基于有限元法的永磁同步电机静磁场分析_开题报告

 (一)现状:

目前，包括微特电机，大中小型电动机和大型发电机在内的各类电机都可以采用高磁场永磁式转子电机。而永磁材料经历了铁氧体、铝镍钻、稀土钻、钱铁硼等几个发展阶段，1983年钱铁硼永磁材料的出现是永磁材料领域划时代的革命。由于钱铁硼磁铁的磁性和物理特性优于其它永磁磁铁，且成本较低和原材料来源较有保证，故各主要工业发达国家对其开发及应用非常重视。近十年来，钱铁硼磁铁的应用几乎遍及所有机种，尤其在无刷直流电机和交流永磁式伺服电动机的应用取得了突破性进展。

    电机的气隙磁场(或主磁通)是能够产生感应电势和电磁力矩的不可缺少的

因素。为了建立所需的气隙磁场，电机磁路须有一定的磁势源来励磁。例如，一

般的直流电机和交流同步电机采用直流电流励磁，叫做电励磁。电励磁的电机称

为电磁式电机。永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后，在没有外界磁场的作

用下，仍能保持很强的磁性，并且具有N, S两极性和建立外磁场的能力。因此，

可以用来取代发电机或电动机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的电机，称

为永磁电机。

    永磁电机具有以下特点:

      (1)永磁电机不需要直流励磁电源;

      (2)永磁电机没有励磁绕组，因而永磁交流电机不需要电刷和滑环等接触

装置，这不但减少了机械和电气损耗，而且实现了无刷或无接触式的电机结构，

使得电机运行可靠，无须经常维修;

      (3)在电磁式电机中，可以采用改变励磁电流的简单办法来调节气隙磁场，

但永磁电机却不同，当永磁材料和磁路的尺寸一定时，气隙磁场或主磁通是不能

任意调节和改变的;

      (4)既然永磁电机用永磁材料来励磁，那么，永磁材料性能的高低、磁性

能的稳定性，永磁材料的机械性能、工艺性和经济性，就直接影响着永磁电机的

运行可靠性、使用范围、制造容量和经济价值。

(二) 国内外发展状况:

    永磁电机具有节能高效、结构简单等一系列优点，在能源短缺的当今世界，

备受国内外学者和业内人士的关注，成为电机行业发展的热点，其应用领域在不

断扩展。国内外研究人员在永磁电机的优化设计、性能分析方面作了许多研究工

作，在电机性能电磁场数值计算方面取得了大量的研究成果。

    1994年，P. Zhou等人在文献[2]中用有限元法计算了永磁同步电动机的参数和性能，并指出由于永磁电机中永磁作用始终存在，以往不计永磁作用、不计交直轴交叉藕合影响、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。同年，K. Kurihara等人在文献[3]中应用场路藕合时步有限元法分析了永磁同步

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，建立了永磁同步电动机新的研究方法。199_5年，Q. Craiu等人在文献[4]

中用有限元法计算了永磁直流电动机的性能。1999年，Seung-Chan Park等人在

文献C_5]中采用场路藕合时步有限元法分析了永磁无刷直流电动机的运行性能，计算了一台外转子无刷直流电动机电流的变化规律。2001年，S. L. Ho和W. N. Fu等人在文献[6]中研究了计及永磁涡流损耗时无刷电动机的运行特性，借鉴异步电机的分析方法，建立了计及永磁体存在涡流时等效电路模型，使分析更加精确。

    国内学者对永磁电机也进行了大量研究。沈阳工业大学特种电机研究所的唐

任远编著的《现代永磁电机理论与设计》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。

    总之，国内外对永磁电机电磁场性能计算的研究已经取得了一定的成果，但

是各种电机的分析模型还有待完善和改进，对电机电磁参数和运行性能的精确计

算也有待继续深入研究。随着应用领域的不断拓展，对永磁电机的性能会提出新

的要求，为满足新的需求将会出现新型的设计，所以关于永磁电机的研究也会不

断扩大和深入。同时，随着计算机计算能力的不断增强，有限元数值计算技术的口益进步，对永磁电机的计算分析研究将会达到更高的水平。

(三) 研究意义:

    本课题是国家863计划项目《新型稀土永磁电机设计及集成技术》

2002AA324020中的一部分，主要研究内容是进行钱铁硼永磁电机转子永磁体内

涡流损耗的计算，通过分析永磁体涡流损耗的影响因素，可进一步改善永磁体的

形状，使得电机工作更加稳定和高效。

    通过查阅国内外文献，发现关于利用有限元分析永磁电机永磁体内涡流场的

研究和^范文还非常少，基本还是一项空白。近年来虽然有一些关于铁磁材料的计

算方案和相应的研究^范文出现，但是由于永磁电机的形状结构以及电枢绕组端部

电流分布十分复杂，大多数方案都是简化计算，在永磁电机永磁体内，真正意义

上的涡流场有限元计算的相关报道还不多见。所以，如何更真实地反映永磁体内

涡流场分布以及更精确的计算，就成为一个很具有现实意义的课题。

    本项目的完成将推动我国稀土永磁材料产业的发展，扩展钱铁硼永磁材料的

应用领域和市场容量，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，其经济效益和社会效

益是十分巨大的。

二、^范文提纲

1.引言

1.1永磁电机研究现状分析

1.2永磁同步电机国内外发展状况

1.3本课题研究内容及主要工作

2.永磁电机的静态场及其分析方法

2.1电机电磁场的基本理论依据

3永磁同步电机静磁场有限元分析

3.1静态场仿真结果及其分析

4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项目总结

5.2项目展望

三、参考文献

[1〕唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社，1997,  12.

[2]Zhou P, Rahman M A, Jabbar M A. Field circuit analysis of permanent

magnet synchronous motors.工EEE Trans.  MAG,  1994,  30 (4).

[3]Kurihara K, Wakui G, Kubota T. Steady-state performance analysis of

permanent magnet synchronous motors including space harmonics.工EEE Trans.MAG,  1994,  30 (3).

[4]Craiu 0,  Dan N,  Badea E A.  Numerical analysis of permanent magnet DCmotor performances.工EEE Trans.  MAG,  1995,  31 (6).

[5]Seung-Chan Park, Byung一工工Kwon, et al. Analysis of exteriao:一:otor

BLDC motor considering the eddy current effect in the rotor steel shell.

工EEE Trans.  MAG,  1999,  35 (3).

[6]Ho S L,  Fu W N,  Li H L,  et al.  Performance analysis of brushless DC

motors including features of the control loop in the finite element

modeling.工EEE Trans.  MAG,  2001,  37 (5):3370一3374.

[7〕章名涛，肖如鸿.电机的电磁场.北京:机械工业出版社，1988.

[8〕汤蕴谬主编.电机内的电磁场(第二版).北京:科学出版社，1998.

「引胡之光.电机电磁场的分析与计算.北京:机械工业出版社，1989.

[10]谢德馨，姚缨英，白保东等.三维涡流场的有限元分析.北京:机械工业出

版社，2001.

「11] 0.  Biro,  K.  Preis.  On the Use of the Magnetic Vector Potential in the

Finite Element Analysis of 3-D Eddy Currents.工EEE Trans. on Magnetics,

Vo1.25,  No.  4,  1989.

[12] Bryant C. F, C. R.工.Emson, and C. W. Trowbridge. A Comparison of Lorentz

Gauge Formulation in Eddy Current Computation.工EEE Trans. Magnetics,

1990.  26, (2):430一433.

[ 13] Bryant C. F,  C. R.工.Emson,  and C. W. Trowbridge.   A General Purpose 3-D

Formulation for Eddy Currents Using Lorentz Gauge.工EEE Trans. Magnetics,

1990,  26 (5):2373一2375.

[14]Compumag 6. Gras Austria 1987，工EEE Trans.  MAG,  1988,  24 (1).

[15]Hasebe S. Analysis of three dimensional magnetic field inducing eddy

current on the nature of scalar potential. Electrical Engineering in Japan,

1983, 103 (6).

[16」周克定.工程电磁场数值计算的理论方法及应用.北京:高等教育出版社，

1994.