基于有限元的永磁同步电机的瞬态场分析_开题报告

一、文献综述

（一）研究背景

当今世界的重要问题之一便是能源短缺，因而21世纪工业发展的主题便围绕着节能技术的研究及相关产品的开发，许多国家都在积极开展节能技术的研究与应用【1】。据不完全统计，我国电动机耗电占全国耗电量的60%以上，其中小型三相异步电动机耗电约占35%，属于耗能大户。工农业生产的迅速发展和人民生活水平的提高导致对电能的需求越来越大，但作为发电主要能源的煤、石油等资源缺越来越少，因而研发高效率的电动机是节能减排的重要措施，也是电机发展的大趋势。二十世纪八十年代问世的稀土永磁材料，以其优越的磁性能引起国内外电机界的广泛关注。与传统的异步电机相比，稀土励磁的永磁电机，其效率、功率因数均有很大的提高，节能效果十分明显，是一种很有前途的高效节能产品。永磁电机相对于电励磁电机来说，结构简单、体积小、运行可靠。它完美的解决了电励磁电机的启动问题，设计恰当的永磁电机的启动性能可以和异步电机媲美。可以预见，随着永磁电机设计技术的不断成熟和社会对这种电机优越性能的逐渐认识，永磁电机的应用汇越来越广【2】。

（二）永磁电机研究现状

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。在电机内进行电能量转换所必须的磁场可以有两种：

     （1）在电机绕组内通以电流来产生磁场。如直流电机和感应电机，这种电励磁的电机需要有专门的绕组和不断供给能量以维持电流流动；

     （2）由永磁体产生磁场。根据永磁体材料的固有特性，经过预先磁化，不需要外加能量就能在其周围空间产生磁场。

由于永磁电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就减去了容易出问题的集电环和电刷装置，这即可简化电机结构，使运行更可靠，又可节约能量。因此与电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用【3】。

永磁电机存在永磁体，其形状和放置的位置多种多样，磁路结构复杂，所以永磁电机的分析计算要比普通电机复杂【4】。目前对于大中型永磁电机的开发设计，由于缺乏可借鉴的足够资料，缺少强有力的试验和分析手段，使电机设计工程师不可避免的要担当很大的风险，甚至付出过高的经济代价。永磁电机的设计、控制、精确性能分析成为研究的主要内容【5】。

由于永磁电机具有高效节能等一系列优点，对永磁电机的开发和研究成为世界各国电机电器相关产业以及科研院所的研究热点，特别在各类永磁电机的优化设计、性能分析方面作了许多的研究工作，在电机性能电磁场数值计算方面取得了大量的成果：

国内的沈阳工业大学唐任远院士编著《现代永磁电机理论与设计》[2]一书采用以等效磁路解析求解为主，结合磁场数值计算的方法对多种永磁电机的原理、结构、设计进行了研究，总结了近年来永磁电机的研究成果。西北工业大学李钟明、刘卫国等编著的《稀土永磁电机》一书阐述了稀土永磁电机的特殊性，全面介绍了各类永磁电机的理论和设计技术。 

国外学者也对永磁电机进行了大量研究，Craiu O等1995年发表了用有限元法计算永磁直流电动机的文章【6】，综合考虑了磁场饱和、电枢旋转以及温度变化的作用，采用动态有限元法计算了电磁转矩随转子旋转而波动的情况。使永磁直流电动机的研究不再局限于静态磁场分析，具有更重要的意义；Kurihara K在1994年发表文章【7】，提出采用场路耦合时步有限元法分析永磁同步电动机的稳态运行性能，探讨了由于谐波磁场存在而引起的电流谐波和转矩波动问题，开辟了永磁同步电动机新的研究方法。但是在文献中采用的场路结合数学模型中没有给出鼠笼转子重各个支路所满足的约束条件，即只有定子电路方程和磁场耦合，而没有转子电路方程与磁场耦合，分析模型不够完整；Zhou P等发表了用有限元法计算永磁同步电动机参数和性能的文章【8】。文章指出由于永磁电机永磁作用始终存在，以往的不计永磁作用、不计交直轴交叉耦合影响，单独计算交直轴电枢磁场求取电机参数的方法是不合理的。提出了采用负载法进行交直轴电枢反应电抗的计算，使参数真是反应负载时电机材料的饱和程度；Seung-Chan Park采用场路耦合时步有限元法分析了永磁无刷直流电动机的运行性能【9】，计算了一台外转子无刷直流电动机电流变化规律，分析模型中计及了外转子实心钢中的涡流，但是稳重没有考虑功率管交替导通时绕组的换流过程，且没有计及绕组联结中点的电位变化问题，模型不够完善。HoS.L和FuW.N等研究了计及永磁涡流顺号时无刷电动机的运行特性【10】。借鉴异步电机的分析，建立了计及永磁体存在涡流时的等效电路模型，使分析更加精确；

        

 

二、^范文提纲

1引言

1.1永磁电机研究现状

1.2 永磁同步电机电磁场计算国内外发展状况

1.3本课题研究的内容及主要工作

2 永磁电机的瞬态场及其分析方法

2.1 电机电磁场的基本理论依据

2.2 永磁同步电机瞬态场分析的特点及其数学模型

2.3 永磁同步电机瞬态场的求解

3 永磁同步电机瞬态场的有限元分析

3.1瞬态场的有限元基本理论

3.2瞬态场的有限元分析

3.3瞬态场仿真结果及其分析

4 针对瞬态场的有限元分析结果提出的永磁同步电机结构优化设计方案

4.1从设计磁路出发的永磁同步电机结构优化方案

5 总结及展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

三、参考文献

[1]刘瑞芳.基于电磁场数值计算的永磁电机性能分析方法研究.东南大学博士^范文，2002

[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社，1997:161-233

[3]Kzaumi Kurihara.Steady-state performance analysis of permanent magnet synchronous motors including space harmonics.IEEETransactions on Magnetics,1994

[4]Jabbar.M.A,Liu Zhejie,Dong Jing.Time stepping finite element analysis for the  dynamic performance of a permanent magnet synchronous motor.IEEE Transactions on Magnetics, 2003,39:262-623

[5]林峰.瞬变电磁场中时空有限元法的研究.沈阳工业大学博士^范文,2004

[6]Craiu,O.,Dan,N.,Badea,E.A. Numerical analysis of permanent magnet DC motor performances. IEEE Transactions on Magnetics. 1995

[9]Kurihara,K.,Wakui,G,Kubota,T.Steady-state performance analysis of permanent magnet synchronous motors including space harmonics. IEEE Transactions on Magnetics. 1994 

[7]Zhou,P.,Rahman,M.A.,Jabbar,M.A.Field circuit analysis of permanent magnet synchronous motors. IEEE Transactions on Magnetics. 1994 

[10]Seung-Chan Park,Byung-I1 Kwon,Hee-Soo Yoon. Analysis of exterior-rotor BLDC on motor considering the eddy current effect in the rotor steel shell. IEEE Transactions Magnerics,1999

[8] Ho,S.L.,Fu,W.N.,Li,H.L. Performance analysis of brushless DC motors including features of the control loop in the finite element modeling. IEEE Transactions on Magnetics. 2001