基于ANSYS的永磁同步发电机的电磁场分析与研究

论文摘要

与电励磁电机相比,永磁同步发电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸灵活多样等显著优点,在工农业生产、航空航天、国防和以及人们日常生活中得到广泛应用。但是永磁发电机一旦制成,就难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数。因此,对永磁同步发电机更精确的设计及其参数对电压调整率的影响的深入研究是十分必要的。本文以有限元法为计算手段,重点展开对永磁同步发电机的电磁场进行仿真研究。首先,论文论述了永磁同步发电机的基本原理,包括永磁同步发电机的结构分类和永磁同步发电机的运行性能。给出了电机设计的一般过程,根据电机设计要求和指标,用传统的解析法初步设计出发电机。在理论分析和设计的基础上运用ANSYS软件对发电机电磁场进行有限元分析,以精确的计算电磁场。通过实例分析了永磁同步发电机空、负载时的电磁场,了解永磁电机的电枢反应情况,并精确计算出电机矢量磁位Az、磁场强度H、磁感应强度B、气隙磁密等结果,较以前的解析法更加直观和精确。其次根据电磁场计算结果进一步分析,求解磁路中的主要参数,验证磁路的合理性；应用两种方法对电磁场仿真结果进行数据处理,分别得出永磁同步发电机空、负载时电势,为下一步计算永磁同步发电机各种性能特性提供有力工具。最后,基于齿磁通法对永磁同步发电机的特性进行了深入研究,通过大量计算定量分析了结构参数对电机磁场的影响,找到改善永磁电机调压率的设计方法,从而完善对永磁发电机的优化设计。其中包括：永磁体磁化方向平均长度hM、电枢绕组线径d、每相串联匝数N、气隙δ、铁心长度Lef等。同时,分别对比两种磁钢结构模型的电磁场,分析它们气隙磁通的谐波含量,应该综合考虑电机的设计的成本等因素来考虑如何选择磁钢的分布结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 永磁电机国内外的研究现状
• 1.3 稀土永磁发电机的优点
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 永磁同步发电机的基本理论以及设计方法
• 2.1 永磁发电机的结构
• 2.1.1 永磁同步发电机的总体结构
• 2.1.2 永磁同步发电机转子磁路结构
• 2.2 永磁发电机的工作原理
• 2.3 电机电磁场有限元分析的基本理论
• 2.4 永磁发电机常用的设计方法
• 2.4.1 电机电磁场分析的基本方法
• 2.4.2 ANSYS简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 永磁发电机的参数设计与计算
• 3.1 永磁发电机的设计特点
• 3.2 永磁发电机的主要设计计算步骤
• 3.3 永磁体等效磁路
• 3.4 电机主要结构参数的选择与计算
• 3.4.1 永磁材料的选取
• 3.4.2 电磁负荷的选择
• 3.4.3 发电机永磁体体积的确定
• 3.4.4 计算稀土永磁体尺寸和电机主要尺寸
• 3.4.5 发电机定子结构与绕组设计
• 3.5 齿磁通法计算绕组感应电动势
• 3.6 固有电压调整率
• 3.7 电压波形畸变率
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于ANSYS永磁同步发电机磁场的有限元分析
• 4.1 永磁发电机的内部磁场
• 4.2 ANSYS电机电磁场分析的步骤
• 4.3 用ANSYS进行永磁同步发电机电磁场的计算实例
• 4.3.1 永磁同步发电机空载的磁场的仿真过程
• 4.3.2 永磁同步发电机空载磁场分析及其磁通密度计算
• 4.3.3 永磁同步发电机空载电动势的计算
• 4.3.4 永磁同步发电机磁路计算中的主要系数
• 4.3.5 永磁同步发电机负载磁场分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 永磁同步发电机结构参数对其性能影响分析
• 5.1 永磁体磁化方向长度hM对性能参数的影响
• 5.2 线径d对性能参数的影响
• 5.3 每相串联匝数N对性能参数的影响
• 5.4 气隙δ对性能参数的影响
• 5.5 铁心长度Lef对性能参数的影响
• 5.6 不同磁钢形状对性能的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著及获奖情况