永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析

湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)

诚 信 承 诺 书

本人慎重承诺和声明：所撰写的《永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析》是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。

设计(论文)的研究成果归属学校所有。

学生(签名)

年 月 日

湖南工程学院应用技术学院 毕业设计（论文）任务书

姓名 ***** 系************ 专业电气工程及其自动化 班级 **** 学号 ************ 指导老师 ******* 职称 ****** 教研室主任 ****** 一、基本任务及要求： 1、基本数据：

1） 额定功率：PN =7.5KW 2） 连接方式：Y 3） 额定电压：UN =400V 4） 额定转速：nN =1500r∕min 5） 相数： m=3 6） 功率因数：cos?=0.9 7） 效率： η= 0.94 8） 冷却方式：空气冷却

2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：

（1）按所给定技术要求完成永磁同步发电机的电磁设计方案；

题目： 永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析

（2）用ANSOFT或ANSYS有限元法对发电机磁场进行仿真研究；

（3）说明书编制。 二、进度安排及完成时间：

2月27 日—— 3月 10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月11 日—— 3月 23日：毕业实习、撰写实习报告 3月24 日—— 4月 25日：毕业设计（电磁设计）

4月 26日—— 5月 20日：毕业设计（磁场有限元分析） 5月下旬：毕业设计中期抽查

5月21 日——6月1日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月2 日——6月9日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP

6月10 日——6月12日：毕业设计答辩

湖南工程学院毕业设计论文 前 言

随着现代工业的高速发展，能源的需求量也日益增加。电能作为现代工业中最重要的二次能源，也发挥着越来越重要的作用。而电机作为电能的生产者和主要的消费者，它的需求量在工业制造中占有很大的比例。电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这就是既可简化结构，又可以节约能量的永磁电机。

永磁同步发电机的应用领域广阔，功率大的如航空、航天用主发电机、大型火电机组用副励磁机，功率小的如汽车、拖拉机用发电机、风力发电机、小型水力发电机、小型内燃发电机组等都广泛采用各种类型的永磁同步发电机。

永磁电机的发展依赖于永磁材料等相关电机材料，从最初的永磁电机的诞生到近年来各种高性能永磁电机的出现，这正是永磁电机随着永磁材料的更新换代的过程。永磁电机的应用从最初的单一领域而发展到如今的国防、工农业生产和人们日常生活等更为广泛的应用领域；同时也随着各种现代化技术的日益成熟向着大功率化、微型化、多样化、高性能化等方向不断发展。

我国稀土资源丰富，“稀土不稀”，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的四倍左右，号称“稀土王国”。我国稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，因此充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

湖南工程学院毕业设计论文 目 录

摘 要.................................................. I Abstract .............................................. II 第1章 绪 论 ............................................ 1

1.1永磁材料发展概况 ................................... 1 1.2 永磁同步发电机显著优点 .............................. 1 1.3 永磁同步发电机的发展方向和前景........................ 2 第2章 永磁同步发电机结构和原理 ............................. 3

2.1永磁同步发电机结构.................................. 3

2.1.1 转子结构 ..................................... 3 2.1.2 定子结构 ..................................... 3 2.2永磁同步发电机原理及特性 ............................. 4

2.2.1 工作原理 ..................................... 4 2.2.2 运行特性 ..................................... 4 2.3 永磁同步发电机的设计特点 ............................ 6

2.3.1 永磁材料和转子结构的选择 ........................ 6 2.3.2 固有电压调整率和降低措施 ........................ 6

第3章 设计方案 ......................................... 8

3.1转子设计.......................................... 8

3.1.1永磁材料的选择 ................................ 8 3.1.2转子磁路结构 .................................. 8 3.2定子设计.......................................... 9

3.2.1定子铁心 ............................................... 9 3.2.2定子绕组形式 ................................. 10

第4章 电磁设计程序 ..................................... 11

4.1额定数据： ....................................... 11 4.2永磁材料的参数尺寸确定...................................... 11 4.3 转子结构尺寸: .................................... 13 4.4 定子绕组和定子冲片尺寸 ............................. 13 4.5 磁路计算 ........................................ 16

湖南工程学院毕业设计论文 4.6 电压调整率和短路电路计算 ........................... 22 4.7 损耗和效率计算 ................................... 23 第5章 磁场有限元分析 .................................... 25

5.1 有限元分析法和Ansoft软件介绍 ...................... 25 5.2电机的电磁仿真及设计优化 ............................ 25

5.2.1采用RMxprt进行路的方法计算 .................... 25 5.2.2 Maxwell2D 动态仿真和相关参数设置 ............... 36 5.2.3 动态性能曲线及分析 ............................ 37 5.2.4 结论 ....................................... 40

结束语 ................................................ 42 参考文献 .............................................. 43 致 谢 ............................................... 44 附 录

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （40）绕组节距：y?8

180?2oo180?8（41）短距系数：双层绕组Kp?sin（42）分布系数：

180sin2m? Kd?180qsin2mq?sin29?0.9848

180sin2?3?0.959 8180?3sin2?3??（43）斜槽因数：

?2sins2???s?20.349sin2?0.9949 0.349 Ksk?s斜槽中心角， ?s?tsk?1??1.273?3.143.14?14.6?4?0.349rad

tsk 斜槽宽距离，

?Di1Q?3.14?14.636?1.273cm

tsk?（44）绕组系数：

8??????0?.9949? 0. Kdp?kdkpks?k0.959?（45）预估永磁体空载工作点：b?m0?0.832 （46）预估空载漏磁系数：???1.122 （47）预估空载磁通：

????b?m0BrAm???3?10?4???????1.132?153??????10?4

?12.843?10wb（48）预估空载电动势： E0???1????UN?10??U?1?N??100?100????231?254?V

（49）绕组每相串联匝数：

N??E04.4fK4dp??0K?2544.44?50?0.9404?12.843?10- 14 -

?3???

?

?0.96?98.68

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （50）每槽导体数： Ns??aNpq?1??????2?3 （取16） ?16.4 4（51）实际每相串联匝数： N?pqNsa?2?3?16?961

（52）估算绕组线规：假设J??3.7A2?mm2 Acu?INaJ??12.0252?3.2m5m 1?3.7采用两根直径为1.3mm和一根直径为0.9mm三根并绕，绝缘后直径分别为1.41mm和1.0mm。

1.3??0.9?2总截面积：S?2??????????3.28mm

?2??2?22（53）实际电流密度： J?INaNtAcu?12.0252?3.666A1?mm

1?3.28（54）电负荷： A?QNSINa?Di1?2mNIN?Di1?2?3?96?12.0253.14?14.6?151.086A?cm

（55）定子冲片槽型设计：

图4-1 定子槽型

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 bs1?0.72cm,bs2?0.86cm,bs0?0.35cm,hs1?0.13cm,hs2?0.8cmhj??D1?Di122?(hs1?hs2?bs23)22?14.6?(0.13?0.8?0.86)?2.483cm33.14?14.636?1.273cm3.14??14.6?2?0.13?36

t??Di1Q?bt???Di1?2hs1?Q?bs1??0.68?0.616cm（56）槽满率：

槽面积

As?bs2?bs122hs2??bs283.14?0.68822

?0.86?0.72

?0.813cm2?0.8?槽绝缘占面积：

?bs2??Ai?Ci?2hs2??bs2?bs1?2????0.86???0.03?2?0.8??0.86?0.72?2???0.136cm2Cj?槽绝缘厚度，取0.03cm槽有效面积：Aef=As?Ai?0.813?0.136?0.6775cm槽满率：Sf=NsScuAef?100%?16???????0.6775????????????2

4.5 磁路计算

（57）计算空载磁通： ????0?E04.44fNKdpK??2544.44?50?96?0.9404?0.96?13.2?10?3Wb

（58）计算极弧系数（均匀气隙）： ?i??p?4???61??p?0.82?4?????????61?0.82?0.8643

（59）铁心有效长度（定，转子轴向长度相等）：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 ??2 lef?L1?2??170?.21cm7 .4（60）气隙磁密： B????0?i?l??10?ef413.?20.864?3T ?0.7711?.3917.410?3（61）气隙系数： K??t(4.4??0.75bs0)t(4.4??0.75bs0)?bs02?1.273?(4.4?0.2?0.75?0.35)1.273?(4.4?0.2?0.75?0.35)?0.352?1.092

（62）气隙磁位差： F??2B?????0?10?2?2?0.77?0.2?1.092????10?7?10?2?2677.83A

（63）定子齿磁密： Bt?B?tlefbtKFeL1?0.7?71.27?30.61?617.4?1.714T 0?.9517（64）定子齿磁位差：

21.0?73 Ft?2Htht?2?115.?24A

Ht取115.2A?cm ht取1.073 （65）定子轭磁密： Bj???02L1KFehj??13.2?10?3?1042?17?0.95???????1.646T

（66）定子轭磁位差：

?42?.1 Fj?2CjHjlj?2?0.327?.662A

Hj-定子轭磁场强度取42.1A?cm

Cj-考虑轭部磁通密度不均匀而引入的轭部磁路长度校正系数，取0.32 lj-定子轭磁路计算长度： lj???D1?hj?4p????22?2.4?834?2?7.6cm 6（67）极靴平均磁密： Bp????0?1???0?2?p?Lp?10?4???????1??13.2?10?32?0.77?11.39?17?10?0.944T

Lp-极靴轴向长度17cm

（68）极靴磁位差：

3 Fp?2Hplp?2?1.06?

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4?.81A 0

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 Hp查表取1.063A??cm lp取4.8cm

（69）磁性衬套平均磁密：对于切向式结构，Bh?0T （70）磁性衬套磁位差： Fh?2Hhlh?0A （71）总磁位差：

?F?F?F?F?F?F?tjph24?7.22?06.3 9 ?2677.8?3?3141.6A25（72）主磁导： ?????0??10??4.201?6F3141.625?????hmp?r?0Am?613.?2?3?61H 0?102 主磁导标幺值：

4.2016?10?21.052?4?3.14?10?7

?153?4.1566（73）漏磁导（利用电磁计算而得到）：

?6?1H0 ???0.389 漏磁导标幺值： ?????hmp?r?0Am?10?0.389?102?6?21.052?4??10?7?153?10?0.3848

2（74）外磁路总磁导：

?6 ?n???????4.201?61?00?.389??610?4.5H 906?610 外磁路总磁导标幺值：

?6 ?n???????4.1440.3?848 4（75）永磁体空载工作点：

bm0??m0??n?n?11?n?1??4.52944.5294?11???????1?0.8191

hm0?fm0?

?0.18085（76）空载漏磁系数： ?0?bm0bmo?h0?m??0.81910.819?10.1?8085?1.192 850.3848（77）空载气隙磁通：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 ??0??bm0?hm?BrAm?100???4 ??0.8191?0.18085?0.3848??1.132?153?10?4

?12.981?10wb?3?

???????????100%?13.001?12.98112.981??0.154%?1%（通过）

（78）空载气隙磁密： B?0???0?i?lef?10?412.981?10?30.8643?11.39?17.4?10?0.7578T

4（79）空载定子齿磁密： Bt0?B?0tlefbtKFeL1?0.7578?1.273?17.40.616?0.95?17?1.603T

（80）空载定子轭磁密： Bjo???02L1hjKFe?10?4???????10?32?17?2.483?0.9?10?1.62T

4（81）绕组平均半匝长：

Lav?L1?LE?17?15.75?32.75cm LE-线圈端部平均长，取15.75cm

（82）每相绕组电阻： R1?2?cuLaNvaNtAcu?2?0.2?171??3?2.7596?0.41?5

2?1.3?26?10?.636?31?0 ????cu????????mm2?cm

（83）槽比漏磁导：

?s??1?2h1k1h3h5??0.31???k0.985????2? 4?3?d2?b?b?d1b0????1.478（84）端部比漏磁导：

q?E?0.34?LE?L10.??6?4 ?0.34??0.5563?8?15.75?0.64?11.39???17?9?

（85）差漏磁导：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 5?5?0.2?0.8?25?0.35?4?0.20.35 ?d??pbs05?4?bs0 220.3（86）齿顶比漏磁导：

?t??tmax???b2???tminb2??1.154

?tmax??tmin??t?bs0?4??1.273?0.354?0.2

?1.154（87）总漏磁导系数：

????s?E??d??t1?.4?780?.556?0.322? ?1.15（88）每相绕组漏抗：

f?X1?15.5?100?N?L1????100pq?2210?2

50??15.?5?100??0.71?039617??2?3.?51 10?10?0?23 每相绕组漏抗标幺值： X1??X1INU???0.710?323112.025?0.03 7（89）每极电枢磁动势：

5 Fa?0.4mNKdppIN?0.?45?96?0.94043??????????????A 2（90）交轴电枢反应电抗：

?p??sin?p??Kaq?23?p?cos2?0?.?8?22si?n?0?.8234sin0.?8?20.8??2cos2?0.579?p?4sin2Xaq?2FaKaEq0IN?F?2?732.?7712.02?50?.579254?5.70 53141.625（91）交轴同步电抗：

Xq?X1?Xaq?0.7103?5.864?6.5743? 交轴同步电抗标幺值： X?*qXqINU?N?6.574?323112.025=0.34 1 - 20 -

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （92）内功率因数角：

?N?arctanU?Nsin???NXqU?Ncos???NR1?40.17o

?arctan

231?0.436????????6.5743231?0.9?12.025?0.415 （93）每极直轴电枢磁动势：

Fad?0.4m5NKdppKadINs?iNn1?2.025o ?0.4?5?396?0.9404?0?.812s in40.17?382.8A74 Kad??p??sin?p??p?4sin2?0.8?2?sin?0.82?0.8 10.8?24sin2 每极直轴电枢磁动势标幺值： fad?2FadHchmp?10?1?2?382.874856.54?2?10?1?0.0447

（94）主磁体负载工作点：

bmN??mN??n?1?f?n?1?nf?1?n?10.04471.09285???????????1?0.0414?4.5294?1?0.7852 hmN?fmN?f??????????0.0414?14.5294?1?0.2147

fad?0??0.0409 （95）额定负载气隙磁通：

??N??bmN?hmN???BrAm?10?4 ??0.7852?0.2147?0.3848??1.132?153?10?4

?12.1684?10?4wb （96）负载漏磁系数： ?N?bmNbmN?hmN???0.78520.7852?0.2147?0.3848?1.1176

（97）负载气隙磁密： B?N???N?i?lef?10=412.1684?10-3???????11.39?17.4?10=0.7103T

4 （98）负载定子齿磁密：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 BtN?B?NtlefbtKFeL1?0.7103?1.273?17.40.576?0.93?17?1.727T

（99）负载定子轭磁密：

BjN???N2L1hjKFe?10?4????????10?32?17?2.483?0.93?10?1.549T

4（100）直轴电枢反应电抗：

Xad?4.44fNKdpK?INsin?N???0?????o ?4.44?50?96?0.9549?0.9612.025?sin40.7?12.981?10?3?12.1684?10?3?

?2.015?直轴电枢反应电抗标幺值：

Xad??XadINU?N?2.015?12.025231?0.1048

（101）直轴同步电抗：

? Xd?X1?Xad?0.71032.0?152. ?7253 直轴同步电抗标幺值： Xd??XdINU?N?2.7253?12.025231?0.1418

4.6 电压调整率和短路电路计算

（102）空载励磁电势：

E0?4.44fNKdp??0K??4.44????96?0.9404?0.96?12.981?10?3

?249.75V（103）额定负载时直轴内电动势：

Ed?4.44fNKdp??NK??4.44????96?0.9404?12.1684?10?225.06V?3?0.96

（104）输出电压：

1222222U??Ed?IN?R1sin??X1cos???INXaqcos?N??IN?R1cos??X1sin????122222o2??225.06?12.025?0.415?0.436?0.7103?0.9??12.025?5.864?cos40.17???22?12.025?0.415?0.9?0.7103?0.436??231.02V

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （105）电压调整率：

?U?E0?UU?N?253.6?231.02231?100%

?9.7%?10%(通过)（106）短路电流倍数：

Ik??4.44??n????fNKdpBrAm??4.44fNKdp?1?????nf?BrAm??1??n?K?INR?X1?Xaqcos?k21222 =7.674

（107）永磁体最大去磁工作点:

fk?Ikf?20.1?0.0277?0.556??? bmh??mh??n?1?fk?n?1???????????1?0.556????????1?0.364

hmh?fmh?1?bmh?1?0.364?0.6364.7 损耗和效率计算

（108）定子齿质量：

mt?QL1KhtbtFe?Fe?10?2.74Kg?3 ?36?17?0.93?1.072?0.576?7.8?10?3

（109）定子轭质量：

mj???D1?hj?hjL1KFe?Fe?10?3 ?3.14??22?2.483??2.483?17?0.93?7.8?10?3

?18.765Kg（110）齿部单位铁耗：pt?6.82W （111）轭部单位铁耗：pj?5.09W （112）定子铁耗：

pFe?ktptm?t?6.?82 ?2.5?234.W74kjpjm2?.7?4j2?5.09

（113）定子绕组铜耗：

22R1?1?3?12.025????????????? pcu?kemIN（114）机械损耗：pfw?70W （115）杂散损耗：

?1?0 ps?1.5pNcos??1?.5?71.05?0.9W1 25 - 23 -

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （116）总损耗： ?p?pFe?pcu?pfw?ps ?237.7?4?552.W9412?0.2?7 0（117）效率

??p???1?3PN?10????552.94????100%p??? ??1?3??100% ????10?552.94???93.1%

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析

第5章 磁场有限元分析

5.1 有限元分析法和Ansoft软件介绍

磁场有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单的、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解，然后得到各节点的磁位，进而得到相应的磁场量。

稀土永磁电机的永磁体具有很高的磁能、单位体积的力能指标高、电磁负荷高、电机尺寸小等优点得到越来越快的发展。传统的电机设计过程是采用磁场耦合法对电机磁场进行计算，但是这种方法在稀土电机设计中存在难以得到准确的磁路计算结果、设计结果和实际的电机相差比较大、研发周期长、成本高等缺点。随着数据计算和仿真技术的不断发展，采用磁路法和有限元方法相结合对电机的电磁场进行分析和计算，可获得更加准确的计算结果，同时可以缩短研发周期和节约成本。

本文利用Ansoft公司最新版的Maxwell 2D仿真软件建立永磁同步发电机的模型，它结合了基于磁路法设计旋转电机的Rmxprt软件和基于有限元法的电磁场计算软件Maxwell12。本发电机在其他参数不变的情况下，通过改变永磁体磁化方向长度和气隙大小进行分析，并通过两个软件进行仿真对比，从而使得电机的设计更结合理。

根据永磁同步发电机的设计指标，首先通过Ansoft中的Rmxprt软件进行电机设计仿真和优化，它能快速提供基于磁路法的分析结果，然后观察电机主要参数对磁密和电机特性的影响，相应调整电机尺寸和绕组结构得到最佳电机设计方案。本设计要求的额定功率为7.5KW，额定转速为1500r∕min，极对数2，频率50Hz，效率94%。

5.2电机的电磁仿真及设计优化

5.2.1采用RMxprt进行路的方法计算

1.建立项目

启动Maxwell Control Panel 进入Maxwell控制板建立所设计电机项目，本设计项目名为YCTF，如图5.1所示。

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析

图5.1建立项目

2.输入数据

1）输入基本数据

功率7.5Kw、功率因数0.9、电压400V、极数4、频率50Hz、摩擦损耗70W、工作温度75oC、连接方式Y 以及仿真类型。

图5.2 基本数据的输入

2）输入定子铁心数据

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 定子外径220mm、内径146mm、槽数36、斜槽数1以及槽型尺寸。

图5.3定子铁心数据的输入

3）输入定子绕组数据

铁心长度170mm、叠压系数0.93、定子冲片型号M19-24G、并联支路数1、每槽导体数32、节距8以及绕组形式。

图5.4定子绕组数据输入

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 4）输入转子数据

气隙长度2mm、转子内径40mm、转子铁心长175、转子冲片叠压系数0.93、冲片型号M19-24G、永磁体牌号N35H、永磁体尺寸以及转子结构类型。

图 5.5转子数据的输入

3通过Rmxprt窗口中Run∕Analytical Design操作运行所输入的参数，输出数据、图形和曲线如下： （1）输出数据：

PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR DESIGN File: d:/仿真软件/maxwell/default/yctf.pjt/yctf.res GENERAL DATA

Rated Output Power (kW): 7.5 Rated Power Factor: 0.9 Rated Voltage (V): 400 Number of Poles: 4 Frequency (Hz): 50

Friction and Wind Loss (W): 70 Rotor Position: Inner Operating Temperature (C): 75 Type of Circuit: Operation Type:

S3

Individual Machine

Domain: Frequency STATOR DATA

Number of Stator Slots: 36

Outer Diameter of Stator (mm): 220

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 Inner Diameter of Stator (mm): 146 Type of Stator Slot: 2

Dimension of Stator Slot

hs0 (mm): 1 hs1 (mm): 1.3 hs2 (mm): 8 bs0 (mm): 4 bs1 (mm): 7.2 bs2 (mm): 8.6

Top Tooth Width (mm): 5.94233 Bottom Tooth Width (mm): 5.93859 Skew Width (Number of Slots): Length of Stator Core (mm): Stacking Factor of Stator Core: Type of Steel: M19-24G

1 174 0.93

Slot Insulation Thickness (mm): 0.3 End Length Adjustment (mm): 0 Number of Parallel Branches: 1 Number of Conductors per Slot: 32 Type of Coils: 22 Average Coil Pitch: 8

Number of Wires per Conductor: 2 Wire Diameter (mm): 0.85

Wire Wrap Thickness (mm): 0.09 Stator Slot Fill Factor (%): 71.9001 Coil Half-Turn Length (mm): 338.724 ROTOR DATA Minimum Air Gap (mm): 2 Inner Diameter (mm): 40 Length of Rotor (mm): 175 Stacking Factor of Iron Core: 0.93 Type of Steel: M19-24G Shaft Diameter (mm): 33

Mechanical Pole Embrace: 0.820072 Electrical Pole Embrace: 0.863649

Max. Thickness of Magnet (mm): 20 Width of Magnet (mm): Type of Magnet: n35h

45

Type of Rotor: 4

PERMANENT MAGNET DATA Residual Flux Density (Tesla): Coercive Force (kA/m): 923

Maximum Energy Density (kJ/m^3): 282 Relative Recoil Permeability: 1.049 Demagnetized Flux Density (Tesla):

1.22

0.457872

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Recoil Residual Flux Density (Tesla): 1.21891

永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 Recoil Coercive Force (kA/m): 924.696 MATERIAL CONSUMPTION Armature Copper Density (kg/m^3): 8900 Permanent Magnet Density (kg/m^3): 7800 Armature Core Steel Density (kg/m^3): 7650 Rotor Core Steel Density (kg/m^3): 7650 Armature Copper Weight (kg): 3.94136 Permanent Magnet Weight (kg): 4.914

Armature Core Steel Weight (kg): 21.7192 Rotor Core Steel Weight (kg): 13.0731 Total Net Weight (kg): 43.6476 Armature Core Steel Consumption (kg): 41.1189 Rotor Core Steel Consumption (kg): 20.5593 STEADY STATE PARAMETERS Stator Winding Factor: 0.818579

D-Axis Reactive Reactance Xad (ohm): 1.61566 Q-Axis Reactive Reactance Xaq (ohm): 6.36334 D-Axis Reactance X1+Xad (ohm):2.92832 Q-Axis Reactance X1+Xaq (ohm):7.676 Armature Leakage Reactance X1 (ohm):

1.31266

Zero-Sequence Reactance X0 (ohm): 0.697265 Armature Phase Resistance R1 (ohm): 2.48702 NO-LOAD MAGNETIC DATA Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 1.95904 Stator-Yoke Flux Density (Tesla): 1.8975 Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): 0.881674 Air-Gap Flux Density (Tesla): 0.830289 Magnet Flux Density (Tesla): 0.929284 Stator-Teeth Ampere Turns (A.T): 348.031 Stator-Yoke Ampere Turns (A.T): 359.938 Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T): 2.03805 Air-Gap Ampere Turns (A.T): 1486.68 Magnet Ampere Turns (A.T): -2197.17 Leakage-Flux Factor: 1

Correction Factor for Magnetic

Circuit Length of Stator Yoke: 0.14865 Correction Factor for Magnetic

Circuit Length of Roor Yoke: 0.591888 Fundamental Induced Voltage (V): 454.508 THD of Induced Voltage (%): 1.2048 Cogging Torque (N.m): 1.99316e-011 FULL-LOAD DATA Load Resistance (ohm): 51.84 Load Inductance (H): 0.0799189 Load Line Voltage (V): 403.537 RMS Line Current (A): 6.98175

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 RMS Phase Current (A): 6.98175

Armature Thermal Load (A^2/mm^3): 107.875 Specific Electric Loading (A/mm):17.5353

Armature Current Density (A/mm^2): 6.15186 Friction and Wind Loss (W): 70 Iron-Core Loss (W): 122.651 Armature Copper Loss (W): 363.688 Total Loss (W): 556.34 Output Power (W): 7508.67 Input Power (W): 8065.01 Efficiency (%): 93.1018 Apparent Power (VA): 8452.4

Synchronous Speed (rpm): 1500 Rated Torque (N.m): 51.3434 Short Circuit Current (A):

58.2215

WINDING ARRANGEMENT

The 3-phase, 2-layer winding can be arranged in 18 slots as below: AAAAAABBBBBBCCCCCC Angle per slot (elec. degrees): Phase-A axis (elec. degrees): 130 First slot center (elec. degrees):

0

TRANSIENT FEA INPUT DATA For Armature Winding: Number of Turns: 192 Parallel Branches: 1 Terminal Resistance (ohm):

2.48702 20

End Leakage Inductance (H): 0.00115424 2D Equivalent Value:

Equivalent Air-Gap Length (mm): 174 Equivalent Stator Stacking Factor: 0.93 Equivalent Rotor Stacking Factor: Equivalent Br (Tesla): 1.22591

0.935345

Equivalent Hc (kA/m): 924.696

Estimated Rotor Inertia (kg m^2): 0.0544861

Ansoft中RMxprt模块是基于传统电机设计方法（路的计算方法）而进行的电磁设计参数优化，仿真输出主要参数如下：

（线电压）Load Line Voltage (V): 403.537 （线电流）RMS Line Current (A):

6.98175

（相电流）RMS Phase Current (A): 6.98175 （输出功率）Output Power (W): 7508.67 （功率因数）Power Factor: 0.888347

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 （效率）Efficiency (%):

93.1018

从以上参数可以看出电磁设计中的各项指标已达设计任务书的全部要求，已达最优电磁设计的目的。 （2）图形：

图 5.6定∕转子截面图

上图中为RMxprt运行后自动生成的电机定∕转子横截面图。 点击view∕winding layout显示

图 5.7各相线圈分布图

图中真实地反映了定子绕组在定子槽中所放置的顺序，即各相绕组排列方式。 （3）输出曲线：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 在Asoft∕RMxprt的Performance Curves能清晰的查看所设计电机中各参数随着电角度变化的曲线：

图5.9空载下气隙磁通波形

从图中可以看出气隙磁密的波形为平顶波，其所含有大量奇次谐波磁通。

图 5.8空载额定转速下每匝线圈感应电势波形

图中红色的曲线为槽中每根导体所感应出来的电势曲线。红色所反映的为每匝线圈所感应的电势波形，其中也含有各种奇次谐波。

从以上两张图形的曲线可以清晰的看出空载下各匝线圈的感应电势的波形和空载气隙磁通的波形基本是相似的，空载磁通在定子线圈中感应出与其同相位的感应电势；

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 但是每匝线圈中的电势波形畸变率非常大，通常采用分布和短距的绕组形式能有效地消除感应电势的奇次（主要是5次和7次）谐波。

图5.10空载额定转速下每相绕组感应电势波形

由图可以看出在每相绕组均采用短距和分布的绕组形行可以明显的消弱各匝线圈感应电势的各奇次谐波，使之接近于正弦波以满足负载对输出电压波形的要求。

图5.11负载下各相绕组电流波形

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 当发电机带额定三相对称负载运行时各相电流波形为上图所示；图中黄、绿、红分别为A、B、C三相的负载电流波形，其中B相滞后于A相120度电角度、C相滞后于B相120度电角度。

图5.12负载下线∕相电势波形

（4）建立Maxwell2D几何模型

点击下拉菜单Analysis∕View Geometry，弹出2D Modeler窗口显示如下：

图 5.13电机2D几何模型

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 5.2.2 Maxwell2D 动态仿真和相关参数设置

（1）创建二维电磁场Maxwell2D项目（Creat Maxwell2D Project）：

点击下拉菜单Post Process∕Create Maxwell 2D Project, 弹出Creat Maxwell 2D Project 窗口。分别在Project Name和Path栏中输入项目名称和路径，点击Creat完成Maxwewll2D项目的创建。

（2）几何模型的设置(Set Up the Geometry)：

用Maxwell2D Control Panel 打开已创建的2D项目2DFZ，出现Maxwell2D的主窗口（如下图4-15）。

图 5.14 Maxwell2D项目

（3）设置材料特征(Setup Materials)：

点击Setup Material，进入材料管理窗口加入新的非线性铁磁材料M19-24和新的永磁材料N35H及相关结构组件的材料属性。

（4）设置边界条件和激励源（Setup Boundary∕Sources）：

点击Setup Boundary∕Sources 进入2D Boundary∕Source manager 窗口；分别定义主边界、辅助边界和设置定子绕组参数、定子外径边界值、外部电路。 （5）设置参数：

设置铁心损耗参数，选择铁心牌号为M19-24G，并导入其磁滞损耗曲线。 （6）设置求解条件：

a 对自动生成的有限元网络剖分进行局部细化； b 设置动态分析的有关选项； c 运动关系设置。 （7）求解：

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析 点击下拉菜单命令Solve∕Nominal Problem,开始进行有限元分析计算。在计算过程中，可以用REFRESH命令观察电压电流等相关动态曲线。

5.2.3 动态性能曲线及分析

（1）在Maxwell2D主窗口中，点击下拉菜单Post Process∕Transient Data ,弹出PlotData窗口和Open小窗口。

（2）在Open窗口中双击某项特性数据文件，PlotData窗口中绘出该特性的动态过程曲线图（仿真时间为0.06秒，时间步长0.001秒，输出曲线分别如下图所示）。

图 5.15 2D网络分割图

在Asoft∕Maxwell2D中基于有限元的分析思想将电机的气隙磁场进行二维建模，首先必须根据电机2D模型的边界对电机将磁场分割成有限个单位元，然后才能对所设计的电机磁场进行瞬态仿真和分析，最后输出电机的各个参数随时间变化的波形曲线。

在Maxwell 2D 软件运行的能对电机的各项性能指标进行验证和输出其随时间变化的曲线图，设置仿真求解条件时选择的步长越短，总仿真时间就越长，但是磁场计算的精度不会随仿真步长减断而增大。在本设计中所选取的运行步长为0.0001s,总仿真时间为0.06s（三个磁场周期）总的时间为三个磁场周期。

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永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析

图 5.16绕组反电势波形

图中反映出定子绕组反电势，即电枢反应电势的波形为随时间变化的正弦波。

图5.17铁芯损耗随时间波形

电机的损耗从瞬态经过近一个周期的时间的衰变将趋于稳定状态，并随着时间周期变化，其变化的频率为电压∕电路的两倍。因为在电压∕电流交变一次，转子磁场转过

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hau5.html