论文总字数：14043字

摘 要

能源的紧张使用问题是影响我国的国民经济发展的一个紧要问题，也是目前全球共同关心的课题。伴随着我国经济水平的高速增长和发展节能型社会的要求，对电机以及电机驱动系统的极数数据要求将越来越高。高性能的电机以及其驱动技术将会迅速的发展。因此高效节能的电机开发，并将其应用、推广、普及是眼下的当务之急。

本文研究的是额定功率为2KW的高惯量永磁伺服电机。首先通过电机电磁结构及稳态运行性能进行计算分析，以此完成电机的基本设计；进而通过设计要求分别对电机的转子结构、定子绕组、电磁负荷等进行理论计算，由此设计电机的电磁设计方案；最后运用电磁分析软件Ansoft Maxwell建立高惯量永磁伺服电机的电磁模型，然后对电磁参数、转矩、损耗、输出功率、效率等进行详尽的有限元仿真运算。最后对样机进行分析，以此优化电机结构及电磁性能，最终得出合理的电机设计方案。

关键词：永磁电机；2KW；高惯量；伺服系统；电磁设计；电磁模拟；

Electromagnetic design of a 2KW low inertia PMSM

Abstract

Energy shortage is an important issue affecting China"s national economic development, and it is also a topic of common concern around the world. With the rapid economic growth and the development of energy-saving society in China, the requirement for the pole number of motor and motor drive system will be higher and higher. High performance motor and its driving technology will be developed rapidly. Therefore, it is urgent to develop efficient and energy-saving motors and apply them, popularize and popularize them.

This paper studies the low inertia permanent magnet servo motor with rated power of 2KW. Firstly, the basic design of the motor is completed by calculating and analyzing the electromagnetic structure and steady-state performance of the motor. Furthermore, the design requirements of the rotor structure, stator winding and electromagnetic load of the motor are calculated, and the electromagnetic design scheme of the motor is designed. Finally using the electromagnetic analysis software Ansoft, low inertia Maxwell electromagnetic model of permanent magnet servo motor, and then the electromagnetic parameters, torque, loss, output power, efficiency and so on carries on the detailed finite element simulation computation. Finally, the prototype is analyzed to optimize the structure and electromagnetic performance of the motor, and finally a reasonable design scheme is obtained.

Keyword： permanent magnet motor;High inertia; 2 KW; Servo system; Electromagnetic design；Electromagnetic simulation

1. 绪论

1.1选题背景

近年来，由于国民经济持续性的快速发展及人民生活水平的提高，电机的性能方面的要求也在不断增强。伺服系统控制器的性能在数字控制系统成熟的理论支撑以及性价比日益提高的电子器件潮流之下，也在不断提高。其中最为关键的一环便是——如何提高伺服电机的性能：伺服电机是伺服系统的核心，是伺服系统发展体系中最为重要的一环。

基于以上原因，研究高惯量永磁伺服电机的新型设计方法十分必要。本课题将对高惯量永磁伺服电机的技术要求、结构形式、绕组特点等进行分析，得到相对合理的电机设计方案并借助有限元电磁场仿真软件对水泵电机进行电磁仿真计算与研究。

1.2高惯量永磁伺服电机发展概况

世界上所设计出的最早的电机原型是永磁同步电机，但是当时永磁材料性能不足以优化，使得电磁电机占领了主流。近年来，随着高性能的永磁材料的发展，永磁电机又开始重新得到重视。与此同时，永磁电机理论的发展促进了生产力的提高，电力电子技术加快了永磁电机产业化步伐。

永磁伺服电机的前景是十分光明，首先，随着永磁电机行业生产的产品结构调整和技术能力水平的不断创新，我国的永磁电机企业将会更多的出现高水平、高技术附加值的产品，使得其可以更好的服务于国民生产生活的各个环节，并在中、低档产品方面与外商独资企业展开竞争。

1.3高惯量永磁伺服电机基本流程

如图1.1，1.2所示，是一台控制系统为伺服系统的永磁同步电动机（PMSM）基本结构：由控制器、逆变器和机电伺服机构等结构组成。控制器主要负责伺服控制系统的位置控制器。速度控制器和电流控制器的软件硬件实现。逆变器主要实现对控制器发出的控制信号进行功率放大以驱动电动机运转，同时实现电动机电流检测。机电伺服机构由永磁同步电动机及其传动机构转子位置传感器和伺服机构位置传感器组成。对于一些伺服机构传动后的位置特性要求较高的系统，尤其是直线式位置伺服机构，常在系统的输出端加装置传感器，以克服传动机构的间隙和摩擦等非线性带来的不利影响。

1.4本课题的主要研究内容

研究此课题之前我们需要了解到为什么要使用永磁电机，与其它电机相比具有哪些优点：

永磁同步伺服电机特点

（1）功率因数较高、效率较高；

（2）结构相对简单、运行较为可靠；

（3）体积偏小、重量偏轻、损耗小。

和其他种类的电机相比

（1）与直流电机性能相比，没有直流电机的换向器和电刷等缺点；

（2）与异步电机性能相比，它不需要无功励磁电流，所以效率高，功率因数略高，力矩惯量比大，定子电流与定子电阻损耗逐渐减小，且转子参数可测、控制性能好；

（3）与普通同步电机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率，使其可达到传统电励磁电机所无法达到的高性能状态；

（4）与开关磁阻电机（SR）相比，它消除了低速转矩脉动大的问题，实现了低速稳定运行，因此适合快速、高精度的控制场合。

（5）和无刷直流永磁同步电机（BLDCM）相比，它在高精度伺服驱动中更有竞争力。

以上的特点都是我们在设计电机中需要保持并且不断完善的，如此便需要我们更加缜密和精确的计算来确定电机的数据去满足电机的进步。

设计上我们需要了解国内外伺服电机的发展趋势，结合永磁电机的设计特点，并将我们本科阶段所学的奇点理论，电磁设计知识以及有限元模拟仿真运算作为基础去尽我们所能的分析高惯量永磁伺服电机的结构并完善设计方案，我将本文分为四个章节对高惯量永磁伺服电机进行分析和设计。

第一章 绪论：能源紧张问题是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是目前全球共同关心的话题。伴随着我国经济高速增长和建设节能型社会的发展，对电机以及电机驱动系统的极数要求将越来越高。高性能电机及其驱动技术将会得到迅速发展。因此开发出高效节能的电机，并将其应用、推广、普及已经成为当务之急。

第二章 高惯量永磁伺服电机的基本理论：根据高惯量永磁伺服电机的基本理论，对电机的基本结构计入深入分析，婆媳总体结构以及转子磁路结构，对其稳态的运行性能进行研究。

第三章 高惯量永磁伺服电机的电磁设计：以高惯量永磁伺服电机的基本结构，例如转子结构，定子绕组，电磁负载等方面入手，先叙述高惯量永磁伺服电机的设计特点以及思路，再对电机的工作特性进行计算，分析损耗以及提高效率等一些问题，并计算电磁转矩。

第四章 有限元分析：利用我们所学有限元分析知识，对电机进行仿真模拟计算具体为：在有限元中建模，按照流程进行分析。对输入点及模型的数据的空载以及额定工作状态进行模拟计算，运算结构校验并优化，最终得出一个最优的电机设计参数。

本文将对2KW高惯量永磁伺服电机的技术要求，结构形式，绕组特点等主要分析，得到相对合理的电机设计方案并借助有限元电磁场仿真软件对其进行电磁仿真计算。

1. 高惯量永磁伺服电机的基本理论

2.1高惯量永磁伺服电机的基本结构

2.1.1 高惯量永磁伺服电机的总体结构

如图2.1是一台永磁伺服电机的剖面图，其主要由定转子组成，而高惯量永磁伺服电机定子又是由钢、绕组、端盖以及固定铁心用的机壳等部分组成，定子在电机运行的时候是恒定的，定子的结构与寻常的异步电机的定子结构基本相同。电机转子通常由磁极铁芯、励磁绕组以及磁轭等部分组成，它是电机运行时旋转的机构

2.1.2高惯量永磁伺服电机转子磁路结构

永磁伺服电机在结构上分为内外转子两种。外转子永磁伺服电机的定子在内，转子在外，定子上安装绕组，转子内侧安装有磁极。其转动惯量比寻常的电机要大，其目的是增加电机在装备不稳定的负载情况下，保证足量输出效率和功率。外转子的结构比较大，使其有更多的空间放置永磁体，并可以产生更大的离心力，电机永磁体会固定的更加牢固，也更加稳定。如图2.2为一台高惯量永磁伺服电机的横截面示意图。

内转子型永磁同步电机也叫作永磁同步电机，主要有两种表面结构：一种是表面式内转子永磁同步电机，具有挖片状的永磁体，这些永磁体紧贴于转子铁芯。

表面突出式转子结构简单、便于制造，在永磁同步电机中应用广泛，其主要用于=0的矢量控制方式，其定子电流与输出转矩成正比。而表面插入式的却是相邻永磁磁极间为铁芯，易于安装定位，但由较大漏磁。本文中我们将采用凸出式转子磁路结构。

2.2高惯量永磁伺服电机的稳态运行性能

高惯量永磁伺服电机最重要的一项性能指标便是其稳态运行性能。高惯量永磁伺服电机的稳态运行性能包括电机的输入功率、功率因数、效率与电枢电流与输出功率之间的关系等等。

如下图2.3为时同步电机电枢反应。

由此，我们可以得到

从式（2-3）（2-4）可计算电动机定子直、交轴分量：

电动机输入功率（W）为：

定子相电流：

由（2-9）可求得忽略定子电阻的电动机电磁功率（W）：

除以电机角速度，由此求出电机电磁转矩（N·m）

其中：

；

；

永磁同步电机矩角特性计算曲线如下图2.4所示，永磁转矩由式（2-10）第一项得出，在图中表现为曲线1；磁阻转矩则由式（2-10）第二项求出，表现为图2.4曲线2；图中的曲线3则由曲线1、2合成。

将式（2-10）、（2-9）推导可得

将结果设为0，可求出电动机极值攻角：

图2.5为永磁同步电机矩角特性同步曲线；将极值功角带入式（2-10），得出最大转矩值，电动机及其额定转矩比值永磁同步电机失步转矩倍数：

若电机负载超出，将不能保持同步转速。

2.3 高惯量永磁伺服电机转矩、转速曲线测试

永磁伺服电机在进行实验时不光要测量其最大和最小转矩、失步转矩之类的性能，还应该测得电机转矩在起动、制动、过载调速等过程中及匀速转动下某时瞬态变化曲线和以检验在快速响应状态下的转矩、转速平衡；还需测试整条转矩-转速特性曲线用以判断电机总起动、运行性能。

以上测试方法有很多，应用最广泛的方法便是相位差式转矩传感器加上数字式转矩转速仪，配合微型计算器组合而成的转矩转速测试系统对电机数据曲线进行检测。其拥有操作方便、测量速度快、准确度高等特点。

2.4 稳态运行与相量图

永磁同步电机中电机转子直轴磁路中永磁体磁导率偏小，因此其交轴电枢反应电感是大于电机直轴电枢反应电感的。电机趋于额定转速时，我们可写出电机电压方程：

式中

——外施相电压有效值（）;

——定子相电流有效值（）；

——直轴、交轴电枢电流（）；

——电机每相空载反电动势有效值（）;

——定子绕组相电流（）；

——定子漏抗（）；

——直轴同步电抗；

——交轴同步电抗；

——直轴、交轴电枢反应电抗（）；

由电压方程（2-17）可做电机于不同情况下稳态运行时的典型相量图，并可列出如下电压方程：

从而求得直轴增磁、去磁临界状态下的空载反电动势

可由式（2-19）判断设计电机的运行状态。实际由永磁体产生的空载气隙磁通算出，比较与：若大于，则电机将于去磁工作状态下运转，反之则运行在增磁状态。从图（2.7）还能知道：只有电机设计运行在去磁状态下，才能使其达到容性因数及单位功率因数状态。

2.5 本章小结

第二章主要介绍了永磁同步电机的基本结构，包括：总体结构，转子的磁路结构，通过计算永磁同步电机的输入功率、定子相电流等求出其电磁转矩，分析其工作特性，再对电机转矩-转速特性曲线测试，分析高惯量永磁伺服电机稳态运行性能。

1. 高惯量永磁伺服电机电磁设计

在一定条件限制:恒定功率、体积、重量情况下，如何提高电机工作效率、降低损耗、节约成本，与此同时要令电机能够实现功率大、体积小、方便携带、动态性能高等设计方案，是电机研究的重点方向。这令我们在设计电机时要考虑各方面的性能指标，如：选择电机合理的电磁负荷，考虑电机散热问题等。在高惯量永磁伺服电机设计过程中，许多参数的选择与计算与电机所选永磁材料转子结构相关。所以，高惯量永磁伺服电机电磁设计的关键便是确定定转子结构、永磁材料及尺寸。

3.1高惯量永磁伺服电机本体设计

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