工频电源供电低速大转矩永磁同步电动机的设计与分析

论文摘要

在诸如电梯曳引机、石油机械、大型机床、矿山机械等大型机械装备中,通常由笨重的机体、多级齿轮减速机构,才能将异步电动机从电网电能转换的机械能传动到负载完成做功。取消机械减速机,由低速大转矩永磁同步电动机直接驱动,从根本上克服了减速机带来的各种弊端。开发应用于无齿轮传动系统的低速大转矩永磁同步电动机是当前十分有意义的一项工作。本论文主要开展了以下几个方面的工作:首先,从电机的电磁设计入手,由于该电机为工频电源供电,不能采用变频器控制电机的起动,所以电机设计的重点在于如何去增大电机的起动转矩并减小起动电流来保证电机能够正常起动,并得到优异的电机性能参数。结合实际问题,参考普通异步起动永磁同步电动机电磁设计,对本设计中的矿山磨粉机用低速大转矩永磁同步电动机的参数进行了手工计算;分析了异步起动永磁同步电动机的设计共性,并针对多极低速电机的特性进行了大胆的设计尝试。其次,利用MATLAB程序语言,将手工计算的过程编制成为电机设计CAD程序,使用了拟合和插值等多种数值计算方法,使得计算的过程更加的方便,快捷,充分发挥了计算机的特点,使之能够用来指导电机设计方案的快速优化和不断的改进。然后,根据低速大转矩永磁同步电动机的数学模型进行了编程,对电机的起动过程进行了基于MATLAB程序语言的仿真。通过仿真,对起动过程中电机参数变化对起动工况的影响进行了一定的分析,分析的结果将用于指导电机的参数的优化设计。应用MATLAB语言的起动过程仿真,由于是基于数学模型的仿真,忽略了一些非线性因素,包括电机饱和等一些常见问题,造成的实验结果失真,很难准确计算电机的瞬态参数。解决这一问题的有效途径是采用有限元分析法。论文最后采用了AnsoftMaxwell电磁分析软件,通过基于场路耦合的计算方法,可以尽乎精确地计算电机瞬态性能参数,并通过不断地调整设计值,得到一个相对满意的电磁设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 永磁同步电动机的国内外研究动态目前的水平及发展形势
• 1.4 本论文的主要内容
• 第二章 工频电源供电低速大转矩永磁同步电动机电磁方案的设计
• 2.1 额定数据和技术要求
• 2.2 额定计算数据
• 2.3 主要尺寸
• 2.3.1 永磁同步电动机的冲片
• 2.3.2 气隙长度
• 2.4 电枢绕组形式与定转子的槽配合
• 2.4.1 绕组排布
• 2.4.2 定转子槽数的选择
• 2.5 永磁体的设计
• 2.5.1 永磁体材料选择
• 2.5.2 转子磁路结构设计
• 2.5.3 永磁体尺寸的设计
• 2.5.4 隔磁措施
• 2.6 定转子槽型
• 2.7 磁路计算
• 2.7.1 计算极弧系数
• 2.7.2 空载漏磁系数
• 2.7.3 永磁体工作点
• 2.7.4 磁位差计算
• 2.8 参数计算和分析
• 2.8.1 空载反电动势
• 2.8.2 交直轴电枢反应电抗
• 2.9 起动特性
• 2.10 本章小结
• 第三章 工频电源供电低速大转矩永磁同步电动机CAD技术的研究
• 3.1 电机CAD电磁计算模块程序介绍
• 3.2 程序中曲线与表的处理
• 3.2.1 插值法
• 3.2.2 拟合法
• 3.3 程序中死循环程序处理
• 3.4 电磁设计迭代程序的编制
• 3.4.1 永磁体空载工作点的迭代计算
• 3.4.2 交轴电流的迭代计算
• 3.5 电磁设计流程图
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于MATLAB语言电机起动过程的仿真研究
• 4.1 坐标变换理论
• 4.1.1 三相定子坐标系（ABC坐标系）
• 4.1.2 转子旋转直角坐标系（d-q-O坐标系）
• 4.1.3 三相定子坐标系到转子旋转坐标系的变换
• 4.2 永磁同步电动机的数学模型
• 4.2.1 电压方程
• 4.2.2 运动方程
• 4.2.3 电机的数学模型
• 4.3 永磁同步电动机起动过程的仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于Ansoft有限元电磁分析软件的场路耦合法求解电机的瞬态起动过程
• 5.1 低速大转矩永磁同步电动机的建模
• 5.1.1 电机几何模型的建立
• 5.1.2 电机绕组的归并
• 5.1.3 填充材料和边界条件的确立
• 5.1.4 边界条件和电源的建立
• 5.1.5 电机模型的网格剖分
• 5.1.6 求解过程
• 5.2 电机在加载起动过程中的仿真分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A 电机电磁设计CAD部分源程序
• 附录B 基于MATLAB程序语言的PMSM起动仿真电机起动计算部分源程序
• 在学研究成果
• 致谢