坐标系统，如图4-7 所示。

图4-7 求解器类型选择对话框

4.2.3 构建几何模型

Step1. 确定模型单位

在前面的求解器类型设置中已经设置了该问题分析系统的全局坐标平面为XY 坐标系统，因此，在进行几何模型建立之前的唯一准备工作为确定几何模型的单位系统，执行Modeler/Units 命令，进行几何模型单位选择，如图4-8 所示，列表中有多个单位可供选择，

即

千米：km 米：meters 厘米：cm 毫米：mm 微米：microns

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纳米：nm 码：yard 英尺：feet 英寸：inches 英里：mils

列表中的单位默认为 mm ，当选择新的单位时，鼠标左键单击要选择的单位并执行 /Rescale to new units/命令，将模型窗口的单位转为所要选择的单位。

图 4-8 几何模型单位设置界面

Step2. 绘制电机定子槽几何模型

Ansoft 模型建立一般采用自下而上的方式，以点—线—面逐步进行模型生成，Maxwell 提供了必要的几何模型生成工具，如线与面生成命令等，另外在模型每步建立过程中，在加以必要的操作，进而生成复杂模型。

1 执行 Draw/Line 命令或者单击工具栏上

按钮，鼠标光标变为黑点，进行直线绘

制，如图 4-9。 图 4-9 直线绘制操作

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2 在屏幕下方的坐标对话框中分别输入线段的起末点的位置坐标，并选择绝对增量方式，依次输入

第一点（1.25, 37.5）

第二点（1.25, 38.0）

第三点（2.4, 38.5）

第四点（3.4, 46.5）

最后一个点输入完成后，双击两次 Enter 键以结束直线段绘制，在坐标位置点输入时， 应确保鼠标在模型绘制窗口不进行任何操作，或者保证鼠标指针不位于模型绘制窗口，以免产生误操作，其界面如图 4-10 所示。

图 4-10 直线绘制坐标输入

生成电机半槽直线部分模型如图 4-11。

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图4-11 电机半槽直线段模型

另外，对于线段起末坐标点位置可通过模型控制窗口进行操作，选择要编辑的线段名称，单击该线段，在特性窗口中将出现此线段的特性对话框，在此对话框内可对该线段进行修改操作，如图4-12。

图4-12 模型特性对话框

3选择已建立的线段，执行命令镜向操作Edit/Duplicate/Mirror，在X 轴上(在此强调版本12，区别与以前版本，以往版本对称应选择在Y 轴上)选择任意两点以完成另半槽直

线部分模型建立，如图4-13。

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图 4-13 模型复制操作对话框

4 执行命令弧线绘制命令 Draw/Arc/Center Point 或者单击工具栏上 按钮，以下坐 标位置点完成定子槽底弧线部分模型建立，具体操作及定字槽模型如图 4-14。

中心 (0, 46.5)

左侧 (-3.4, 46.5)

右侧 (3.4, 46.5)

图 4-14 槽底弧线及定子槽模型图 5 执行命令Edit/Duplicate/Around Axis ，出现沿轴复制属性对话框，在 Axis 选择沿 Z 轴复制，相隔 15 度，进行 24 次复制，如图 4-15 所示。

图 4-15 定子槽复制对话框

执行弧线绘制命令 Draw/Arc/Center Po int ，中心原点选择为（0,0），将各个定子槽之间用圆弧连接， 将鼠标置于模型窗口， 键盘操作 Ctrl+A 选择所有物体并执行命令Modeler/Boolean/Unite ，将所有线段连接，其操作及模型如图 4-16 所示。

Step3. 绘制电机绕组几何模型

1 执行 Draw/Line 命令，分别输入点坐标（2, 39）、（3, 46.5）以及（-2, 39）、（-3, 46.5）绘制两条直线，然后执行命令 Draw/Arc/Center Po int ，中心原点选择为（0,0），以两侧点做

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标（3, 46.5）、（-3, 46.5）绘制弧线，并将所有线段闭合连接，执行 Mo deler/Boolea n/U nite 操作，合成一体。

图 4-16 布尔连接操作生成电机定子槽

2 执行命令Edit/Duplicate/Around Axis ，选择沿 Z 轴复制，相隔 15 度，进行 24 次复制，生成所有槽绕组，槽绕组如图 4-17 所示。

图 4-17 定子槽绕组模型

Step4. 创建电机定子冲片模型

1

由于Ansoft 软件最后是对面进行操作，因此需要将建立的定子槽与绕组创建为面域， 此过程通过执行命令 Modeler/Surface/Cover lines 来完成，如图 4-18。此时生成的电机定子槽与绕组面相互重叠，执行布尔操作命令 Modeler/Boolean/Substract 将两者分开，其操作对

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话框如图 4-19 所示，在 Blank Parts 中选择定子槽，代表减操作，在 Tool Parts 中将 24 个绕组选择，代表被减操作，

其选择可通

和来实现。注意在此处操作时一定要将[Clone tool objects before substracting]选择框选上，以保留布尔操作后电机绕组模型。

图 4-18 面域生成操作

图 4-19 减布尔操作对话框

2 执行 Draw/Circle 命令或者单击工具栏上 按钮，绘制圆，在模型窗口中选择绝对增量 Absolute,圆中心坐标（0，0），X 与 Y 偏移坐标分别为（0，60），由于分析的永磁电机外径为 120mm 。

3

选择新生成的圆，执行 Modeler/Surface/Cover lines 命令以生成面域，连续两次执行布尔操作命令 Mo deler/Boolean/Su bstr act ，第一次在 Blank Part s 中选择 Circle1，在 Tool Parts 中选择所有定子绕组面域，单击 ok 按纽, 第二次在 Blank Part s 中选择 Circle1，在 Tool P art s 中选择 Polyline1 定子槽面域，单击 ok 按纽完成电机定子冲片模型,注意两次操作一定将

[Clone tool objects before substracting]选择框选上，且操作顺序依次进行，如果顺序错误， 则通过第一次操作所生成的面域不再连续，因此无法继续完成下面操作。具体生成的电机冲片如图 4-20

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图4-20 电机定子冲片模型

4由于Asoft 软件默认显示为15 度，因此所建立模型的弧线部分并不光滑，因此，执行命令View/Visualization Settings，出现显示设置对话框，将Maximum Normal Deviation 设置为1 度，然后点击Apply 按纽，如图4-21 所示。

图4-21 显示设置对话框

Step5. 创建永磁体模型

1为更清晰的表示永磁体的建立过程，将电机定子槽部分的面域显示设置为隐藏，具体操作为选择该面域，将屏幕左侧中部的属性对话框中的Display 选项进行选择，如图4-22 所示。

2执行Draw/Line 命令绘制永磁体直线段模型，分别输入第一条线始末点坐标（-21.91，

29.81）和（-18.36,24.98），第二条线始末点坐标（21.91，29.81）和（18.36,24.98）。执行

命令Draw/Arc/Center Poi nt，中心原点选择为（0,0），以两条直线段的相应始末点为两侧点

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绘制弧线，完成第一片磁极模型建立。

图4-22 面域属性设置对话框

2 选择建立的永磁体所有线段，执行命令Modeler/Boolean/Unite，将所有线段连接，再执行命令Modeler/Surface/Cover lines 生成永磁体面域。接下来生成其余三片永磁体模型，选择刚生成的永磁体面域，执行命令Edit/D uplicate/Around A x is，选择沿Z 轴复制，相隔90 度，进行4 次复制，生成永磁体模型如图4-2

3 所示。

图4-23 永磁体模型

Step6. 创建转子轭模型

以永磁体内圆的八个点A、B、C、D、E、F、G、H，为始末点，原点(0,0)为中心执行命令Draw/Arc/Center Point，绘制出电机转子轭外圆线段，选择所绘制的八段弧线执行Modeler/Boolean/Unite 操作，合成一体，再执行Modeler/Surface/Cover lines 生成转子轭面域。

由于此时，永磁体及转子轭面域与定子槽的面域相互重叠，因此执行命令Modeler/Boolean/Substract，在Blank Parts 中选择定子槽面域，在Tool Parts 中选择永磁

体及转子轭面域，单击ok 按纽，完成各个面域之间的分离。

Step7. 创建转轴模型

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行Draw/Circle 命令或者单击工具栏上按钮，绘制圆，在模型窗口中选择绝对增量Abso lute,圆中心坐标（0，0），X与Y偏移坐标分别为（0，13），分析的永磁电机转轴外径为26mm。

选择生成的圆线段，执行Modeler/Surface/Cover lines 生成转轴面域，再执行命令Modeler/Boolean/Substract，在Blank Parts 中选择转子轭面域，在Tool Parts 中选择转轴面域，此时[Clone tool objects before substracting]选择框不选，单击ok 按纽。

Step8. 模型显示属性设置

至此整个永磁同步电动机的几何模型已经建立完毕，由于在模型建立期间，各部分面域的名称及显示均采用的系统默认值，因此，模型直观性较差，因此需要用户对各个部分重新进行属性设置，其主要包括面域名称及显示颜色两部分。

具体操作，鼠标左键选择需要设置的面域，游键单击，选择Properties 选项，则自动弹出属性设置对话框，在此对话框中，对Name 与Color 两个单元进行操作，以定子铁心为例，如图4-24 所示。

图4-24 电机各部件属性设置对话框

通过属性设置对话框进行设置后，建立的电机几何模型及各部分名称如图4-25 所示。

图4-25 电机几何模型图

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4.2.4 材料定义及分配

材料属性的指定是通过材料管理器来实现的，Ansoft 12 版本的材料管理器由工具拦右侧的下拉菜单进入，如图4-26 所示。

图4-26 材料管理器执行界面

在建立几何模型时，所有部件的材料属性都默认为真空vacuum,当选择下拉菜单中Select 选项，将弹出材料管理器对话框，其主界面如图4-27 所示。

图4-27 材料管理器对话框

对于永磁同步电动机静磁场分析，需要指定以下材料属性：

1指定气隙Air-gap 材料属性——空气（亦可采用默认材料属性真空）；

2指定绕组coil 材料属性——铜

3定义定子铁心Stator 及转子轭yoke 材料属性DW465-50,一种电机常用非线性铁磁材料；

4定义永磁体材料，命名为P_Mag，指定给永磁磁极；

Step1. 指定Air-gap 材料属性

材料管理器中，列举了电磁分析所常用的材料的基本属性，各个材料均位于材料库中，

当项目需要库中某种材料时，鼠标选择改材料，左键双击，此材料会自动的进入项目管理器菜

单中，如图4-28，在项目管理器的下部，我们可以对材料进行编辑、添加、复制、删除以及

导出等操作，这就大大方便了用户对材料类型的选择与定义。

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图4-28 项目材料添加界面

当需要的材料被添加到项目管理目录中后，选择模型管理目录中的Air_gap 面域，在屏幕左侧出现的属性设置对话框中的Material 设置为air，以完成A ir_gap 材料的指定操作。Step2. 指定coil 材料属性

定子绕组的材料属性的指定与气隙材料的指定方法相同，这里不在赘述。

Step3. 指定Stator 和yoke 材料属性

电机定子Stator 与转子轭yoke 是由DW465-50 硅钢片制成，材料库中没有该材料，因此需要用户自己定义，新的材料是非线性的，也就是说，材料的相对磁导率并不是常数，因此需要根据BH 曲线加以定义。

下面介绍如何加入新的非线性铁磁材料。

1鼠标单击材料管理器下方的Add material 按钮，出现新材料编辑对话框，如图4-29；Array

图4-29 材料编辑对话框

2material name 对话框中命名为DW465-50；

3在相对磁导率的类型对话框中选择非线行nonlinea，Value 项显示为BH Curve；

4选择BH Curve 进入BH 曲线编辑器，在左侧B 和H 对话框中依次输入DW465-50 硅钢片相应的磁通密度与磁场强度值，此处默认为10 列，通过选择Add row below 按钮添加列数，BH 点输入完成后编辑器右方窗口显示输入的BH 曲线图形，单击

ok 按钮，如图4-30 所示；

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横向磁场永磁电机的发展和研究现状

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调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

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。

永磁同步电机性能要求与技术现状分析

在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何

永磁同步电机失磁故障的对策分析

永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特

永磁同步电机的应用

永磁同步电机的应用 一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机经常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送进电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对四周的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，题目就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、本钱低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过往的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，均匀转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速题目，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过往的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶然也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用珍贵的金属钴，本钱高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，轻易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的精益求精进步，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足尽大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是： 用永磁体替换电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省往了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机尽大多数已采用永磁式结构。 2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET）的三代复合场控器件（尽缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断

永磁同步电机文献综述

永磁同步电机失磁故障诊断综述 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特

利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法讲诉

文献翻译 题目利用电磁特性分析对永磁同步电机 进行故障诊断的新方法 学生姓名黄建波 专业班级电气工程及其自动化10级1班学号541001020215 院（系）电气信息工程学院 指导教师张志艳 完成时间 2014年 05月23日

利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法姚达，IEEE学生会员，石晓东，IEEE会员，马赫施·奎纳姆瑟，IEEE会员 摘要 本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案，这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此，本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外，可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向，这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术，但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用，离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术，军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论，对提出的方案进行实验，验证其有效性。 关键词：故障检测，有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。 1.简介 过去十年，永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比，在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中，一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用，甚至灾难性的系统故障。因此，这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法，可以为预防性维护提供依据，延长使用寿命，减少机器故障。 离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试，经济上也不允许，研究人员已经提出了许多在线检测的方法，这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱，通常被称为电动机电流特征分析（MCSA）[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息，短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而，一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致，改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾，罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平

基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例

基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例 4.2.1 问题描述 三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。该电机的模型示意图如图4-1 所示。 图4-1 4 极24 槽永磁电机结构示意图 通过本问题的分析，读者可以学习掌握Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。 Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下： 1创建项目及定义分析类型 2建立几何模型 3定义及分配材料 4定义及加载激励源和边界条件 5求解参数设定 6后处理 4.2.2 创建项目 Step1. 启动Ansoft 并建立新的项目文件 假设用户计算机已经安装了Microsoft 公司的Windows 操作系统和Ansoft 公式的12 版本Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。

图4-2 Maxwell 12 启动初始界面 执行File/New/命令，或者单击工具栏上按钮新建一个项目文件如图4-3 所示。 图4-3 添加新项目界面 Step2. 重命名及保存项目文件 在项目管理窗口中右键单击项目名称选择Rename 命令，输入PMSM-Magstatic 对项目 文件进行重命名，如图4-4，单击工具栏上按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录 4

11KW调速永磁同步电动机电磁设计程序文件

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

永磁同步电机产品描述

永磁同步电动机节能认证 产品描述 申请编号： 申请人： 制造商： 生产厂： 产品名称： 申请单位(印章)

本企业在此郑重声明：本次申请中，我单位向指定检测机构提供的型号/规 格为 的 (产品名称)是由 (生产厂名称)于 (生产厂地址)完成最终装配和出厂检验。 本企业对提供的以上情况的真实性负责，否则由此引起任何后果由本企 业承担全部责任。 申证企业负责人(签名): 日期: (企业盖章)

企业名称: 申证产品名称、型号: （或见型号规格型谱表） 本企业在此郑重声明:上述申证产品所使用的名称、型号和商标保证严格遵守国家有关法律法规和政府部门的有关规定。如有乱用、冒用其他企业产品的名称、型号和商标导致侵权行为，本企业将对其后果承担全部法律责任。 本企业对提供的所有与认证有关的资料的真实性、有效性和正确性负责。如果本企业获证的产品有变更，将及时提出产品变更申请，否则由此引起任何后果由本企业承担全部责任。 . 申证企业负责人(签名): 日期 (企业盖章)

永磁同步电动机节能认证产品描述 1.1电动机类型： 异步起动三相永磁同步电动机电梯用永磁同步电动机变频驱动永磁同步电动机其他 产品名称： 商标： 1.2申请人名称和地址（注册地址）： 1.3制造商名称和地址（注册地址）： 1.4生产厂名称和地址（实际地址）： 2. 关键零部件/原材料清单 名称制造商牌号磁感(T)/铁损(W/kg) 硅钢 片 名称制造商型号/规格电阻率（Ω?m） 漆包 线 名称制造商牌号最大磁能绩（kJ/m3） 磁性 材料 注：如果上述材料属多个制造商，均应按上述要求逐一填写 送检样品原材料单台用量： 样机型号硅钢片用量（kg）漆包线用量（kg）磁性材料用量（kg）样品1 样品2 样品3 样品4 ……

永磁同步电机故障诊断分析英文材料

3676IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.46,NO.9,SEPTEMBER 2010 Stator Slotting Effect on the Magnetic Field Distribution of Salient Pole Synchronous Permanent-Magnet Machines Gurakuq Dajaku 1and Dieter Gerling 2 FEAAM GmbH,D-85577Neubiberg,Germany Institute for Electrical Drives,University of Federal Defense Munich,D-85577Neubiberg,Germany This paper deals with a new analytical method for determining the air-gap ?ux density of salient pole synchronous permanent-magnet (PM)machines including the stator slotting effect.The approach to analyze the air-gap ?ux density based on the new model is to deter-mine the air-gap magnetomotive force (MMF)and the ?ux-path permeance function.We determine the ?ux-path permeance function,which includes the stator slotting effect,by using a simple magnetic reluctance network that takes into account the geometry of the machine and the material https://www.sodocs.net/doc/cb17799502.html,ing the new model with stator slotting,we calculate the air-gap ?ux density distribution of different electric machines using ?nite-element methods to prove the accuracy of the new model. Index Terms—Air-gap ?ux density,analytical solution,?nite-element method (FEM),?ux-path permeance,permanent-magnet (PM)machine,stator slotting effect. I.I NTRODUCTION P ERMANENT-MAGNET synchronous machines (PMSMs)gain more and more importance for spe-cial drive applications.Up to recent years,PMSMs were known for small drives,e.g.,for servo applications.In the last years,PMSMs have been increasingly applied in several areas such as traction,automobiles,etc.This type of electrical machines offer many advantages,including a high power-to-weight ratio,constant power over a wide speed range,and high ef?ciency.Magnetic ?eld analysis in PM machines is an important pre-requisite for the prediction of machine parameters,electromag-netic torque,radial forces,and so on.In particular,accurate knowledge of the ?ux density distribution in the air-gap is es-sential for the accurate prediction of the motor performances.Magnet con?guration,magnetization direction,air-gap length,and the number of the pole and slot combination have signi?cant effects on the ?ux density distribution in the air-gap.Further,the presence of stator or rotor slots have a large in?uence on the air-gap magnetic ?eld distribution and therefore on the electro-magnetic torque.The consequences can be cogging torque and torque ripples causing vibration,noise,and speed ?uctuation.Therefore,the detailed knowledge of the ?eld distributions in the air-gap is of main importance for predicting and optimizing the performance of PM machines. Of course as well known,slotting in?uences the magnetic ?eld in two ways.First,it reduces the total ?ux per pole,an effect which is usually accounted by introducing the Carter co- ef?cient into the calculation.Second,it affects the distribu-tion of the ?ux density in the air-gap of the electric machines.Therefore,the slotting effect is important to be taken into ac-count during determination of the air-gap ?ux density. Manuscript received February 26,2010;revised April 09,2010;accepted April 15,2010.Date of publication May 03,2010;date of current version Au-gust 20,2010.Corresponding author:G.Dajaku (e-mail:Gurakuq.Dajaku@unibw.de). Color versions of one or more of the ?gures in this paper are available online at https://www.sodocs.net/doc/cb17799502.html,. Digital Object Identi?er 10.1109/TMAG.2010.2049269 The air-gap magnetic ?eld with slotting effects can be eval-uated by a variety of techniques including analytical or semi-analytical methods as well as numerical techniques like ?nite elements or boundary integral methods.Finite elements give accurate results considering geometric details and nonlinearity of magnetic materials.However,this method is computer time consuming and poorly ?exible for the ?rst step of design stage of electrical machines.Analytical methods are useful tools for ?rst evaluation of electrical motors performances and for de-sign optimization since continuous derivatives issued from the analytical solution are of great importance in most optimization methods.A signi?cant number of publications on the analytical solution of the air-gap magnetic ?eld in slotted machines can be found in the literature,e.g.,[1]–[17]. Two analytical methods are mainly developed for modeling the stator slotting effect.The ?rst one concerns the use of con-formal mapping to consider slotting effects [1]–[7],and the ac-tual air-gap ?ux density is calculated by multiplying the rela-tive permeance function with the radial ?ux density of a slotless motor.This method has an important drawback since it is as-sumed that the slot width is much smaller than its height.Fur-thermore,even though this method gives information about the air-gap ?ux density ?uctuation due to stator slotting,it doesn’t take correctly into consideration the slotting effect.The reason is that the magnetic ?eld and the slotting effect are determined separately and for different conditions.The second method con-sists of analytical solution of Laplace or Poisson equations in the different sub-domains (magnet,air-gap and slots)by ap-plying the boundary conditions on the interface between sub-do-mains [8]–[13].However,these models are not able to pro-vide an accurate evaluation of air-gap ?ux density if the both stator and rotor slotting have to be considered.Also as will be shown later,the rotor saliency effect on the stator slotting isn’t considered in these works.On the other hand,different from [1]–[13],in [14]–[17]another modeling way for the stator slot-ting is used;the slotting effect is taken into consideration during derivation of the total permeance function for the magnetic ?ux path.However,even this modeling procedure describes accu-rately the air-gap permeance taking into account the stator and 0018-9464/$26.00?2010IEEE