开题报告

学号： 152228 东 南 大 学 研究生课程 《电气工程设计与开发1_偏软》 大作业选题报告及实施计划

院（系、所） 电气工程学院 学科（专 业） 电气工程 研究生姓名 雷 蕾 学科门类与学位级别 电机与电器 导师姓名 余海涛 入学年月 2015年9月 选题报告日期 2015年12月25日

东南大学电气工程学院 填 表 须 知 1、 选题内容要紧密结合课程内容。 2、 选题报告由研究生本人根据课程要求及导师意见，由研究生本人填写此表。 3、 选题报告填写完成后，必须经导师审批，通过后方能提交。 4、 选题报告经课程小组审核通过后，必须打印为纸质文档并提交，同时将电子文档通过电子邮件提交。 5、 课程大作业结束时间为2016年6月1日，实施方案请参照此时间。 6、 选题报告提交截止日期2015年12月25日。 1

一、课程选题报告 选 题 题 目 永磁电机磁路计算程序

研 究 方 向 电机与电器

题 目 来 源 国家 部委 省 市 厂、矿 自选 有无合同 经费数 备注

横向项目 题 目 类 型 基础 研究 应用 研究 综合

研究 其它 应用基础研究

课 程 指 导 教 师 选 择 （备注：每位同学可以选择指导教师中的两位，其中一位为主选，另一位为备选，指导教师从以下三位教师中选择：蒋浩、黄允凯、王玉荣。） 主选教师：黄允凯 备选教师：蒋浩 选题报告内容 一、立题依据及价值 表贴式永磁同步电机具有体积小、效率高、转矩密度大等优点，被广泛应用到众多工程领域中，是一类极具发展潜力的节能环保型电机。本课题以表贴式永磁同步电机为研究对象，通过对电机磁场和电磁性能进行解析建模，从而进一步进行磁路计算。 永磁电机的磁路由永磁体、空气隙和导磁材料组成。磁路设计是电机设计的关键环节，即根据设计任务书的规定，利用磁路分析方法，通过计算来确定电机的各种尺寸和数据。电机磁路是以主磁通所经过的以铁磁材料为主的路径，将实际电机中非均勾分布的磁场等效为多段平均磁路，在每段磁路中磁通沿截面均勾分布且磁场强度为恒值。与电路相似，磁路中的磁势源，如永磁体和电枢磁势，是整个磁路的激励；类似电路基本定律，磁路中的磁势源和磁阻满足磁路欧姆定律、磁路基尔霍夫第一定律和磁路基尔霍夫第二定律。 本课题通过修改电机的尺寸可以计算不同尺寸下电机的磁路，从而分析电机的性能。磁极是永磁同步电机的关键组成部分。针对含不等厚磁极的表贴式永磁同步电机磁极参数难确定的问题，可以采用离散思想和磁场叠加原理对传统子域模型法进行改进。分析了不等厚磁极形状参数对电磁性能的影响机制，并结合粒子群算法对电机的磁极形状进行优化设计。该设计方案有效地改善了气隙磁场分布、减小反电势谐波、削弱电机转矩波动，提高了电机的整体性能。 基于上述理论分析，本课题通过对电机设计要求和工况特点进行分析，计算不同电机尺寸下的磁路，并利用计算机辅助设计手段，实现磁路计算的功能。 2

二、选题相关技术的国内外研究现状及动态 永磁电机的磁路由永磁体、空气隙和导磁材料组成。 国外利用永磁材料进行永磁同步电动机的开发已经有20多年的历史。1978年，法国的CEM公司研制的ISOSYN系列0.55～18.5kW的稀土钴永磁同步电动机，效率比一般的异步电动机高2%～10%，功率因数提高0.05～0.15。 我国在永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就，先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。我国己研制成最大容量为110kW和250kW的永磁同步电动机。我国稀土资源丰富，高性能的稀土永磁材料已实现产业化，钦铁硼的产量现己居世界第一位，钦铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高5%，节电率10%，某些专用永磁同步电机节电达15%～20%，所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势。 目前国内外对永磁同步电机设计研究主要集中在两个方面： 1．结构设计研究 永磁同步电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高的气隙磁密和磁势。因此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较少时，还可采用切向磁路结构或混合式结构。国内外学者都在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度和效率。 2．优化设计 在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，考虑如何合理地选择永磁体的工作点，使之在满足电机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电机的成本最小或体积最小。优化设计采用计算机来完成，优化设计中，通常选择永磁体体积作为目标函数。由于永磁体尺寸大小可直接影响电机的各项性能指标，因而可直接选用永磁体形状尺寸作为设计变量，而将其他尺寸都用这些变量来表示。 永磁同步电动机成本很高，但是随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电动机的成本呈下降趋势，在永磁同步电动机设计中如何选用适量的稀土永磁体用量以成为学术界研究分析的重点。此外，永磁同步电动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂，如何准确分析和计算是设计高效节能永磁同步电动机的关键。 永磁同步电动机设计的计算精确度直接决定了电动机的性能，因而永磁同步电动机的设计方法、磁路计算等，目前显得越来越重要。 3

三、选题的主要内容及研究与设计方法： 主要内容： 磁路计算的目的是在已知永磁体性能和磁路尺寸条件下，求解永磁体工作图的各项数据，并根据永磁体工作图调整磁路尺寸，以保证磁路的合理设计。 考虑到定子开槽后表贴式永磁同步电机的设计变量较多、变量间彼此耦合、难以直接获得设计参数与性能之间的映射关系，将等效磁路法与磁位解析法相结合，提出一种求解表贴式永磁同步电机空载磁场简化解析建模方法。该方法通过对气隙磁路进行近似，将定子齿槽效应和转子磁极分布分别考虑，降低了建模难度，简化了表贴式永磁同步电机磁场计算过程，实现了定子齿槽效应对气隙与永磁体内磁场分布以及反电势和电磁转矩的影响分析。 研究与设计方法： 永磁体等效成磁通源或磁动势源： 在计算稀土永磁同步电动机的磁路时，更常用的是磁通和磁势这两个物理量。实际上，只要将磁滞曲线的纵坐标乘以永磁体提供每极磁通的截面积，横坐标乘以每对极磁路中永磁体磁化方向长度。稀土永磁同步电动机在运行过程中，永磁体向外磁路提供的磁动势和磁通都是变化的，计算比较麻烦。经过上述处理后，就可将永磁体等效成一个恒磁通源与一个恒定的内磁导相并联的磁通源。正如电路中电压源和电流源可以等效互换一样，磁路中的磁通源也可等效成磁动势源。 外磁路的等效磁路: 永磁体向外磁路所提供的总磁通可分为两部分，一部分与电枢绕组匝链，称为主磁通(即每极气隙磁通)；另一部分不与电枢绕组匝链，称为漏磁通。相应地将永磁体以外的磁路(以后称为外磁路)分为主磁路和漏磁路，相应的磁导分别为主磁导和漏磁导。稀土永磁同步电动机实际的外磁路比较复杂，分析时可根据其磁通分布情况分成许多段，再经串、并联进行组合。主磁导和漏磁导是各段磁路磁导的合成。 等效磁路法因其计算量小、速度快而得到广泛应用，然而其精度有限。等效磁网络法根据电机的几何结构和预测的磁通走向，把磁场区域划分为若干串联或并联支路，每条支路由磁导或者磁势源等单元组成，单元之间通过节点相联，构成磁网络等效磁网络法与等效磁路法有共同的理论基础，但磁路划分更为精细，计算精度更高，但计算速度较等效磁路法慢。 电机尺寸确定中又包括主要尺寸计算、槽型尺寸计算以及绕组参数计算三步。结合内转子表贴式永磁电机的具体设计特点，深入研究永磁同步电机的设计过程，对其进行归纳整理， 4

并利用计算机软件编程实现设计过程。 四、选题关键技术与可行性分析 关键技术： 等效磁路法是一种最为传统的电机磁路分析方法，由于工程上力图简化，因此将复杂的场问题视为较简单的路问题。根据各类电机的运行原理对电机磁路本身进行数学建模，以合理地反映该类电机集中参数与尺寸之间的关系，并方便快捷地进行电机的初始电磁设计。 永磁同步电机的设计主要分为电机尺寸确定、空载磁场迭代、电气参数计算以及工作性能校核四个步骤。电机尺寸确定中又包括主要尺寸计算、槽型尺寸计算以及绕组参数计算三步。工作性能校核则需要结合电机的具体应用工况对不同工作点进行计算，一般包括额定工作点性能校核、最大转矩点性能校核、最大弱磁点性能校核以及电机最大去磁工作点性能校核等。 在电机主要尺寸确定之后，需要进一步计算定子槽型尺寸。为了便于设计人员调试方案，本文编写的永磁同步电机设计程序在计算定子槽尺寸时可根据用户需要选择基于默认的输入槽参数计算或根据输入的槽齿、宽比和槽、轭高比进行自动开槽计算。 本课题研究的是内转子表贴式永磁电机磁路计算。以等效磁路法为分析手段，并运用计算机语言进行编写程序，最终计算出电机在不同尺寸下的磁路。 可行性分析： Microsoft Visual Studio是一款Windows平台应用程序的开发工具，包括了Windows平台应用程序的设计开发、调试、数据库功能、可视化设计功能、语言集成功能等多种功能。 对于VS，需要进一步的学习与掌握，尤其在本次课题中，基于内转子表贴式永磁电机的磁路计算，运用VS平台进行编写程序，要求利用数据库进行设计方案的保存，具备添加、删除和修改的功能；使用者通过图形化界面输入电机结构参数，点击“计算”按键进行磁路计算，并在图形化界面上查看计算结果。 这要求不仅有数值的计算，还要实现在窗口程序中绘图的功能。对于这些功能，Microsoft Visual Studio都可以实现，通过对软件的学习以及对磁路相关知识的学习，能更好的完成本次课题。 综上所述，本次的课程实践具有很高的可行性。