当前位置:首页>> >>


基于ANSYS软件永磁电机的设计与仿真.rar

收藏

资源目录
    文档预览:
    编号:20181030002150385    类型:共享资源    大小:3.68MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
    尺寸:148x200像素    分辨率:72dpi   颜色:RGB    工具:   
    25
    金币
    关 键 词:
    基于 ANSYS 软件 永磁 电机 设计 仿真
    资源描述:
    科技学院 2011 届本科毕业论文基于 ANSYS 软件永磁电机的设计与仿真专 业:电子信息科学与技术指导教师: 肖清泉 学生姓名: 王银 学生学号: 072004110463 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ..............................................................................................................................IIIAbstract........................................................................................................................IV第一章 绪论 ................................................................................................................11.1 永磁电机及其分类 ..............................................................................................11.1.1 永磁电机的发展及应用 .............................................................................11.1.2 永磁电机的分类 .........................................................................................21.2 永磁材料的性能及种类 ....................................................................................31.2.1 永磁材料的主要性能参数 .........................................................................31.2.2 永磁材料的种类 .........................................................................................51.3 永磁电机的控制方法 ........................................................................................61.4 课题研究意义 ....................................................................................................7第二章 设计原理 ........................................................................................................82.1 ANSYS 软件介绍 ..............................................................................................82.1.1 ANSYS 软件的简介 ...................................................................................82.1.2 ANSYS 对磁场分析的基本步骤 ...............................................................82.1.3 ANSYS 在使用须注意的问题 ...................................................................82.1.4 ANSYS 软件理论以及在电磁仿真中的应用 ...........................................92.2 永磁电机的基本结构及其工作原理 ..............................................................10第三章 永磁电机控制系统模型建立及分析 ..........................................................123.1 三相静止坐标系的永磁电机数学模型建立 ..................................................123.2 永磁电机的矢量控制 ......................................................................................143.2.1 坐标变换 ...................................................................................................143.2.2 电流控制/最大转矩 ..................................................................................163.2.3 电压、电流限制 .......................................................................................173.3 电流解祸补偿模块 ..........................................................................................183.4 永磁电机控制系统模型的建立 ......................................................................203.3.1 永磁材料的确定 .......................................................................................21贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页第四章 永磁电机 ANSYS 软件仿真 .......................................................................234.1 仿真电机的介绍 ..............................................................................................234.2 NSYS 软件仿真前的设置 ...............................................................................234.3 仿真结果 ..........................................................................................................254.4 参数计算 ..........................................................................................................27第五章 总结 ..............................................................................................................29参考文献 ......................................................................................................................30致谢 ..............................................................................................................................31 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页基于 ANSYS 软件永磁电机的设计与仿真摘要永磁电机是一种很有发展潜力的高效节能动力装置,在工业生产和日常生活的诸多领域中正日益得到广泛的应用。在我国大力提倡节能减排的宏观背景下,开发和研究新型的高效节能永磁电动机,降低用电设备的耗电量,不仅符合国家的宏观政策导向,而且具有良好的社会和经济效益。本文首先介绍了 ANSYS 电磁场分析软件在永磁电机磁场分析中的应用。由于该软件的方便性和灵活性,使得电磁场分析变得相当简单 。所以本文在电机仿真中也采用该软件。其次,本文以永磁电机控制系统为研究对象,首先分析并建立了永磁电机基于三相静止坐标系的数学模型,在此基础上详细阐述了定子电流矢量的最优控制方式及电压空间矢量调制(SVPWM)技术的原理、实现方式等。最后,利用 ANSYS 软件对永磁电机控制系统模型进行了仿真,仿真模型采用永磁电机中较为简单和普遍的直流电机模型,通过对仿真结果的分析和计算,优化了永磁电机的设计参数。关键词:ANSYS 软件;永磁电机;仿真贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页The Design and Simulation of Permanent Magnet Motor Based on ANSYS SoftwareAbstractPermanent magnet motor is a promising energy efficient power unit, it is widely used in industrial production and many fields in our daily life. Under the background of energy conservation and emission reduction which is energetically advocated in our country, the development and research of new energy-efficient permanent magnet motor reduces the consumption of electrical equipment, it is not only conform to the national macro policy orientation, but also has good social and economic benefits.Firstly, this paper introduces the application of electromagnetic analysis software ANSYS in permanent magnet motor magnetic field analysis. Owing to the convenience and flexibility of this software, electromagnetic ficld analysis became quite simple. So this paper also uses this software in motor simulation.Secondly, in this paper, permanent magnet motor control system as the research object to study, at first, this paper analyzes and establishes permanent magnet motor based on mathematical model of three-phase static coordinate system, on the basis of it to explain the optimal control method of stator current vector and the technology principle and realization method of voltage space vector modulation (SVPWM) .etc.Finally, making use of ANSYS software to simulate the model of permanent magnet motor control system, the simulating model uses simpler and more universal DC motor model, through the analysis and calculation of simulation results to optimize the design parameters of permanent magnet motor.Keywords: ANSYS software,Permanent magnet motor,Simulation.贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 永磁电机及其分类1.1.1 永磁电机的发展及应用所谓永磁电机是建立在以永磁体励磁磁场基础上,实现机电能量转换的装置,而且它与电励磁同步电机以同步速旋转,即也称为永磁同步电机。永磁同步电机,特别是电励磁同步电机与稀土永磁同步电机相比,具有重量轻、结构紧凑和体积小等特点,并且永磁电机的结构和尺寸形式灵活多样,可以拓扑出很多种结构形式。永磁电机取消了电励磁系统,从而使得电机结构简化,运行可靠,并且提高了电机效率。永磁电机的发展与永磁材料是密切相关的。1821 年英国科学家法拉第发明世界上第一台电机模型,他利用天然永磁磁铁建立磁场,然后给放在磁场中的导线通以直流电,然而导线能够围绕永磁磁铁不停的转动,这可以说是永磁电机的雏形。1831 年法拉第在发现电磁感应现象之后不久,他就利用该原理发明了世界上真正意义上的第一台电机——法拉第圆盘发电机,其结构是把紫铜圆盘放在蹄形永磁体的磁场中,圆心和圆盘的边缘分别紧贴一个电刷,在用导线分别把电流表和电刷相连,当转动圆盘中心处的固定摇柄时,电流表指针往一边偏向,电路中将产生持续的电流。该年的夏天,亨利通过改进法拉第的电机模型,制成了一个简单的永磁振荡电动机模型。以上电机均采用了永久磁铁来建立磁场,而早期的永久磁铁大多采用天然的低磁性能磁铁矿石来做,造成电机性能较差、体积庞大。1845 年英国的惠斯通用永久磁铁来代替电磁铁,并在 1857 年发明了自励电励磁发电机,开创了电励磁方式的新纪元。电励磁方式能够在电机中产生足够强的磁场,从而使的电机重量轻、性能优良、体积小,在随后的几十年内,电励磁电机迅速在技术和理论得到发展,然而在电机中永磁励磁方式却较少应用。20 世纪 50 年代,随铁氧体和铝镍钴永磁材料的出现及性能提高,不断的出现各种不同种类得微型永磁电机,在日常生活、军事工业、工农业生产中都得了相应的应用。但磁能积较低的铁氧体和铝镍钴永磁材料,导致永磁电机体积大、性能低,永磁电机发展受到了限制。1967 年出现了钐钴永磁材料,开创了永磁电机发展的新纪元,钐钴永磁材料价格昂贵、性能好,各国研究开发的重点是要求高性能而价格不是主要因索贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页的高科技领域和航空航天用电机。在 20 世纪后期,德国 AEG 研制的用于调速系统的4 极、3.8MW 永磁同步电动机,西门子公司生产的用于舰船推进的 1.1MW、6 相、45kN·m、230r/min 的低速大转矩永磁同步电动机。在 1983 年价格相对较低而磁性能更高的钕铁硼永磁材料问世后,国内外研究开发的重点转移到民用和工业电机上。其中,高效钕铁硼永磁同步电动机相比同规格的感应式异步电动机在它 25%~120%额定负载范围内可保持较高的功率因数和效率,使轻载运行时节能效果更为显著。因此,油田抽油机在近十年里应用较为广泛,是中小型钕铁硼永磁同步电动机应用较为成功的例子。这类永磁电机通常在转子上设置起动绕组,具有在某一电压和频率下直接起动的能力,因而称为异步起动永磁同步电动机。对于 100kW~1000kW 的大功率同步电动机来说,异步起动永磁同步电动机省去了励柜,对比电励磁同步电动机不仅成本增加不多,而且简化了结构、提高了效率,因此成为它的又一重要应用场合,以 8 极 110kW 永磁电机为例,其功率因数为 0.916,永磁体用量为 0.15kg/kW ,效率达 95%。由变频器供电的调速永磁和无刷直流同步电动机加上转子位置闭环控制系统后,在要求高可靠性和高控制精度的场合,如数控机床、航空航天、电动汽车、机器人和计算机外围设备等方面都得到了广泛应用。另外,在特殊结构的永磁电机中,如无槽电机、无铁心电机、音圈电机、盘式电机等在计算机、航天工程、电动汽车和要求精确定位控制的场合都得到了广泛应用。随着钕铁硼永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低,钕铁硼永磁电机在工农业生产、日常生活和国防等方面得到了更为广泛的应用,大转矩化、正向大功率化、高功能化和微型化方向发展,目前最低转速低于 0.01r/min,最高转速已超过 300000r/min,轴向长度只有1.2mmu,最小电机外径只有 0.8mm [1-3]。1.1.2 永磁电机的分类常规的永磁同步电动机分为以下 4 类:异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁(有刷)直流电动机。永磁直流电动机与普通直流电动机相比,结构上取消了磁极铁心和励磁绕组,取而代之是以永磁磁极,具有效率高、重量轻、结构简单、体积小等特点。永磁直流电动机多为微型电机,在汽车电气、家用电器、电动玩具中得到了广泛应用,其中尤以在汽车电气中的应用发展最快,在高级轿车中可使用几十台微型承磁直流电动机。调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机它们在结构上基本相同,在转子上装有永磁贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页体,定子电枢为相绕组,这两种电机的主要区别在于调速永磁同步电动机是由正弦波电流驱动的永磁无刷电动机,而永磁无刷直流电动机是由方波电流驱动的永磁无刷电动机,它们具有体积小、可靠性高、重量轻、散热好等优点。异步起动永磁同步电动机的特点是转子上有起动作用的整体铁心或具有起动绕组,能够自起动,在接入市电情况下便能够起动运行不在需要控制系统。调速永磁同步电动机具有多样转子结构形式,其中主要有三种结构形式分别为永磁体表面凸出式、表面插入式和内置式。如图 1.1 所示。在采用稀土永磁材料制作的永磁体情况下,由于稀土永磁材料的相对回复磁导率接近于空气的磁导率,因此图 1.1(a)所示转子结构的交轴磁阻与直轴磁阻近似相等,于是该结构的交、直轴电感近似相等,表现出隐极电机的特性。而另外两种结构的交轴磁阻要小于直轴磁阻,因而交轴电感大于直轴电感,表现出凸极电机的特性。调速永磁同步电动机的定子一般采用三相对称的分布式短距绕组,以得到接近正弦波的相电动势,并采用定于斜槽或转子斜极等措施来降低齿槽振动、噪声、和转矩。图 1.1 转子结构图1.2 永磁材料的性能及种类1.2.1 永磁材料的主要性能参数永磁材料是一种经外部磁场饱和充磁后,无需外部能量而可以持续提供磁场的特殊材料,也称为硬磁材料。永磁材料的磁滞回线较宽,可用磁滞回线的第二象限部分描述永磁材料的特性,称为退磁曲线 [4-5],如图 1.2 所示。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页图 1.2 永磁材料退磁曲线在上图的坐标系下,永磁材料中的磁场满足(1-0BHM1)式中 。 为真空的磁导率;M 为单位体积内磁矩的矢量和,称-70=41/m/为磁化强度( )。可以看出,在永磁材料 B 有两个分量,即与真空中一样的 和A/ 0H磁化后产生的分量 , 称为内禀磁感应强度,用 表示。由式(1-1)可推知,内00i禀磁感应强度与磁感应强度之间满足如下关系式(1-0iBH2)由上式决定的曲线 称为内禀退磁曲线。()if永磁材料有以下几项主要的性能参数:1、表观剩磁:当永磁体两端开路时,外磁路具有较大的磁阻,相当于对永磁体产生了一个退磁场,这个退磁场的方向与材料内的磁感应强度方向相反。此时,永磁体表现出来的磁感应强度不是 B,而是退磁曲线上低于 的某一点 D 所对应的磁感应强度,rB如图 1.2 所示,称为表观剩磁 。D2、剩磁密度、矫顽力和内禀矫顽力:从图 1.2 可以看出,当磁场强度 B 为零时,磁贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页感应强度 H 不为零,而是一个较大的值,称为剩余磁感应强度 (或剩磁密度),用 表rB示。当磁感应强度 B 为零时,H 不为零而是 , 称为矫顽力。同理,使内禀磁感cH应强度 降低至零所需的磁场强度称为内禀矫顽力,用 表示内禀矫顽力较高的稀土i cj永磁材科来说, 和 有较大的差别,而 更能表征材料保持磁化状态的能力。cj cj3、最大磁能积:永磁体通常是在去磁情况下工作的,退磁曲线上任何一点代表一个磁状态,该点 H 和 B 乘积代表了该磁状态下永磁体所具有的磁场能量密度,称为磁能积。如图 1.2 所示,退磁曲线上存在一点 d,该点的磁感应强度 和磁场强度 的乘dBdH积有最大值,称为最大磁能积,用 表示。最大磁能积越大,永磁材料性能越好。maxBH从理论上讲,在进行磁路设计时,将永磁体的工作点设计在最大磁能积点时,可用最少的永磁体得到所需要的磁场。4、最高工作温度:将规定尺寸的永磁材料样品加热到某一特定温度,保持 1000h,然后冷却到室温,其开路磁通不可逆损失小于 5%的最高保温温度,称为材料的最高工作温度。5、回复磁导率:当永磁体处于外加磁场中时,工作点 A 点当去掉外加磁场时,工作点不是沿着退磁曲线变化,而是到一个新的位置 ,如图 1.2 所示。如果循环地改'变外磁场,得到一个局部磁滞回线,由于其非常狭窄,故可用一条直线代替,称为回复线。回复线的斜率称为回复磁导率(1-tanrecBH3)与 的比值称为相对回复磁导率,用 表示。若退磁曲线为直线,则回复线rec0 r与退磁曲线重合。1.2.2 永磁材料的种类我国在公元前 2500 年就有关于天然磁石的知识,是世界利用磁性材料最早的国家,四大发明之一的指南针便是利用了天然磁铁的特性做成的。但是,直到 19 世纪末 20世纪初开始世界上才深入对永磁材料进行科学研究,永磁材料的发展可以分为以下四个阶段:第一阶段——基于碳钢的永磁材料、第二阶段——铝镍钴永磁材料、第三阶
    展开阅读全文
    1
      金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    0条评论

    还可以输入200字符

    暂无评论,赶快抢占沙发吧。

    关于本文
    本文标题:基于ANSYS软件永磁电机的设计与仿真.rar
    链接地址:http://www.gold-doc.com/p-254685.html
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
    [email protected] 2014-2018 金牌文库网站版权所有
    经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
    收起
    展开