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1、北京交通大学毕业设计（论文）开题报告1 题 目：永磁同步电动机的计算机辅助设计学院： 电气工程学院专业： 电气工程类学生姓名：学号：文献综述：一、国内外研究现状永磁材料永磁材料是经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种特殊材料，是一种重要的磁性功能材料。永磁材料的发展大体上可分为以下几个阶段：基于碳钢的永磁、铝镍钴永磁、铁氧体永磁、稀土永磁。20 世纪 90 年代以来，我国的永磁材料产业得到了巨大发展，永磁材料的生产能力逐年提高，已成为公认的永磁材料生产大国。永磁材料的应用十分普遍，具体有：传感器、仪器仪表、电子、机电、医疗、教学、汽车、航空、军事技术、精密仪器、精密电表、高级
2、电声电讯器件、陀螺仪、微波器件、通讯、磁电开关、传感器、医疗仪器、手动工具、高音喇叭等。永磁电机1831 年，法拉第在发现电磁感应现象后不久，利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意 义上的电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。在随后的70 多年内，电励磁电机的理论和技术得到了迅猛发展，而永磁励磁方式在电机中的应用则较少。随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20 世纪 30 年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积
3、可达85 kJ/m3）和 50 年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36160 kA/m ），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2 0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到20 世纪 60 年代和 80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度
4、、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。永磁电机种类繁多。根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两大类。永磁电动机又可分为永磁直流电动机和永磁交流电动机。而永磁交流电动机指的是带有永磁转子的多相同步电动机，所以常被称为永磁同步电动机(PMSM) 。永磁直流电动机如果按有无电剧和换向器来分又可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机(BLDCM ) 。永磁电机应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、 工农业生产和日常生活的各个领域。永磁电机对传统电机的优势1、效率高在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步
5、运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。2、功率因数高北京交通大学毕业设计（论文）开题报告2 永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资。3、起动转矩大在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机)中， 可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的Y系列电机。如用37 kw 永磁同步电机代替45 kW55 kW 的 Y 系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统的运行效能。4、力能
6、指标好Y 系列电机在60的负荷下工作时， 效率下降15， 功率因数下降30， 力能指标下降40； 而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20负荷时，其力能指标仍为满负荷的80以上。5、温升低转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。6、体积小，重量轻，耗材少同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30左右。7、可大气隙化，便于构成新型磁路。8、电枢反应小，抗过载能力强。二、当前存在的问题尽管永磁同步电机有很多优点，但同时也存在一部分问题，随着对永磁电机和永磁材料的研究深入，一部分问题正在解决。1、不可逆退磁问题如果设计和使用不当，永磁同步电机（
7、如钕铁硼永磁体）在温度过高时，或在冲击电流产生的反应作用下，或在剧烈的机械振动时，有可能产生不可逆退磁，或者叫失磁，使电动机的性能降低，甚至无法使用。如何提高永磁体的热稳定性，一直是重要的研究课题。2、成本较高相对三相异步电动机，永磁电机的成本较高，目前需要用它的高性能和运行节能来弥补其成本上的不足。如果永磁同步电机的成本能够降低，将大大推进其推广和应用。3、大规模生产问题永磁同步电机的永磁材料具有很强的磁场强度，在永磁体装入转子以及电机整体装配时，比异步电动机的工艺难度大很多，很费工时。尤其是功率较大的永磁同步电机的安装，如果没有相应的专业工艺装备，装配难度很大，很难实现自动化生产线，即使实
8、现了自动化生产线，成本也非常高。4、控制问题永磁同步电机制成后不需要外部能量即可维持其磁场，但也造成外部控制难度加大，这使永磁同步电机的应用范围受到了限制。随着电力电子技术和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只需进行电枢控制。这就需要设计时把永磁同步电机、电力电子器件和控制三项技术结合起来。5、起动问题对于异步起动的永磁同步电机，仍然存在起动电流大，起动转矩抖动问题。异步起动的永磁电机如设计不好，起动电流可以达到额定电流的十倍左右。如果功率较大时，对起动设备冲击较大，起动转矩抖动对负载不利。三、发展动向永磁电机的发展趋势1、极端条件下应用的新型永磁电机，其特点是
9、超高速、超低速、超高精度、超超高效、超高功率密度、低噪声。主要应用于要求高性能而价格不是主要因素的场合，如航天航空、竣工、及其它高科技领域。2、可以简化装备结构，使成本得到补偿的直驱永磁电机，如电梯用曳引机、螺杆泵电机、起北京交通大学毕业设计（论文）开题报告3 重机用电机、矿用低速永磁电机等。3、研发新型混合永磁电机，如永磁磁阻电机 （永磁电机 +同步磁阻电机） 、混合励磁电机 （永磁电机 +电励磁电机、开关磁链电机（永磁放定子上）、多相（6、9、12 相）永磁电机（永磁电机+新型驱动器 )、双转子、双定子永磁电机，但结构工艺复杂，某些性能（如噪声）变化。4、在保证不失磁前提下采用低档钕铁硼永
10、磁，如用H 或 M 档钕铁硼永磁，或用低重（镝、铽)钕铁硼永磁，但需改进冷却系统、降低温升。5、采用低耗钢片非晶合金。日本日立公司于年宣布开发出了非晶合金铁氧体永磁电机，额定效率达到约可用于工业设备。于原来的感应电机相比，实现了小型化和高效率。 四、研究的内容永磁同步电动机的结构三相异步起动永磁同步电动机定子冲片及绕组型式与三相感应电机基本相同，转子结构较为复杂。目前多数文献将三相异步起动永磁同步电动机结构按照磁极磁路结构的不同分为三大类型：径向式、切向式、混合式等三种结构。转子磁极多数选用具有高的矫顽力、剩磁密度及磁能积的稀土永磁材料。永磁同步电动机的性能计算永磁电动机性能计算方法可以分为基
11、于“路”、基于“场”和基于“场路结合”的三大类，主要有等效磁路法、等效磁网络法、电磁场解析法和数值计算方法，以及由电磁场计算衍生出的多种分析方法。五、意义、必要性和价值永磁电动机拥有许多区别于电励磁电动机的新特点：结构特殊且形式多样，制成后磁场难以调节，电磁负荷高，起动性能不够理想，永磁体存在失磁风险，等等。显然，传统的设计理论、经验参数和分析计算方法，已难以满足研制高性能永磁电动机的要求，还需要综合运用电机理论、电磁场理论、磁性材料、数值计算、仿真技术、测试技术以及软件工程等多学科理论和现代设计手段，在永磁电动机设计的关键技术方面进行创新研究。北京交通大学毕业设计（论文）开题报告4 北京交通
12、大学毕业设计（论文）开题报告5 研究方案：一、理论基础本次毕设重点在于对永磁同步电动机的性能计算，具体分为永磁同步电动机的稳态性能分析和计算电动机稳定运行于同步转速时，永磁同步电动机的电压方程为：01111011dadqaqddqqUEI RjI XjI XjI XEI RjI XjI X式中： E。永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值(V) ；U。外施相电压有效值(V) ；I1 定子相电流有效值(A) ；1R定子绕组相电阻；adX、aqX直、交铀电枢反应电抗；1X定子漏抗；dX直轴同步电抗: 1dadXXXqX交轴同步电抗，1qaqXXXdI&、qI&直、交轴电枢电流(A) 11s
13、insindqIIIII1 与 E。间的夹角，称为内功率因数角，I1 超前 E。时为正。 永磁同步电动机的磁路分析与计算永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一平顶波，与感应电动机的气隙磁密波形相差较大，而与直流电机的空载气隙磁密波形相似。磁路计算时，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形可近似简化为矩形波计算极弧宽度内磁密幅值为B而极间磁密为零。异步起动永磁同步电动机的起动过程异步起动永磁同步电动机与普通感应电动机一样、在起动过程中也要求具有一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数。此外，还要求电动机具有足够的牵入同步能力。永磁同步电动机由于在转子上安放了永磁体，使得其起动过程比感应电动机
14、更为复杂。并且根据参数，对永磁同步电动机的电磁结构进行相关设计，包括：对定子转子结构设计；气隙磁场北京交通大学毕业设计（论文）开题报告6 的分布；对永磁体尺寸的设计与分析；对磁极结构进行设计与分析等等 二、研究方法及步骤通过查阅文献和相关书籍，初步了解永磁同步电动机的结构与性能计算；根据前面对永磁同步电动机的知识的了解，在掌握主要性能参数的前提下，设计出相应的电机；将计算过程同步到软件中，并完成软件的实用化。 三、预期成果在调试好的软件上输入电机的性能参数后，可获得相应结构稳定，运作良好的电机模型。主要参考文献 ：1 王秀和 . 永磁电机 M. 北京：中国电力出版社， 2007. 2 陈世坤
15、. 电机设计 M. 北京：机械工业出版社， 2000. 3 苏绍禹、高红霞 . 永磁发电机机理、设计及应用M. 北京：机械工业出版社，2012 4 戴文进、张景明 . 电机设计 M. 北京：清华大学出版社 ,2010 5 黄国治、傅丰礼 . 中小旋转电机设计手册 M. 北京：中国电力出版社 ,2007 6 李革、唐任远 . 稀土永磁电机磁路设计与计算J. 微特电机， 1980 7 许宁 外转子永磁同步电动机计算机辅助设计J.小功率电机学术交流会， 2008 8 李钟明、刘卫国稀土永磁电机M 北京：国防工业出版社，1999 9 宋后定、陈培林 . 永磁材料及其应用 M. 北京：机械工业出版社 .
16、,1984 10 唐任远 .现代永磁电机理论与设计M. 北京：机械工程出版社， 1997 北京交通大学毕业设计（论文）开题报告7 毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1 阅读参考文献，完成开题报告3 月 27 日前2 学习永磁电机相关知识，了解其结构和性能计算 的方式4 月 10 日前3 编写软件程序，进行实用化检测5 月 8 日前4 完成毕业设计论文初稿5 月 22 日前5 论文修改，准备答辩5 月 30 日前北京交通大学毕业设计（论文）开题报告8 指导教师意见：填写说明：查阅资料是否全面，提出的研究方案和计划进度是否可行，还有什么需要注意和改进的方面， 是否同意按学生提出的计划进行等。 （填写后请删除该说明）指导教师（审核签名）：审核日期：年月日
