基于Ansoft的磁通反向永磁电机设计

论文总字数：15668字

目 录

摘要 1

1.绪论 1

1.1 引言 1

1.2 磁通反向电机研究目的及意义 1

1.3 FRM研究现状及发展趋势 2

2. FRM的基本结构和工作原理 2

2.1电机基本结构 2

2.2磁通反向原理 3

3.FRM的有限元分析 4

4.FRM的设计步骤 6

4.1新项目创建及电机基本参数设置 6

4.2创建定子轭/永磁体几何模型 7

4.3绘制电机绕组的几何模型 10

4.4面域生成 11

4.5创建转子轭模型 11

4.6In、Out、Band面域创建 12

4.7材料的定义及分配 13

4.8激励源和边界条件的定义及加载 15

4.9求解选项参数设定 16

5.FRM的仿真及波形分析 18

6.总结与展望 23

参考文献 23

致谢 25

基于Ansoft的磁通反向永磁电机设计

卢一

Abstract: Flux reversal permanent magnet motor is a doubly salient permanent magnet motor whose permanent magnets and windings are placed in the stator. The motor has the advantages of simple structure, high power density, low inductance and low inertia, which is suitable for the occasions of high speed rotating. The basic structure and flux reversal principle of FRM is introduced in this paper.Based on Ansoft, the finite element model of the design process of flux reversal motor is carried out, then the model of the motor is decomposed, and the transient solution is completed,as well, the whole design of the motor is completed.

Key words: Flux reversal permanent magnet motor; flux linkage; Ansoft; motor design; finite element analysis

1. 绪论

1.1 引言

我国建国初期，就提出要逐步实现社会主义工业化。如今国民生活水平提高，经济持续快速增长，工业化的进程正在不断加快加深。作为工业运转的核心、动力基础—电机，在工业生产中越来越展现出其不可或缺的作用。

目前，在纺织业、印刷业、造船业、采矿业、运输业等许多领域中，处处都有电机的身影，对电机的大量需求促使了电机行业的发展。国内劳动力成本在过去几年中大幅上涨，企业为了削减制造成本，正在逐步改进产业结构，提高制造的自动化度。不仅如此，对电机的性能要求也越来越高，精密化、智能化、个性化的电机日益受到青睐。

在海外市场，一些著名生产厂商，如西门子、通用电气等凭借过硬的技术实力和良好的声誉占领了大部分市场，而中国出口电机量仅占总产量的10%左右。但是，随着国产电机品牌的技术不断提高，低廉的价格和高性价比优势使得国内订单增多，中国品牌正在逐渐收获更多市场份额。其次，发达国家正在调整产业结构，逐年削减机电行业市场份额，他们开始倾向于从国外进口电机本体，这也将给国内电机制造业带来巨大的发展前景。中国有望成为世界电机的最大制造国。电机制造行业具有广阔的发展前景，因此如何设计出性能优异的电机是企业重点关注的问题，也是对科研工作者们的一种考验^[1-3]。

1.2 磁通反向永磁电机研究目的及意义

近些年随着生产力大幅提高，传统工业发展迅猛，电力产业逐渐成为了社会可持续发展的支柱产业。而作为基础动力源的电机也得到了广泛的应用与发展。因此电机的效率、损耗、节能都成为了焦点问题。作为一个发展中国家。我国在能源利用效率方面和欧美发达国家有着显著的差距。传统调速驱动系统中，有刷直流电机凭借优高效的调速性能，一直是这个领域里的主流电机。但是，有刷电机中机械式电刷以及换向器的存在使得机械损耗较大、可靠性低、维护成本大等缺点，使其发展受到限制。因此，调速范围宽、无机械损耗、可控性能好的无刷电机逐渐取代有刷电机成为了主流。

随着新型永磁材料的出现，特别是我国储量丰富的稀土材料的广泛使用，众多国内外学者把新型结构永磁电机作为研究的重点，近些年来在工业生产中永磁电机逐步取代有刷电机和励磁电机，成为了工业生产控制系统的主要电机。永磁电机大致分为两类：转子式和定子式，二者的区别在于永磁体的安放位置，永磁体放置于定子中的是定子式永磁电机，而转子式永磁电机的永磁材料则位于转子里^[4-5]。

长期以来，国内外学者的研究热点主要集中在转子式永磁电机中。不同于电励磁电机，它利用永磁体来建立气隙磁场。这种设计使得铜耗大大减少，而且结构简单，维护方便，输出转矩大，使得电机的运行效率得到相应地提高。目前转子式永磁电机结构主要有四种：表面贴装式、插入式、径向内嵌式、切向内嵌式。该种电机绕组缠绕形式分为集中式绕组和分布式绕组，其中集中式电枢绕组多适用于无刷直流电机，而永磁同步电机则多采用分布式绕组。永磁体置于转子位置的电机往往出于安全考虑需要在转子铁心上安装保护措施从而造成结构复杂，制作成本高昂。同时，永磁体因为温升发生不可逆退磁，从而制约了电机性能的提高。本课题的研究重点就是一种定子式永磁电机，即磁通反向永磁电机。此类电机转子结构简单、输出转矩大、容错率高、电气时间常数小、功率密度高、自/互感较低，具有双极性的电枢绕组磁链，同时因为聚磁效应，气隙磁场较大，适合于高速旋转的应用场合，具有广阔的市场前景。基于上述特点，本文选择该种电机作为研究对象，对FRM电机的基本结构和静态特性进行深入的研究。 

1.3 FRM研究现状及发展趋势

上世纪中叶，劳赫团队提出了定子式永磁发电机的设想，利用电机的转子齿与定子齿对齐的四个位置时，电枢绕组匝链磁通方向的变化从而在绕组端口感应出交变的感应电动势，这就是最初的磁通反向电机基本工作原理。不过受限于当时条件，实际生产出的电机并不能够达到工业生产要求，在当时未能获得关注。这些年以钕铁硼为代表的稀土材料得到广泛应用，随着电子信息行业的快速发展，磁通反向双凸极永磁电机逐渐得到推广。在工业生产之中，为了降低电机的运行成本，美国和法国的相关学者对单相FRM电机进行了深入的研究。美国学者提出了两种改进电机模型：1.在每个定子极下贴上四块永磁体。2.把多块永磁体嵌入定子齿上凿开的槽当中。最近十几年里国内诸多高校在学术领域对磁通反向电机研究掀起了一阵浪潮。比如山东大学的朱晗对FRM电机进行了一系列的设计和实验研究，取得了非凡的成果^[6-7]；山东大学的杨玉波提出了一些改进方案以提高FRM电机的性能。

本课题研究的电机结构为三相6/8极磁通反向电机。该电机为双凸极结构，绕组连接方式采用集中式，用来产生气隙磁场的永磁体表贴在定子齿上，运行条件良好。电机永磁体、绕组线圈位于定子部分，功率密度高，输出转矩大。此类电机电枢反应磁场和永磁磁场是并联关系，有较强的抗退磁能力。此外，FRM电机电枢绕组具有互补性和一致性的特点，可以削弱永磁磁链和反电动势波形的高次谐波分量，获得较为正弦的波形。除了磁通反向电机之外，定子式永磁电机还有磁通切换电机，这里不再作详细阐述^[8-10]。

本文针对FRM的结构特点，对其运行方式和性能进行理论分析，在此基础上，用电磁场有限元方法对电机进行电磁场分析计算。所做的主要工作如下：

1. 对FRM的基本结构、工作原理及运行方式进行研究，并完成其建模过程。
2. 在分析不同气隙大小及不同转子极宽对电机齿槽转矩影响的基础上，寻找FRM齿槽转矩随转子极弧宽度变化的规律，对电机模型的各部分参数进行优化，完成磁通反向永磁电机的整体设计。

2.FRM的基本结构和工作原理

2.1 电机基本结构

磁通反向永磁电机（FRM）的基本结构是：定子和转子均是双凸极齿槽结构，定/转子铁心材料是硅钢片，永磁体和绕组线圈均放置于定子铁心上。

FRM既可以是单相结构，亦可以是多相结构。常见的FRM结构如表1所示。工业生产中常用的是6/8极三相FRM电机。在6/8极三相FRM电机中，定转子的形状是沿着圆周的，他们均匀分布，定子之间的极距为60°，而齿部宽度在45°左右；转子齿有8个，转子齿之间等间距，所以极距为45°，转子齿通常在22.5°左右。同一定子齿上永磁体极性相反^[11]。

为了减小单相电感以及其随转子位置的变化，可通过增加转子极数及间接增加能量路径两种方法来达到，这样同时还可以减小电磁转矩。但是，如果极数过多，多相绕组同时通电，则会引起相间电感增大。所以使用的电机为3相结构,如图1所示。FRM的定转子极对数和电机相数分别为N_S、N_r和m^[12]，它们满足以下关系：

（1）

表1 FRM的不同配置

图1 6/8三相FRM电机的横截面图

2.2 磁通反向原理

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