外转子永磁同步电动机及计算机辅助设计.pdf

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广东工业大学硕士学位论文外转子永磁同步电动机及计算机辅助设计姓名：

赵娟申请学位级别：

硕士专业：

电机与电器指导教师：

黄开胜20100601摘要外转子永磁同步电动机是一种转子在外，定子在内，永磁材料放置在转子上的永磁同步电机。

经过近20年的发展，尤其是高性能永磁材料钕铁硼的发展和应用，永磁同步电动机越来越受到关注。

外转子永磁同步电动机既具有永磁同步电动机效率高、功率密度大、成本低、节能效果好等优点，又具有与同体积内转子永磁同步电动机相比又具有转子直径长，转动力臂大的优点，且外转子永磁同步电动机定子直径小，定子绕组端部接线短，省铜线，减少电动机的发热量，减小转子损耗，从一定程度上提高电动机整体效率。

外转子电机主要应用于驱动吊扇、曳引机和电动车等，最近也应用于驱动小功率风力发电机。

目前国内外对外转子电机的研究甚少，但作为一种结构特殊和有专门用途的小功率电机，外转子电机有较好的发展前景，很有必要研究和开发外转子电机。

目前有关电机设计的书籍、手册和文献资料甚少涉及到外转子电机这种特殊结构的电机，所以几乎没有成熟的可供借鉴的外转子电机的设计，这就需要开发人员针对它的特殊结构自行推导外转子电机的电磁计算公式，并编写设计程序，实现外转子电机的设计，并与已有设计程序对比，对已有设计程序进行补充完善。

本文介绍了研究外转子永磁同步电动机（ExternalRotorsPermanentMagnetSynchronousMotors，ERPMSM）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）系统的目的和意义以及国内外的发展现状，阐述了电机CAD技术的特点及其研究内容。

本文完成的工作主要包括：

讨论了外转子永磁同步电动机与内转子永磁电机结构的不同之处，介绍了外转子永磁同步电动机转子轭磁压降、计算极弧系数、定子谐波漏磁导等具体参数的计算方法，在此基础上整理和推导了外转子永磁同步电动机电磁计算的公式，并编写了外转子永磁同步电动CAD程序，开发出CAD系统。

系统采用Borland公司推出的一种面向对象的可视化编程工具C+Builder60开发完成，基于工程数据库管理，采用模块化结构设计。

最后通过一个20P、168KW的外转子永磁同步电动机的设计实例，将该CAD系统设计结果与前人设计的CAD系统设计结果进行了比较，证明了该CAD系统设计结果的可靠性和准确性。

所设广东t业大学工学硕上学位论文计I拘CAD系统将成为少有的专用于外转子永磁同步电动机设计的软件。

该CAD系统集电机电磁设计、电机设计方案与电机特性曲线输出为一体，界面友好，操作更加方便快捷，能有效地辅助电机设计人员进行ERPMSM的电磁设计。

关键字：

外转子；永磁同步电动机；C+Builder60；计算机辅助设计；参数计算IlAbstractABSTRACTExternalrotorpermanentmagnetsynchronousmotors（ER-PMSM）arepermanentmagnetsynchronousmotors（PMSM）whosepermanentmagnetmaterialsareinrotors，and晰thspecialstructureexternalrotors，internalstatorsAfternearly20yearsofdevelopment，especiallythedevelopmentofhighperformanceNdFeBpermanentmagneticmaterialsandtheirapplications，PMSMobtainmoreandmoreattentionER-PMSMnotonlyhastheadvantagesofPMSM，suchashighefficiency,powerdensity,lowcostandgoodenergysaving，butalsohastheadvantagesoflongerrotordiameterandlargerrotatingarmWhatismoreERPMSMhassmallerstatordiameter,shorterwindingsection，savingcopper,lessmotorheatandrotorlossescomparedtothestatorrotorPMSMintheSalTlevolumeItistosomeextent，improvingtheoverallefficiencyofelectricmotorsNow,externalrotormotorsaremainlyusedinhomeceilingfans，individualairmachinesandelectriccats，andithasnotyetbeenfullyutilized，SOthereislittleresearchButasasmallpowermotorwithspecialconfigurationandspecialusing，thereisgoodprospectindevelopmentSoitisnecessaryofresearchinganddevelopingexternalmotorTherealefewmotordesignbooksanddocumentliteraturesaboutexternalrotormotorsThereisnomaturereferencefordesigningexampleofexternalrotormotorsThedeveloperisrequiredtoderiveexternalrotormotordesigningforitsownspecialstructureandcompileprogram，comparewiththeexistingdesignprocess，andcomplementexistingdesignproceduresThispaperintroducesthepurposeandcurrentdevelopmentathomeandabroadofER-PMSMcomputeraideddesign（CAD）systemItdescribesthecharacteristicsofmotorCADtechnologyandtheresearchingcontentsThispaperdiscussesthedifferencesbetweenERPMSWandconventionalmotor,andproposesmethodstocalculateparametersofER-PMSW，suchasFjl，andEsTheER-PMSMIII广东工业大学工学硕上学位论文electromagneticcalculationformulaandanER-PMSMCADsystemarewrittenbasedonthatACADsystemwhichisusingCHBuilder60isdevelopedbasedonWindowsThroughanexampleof20P,168KWERPMSW,theCADsystemdesignresultsandpredecessorsdesignCADsystemdesignresultsarecompared，andthereliabilityandpracticalityoftheCADsystemisprovedTheCADsystemwillbeoneofthedesigningsoftwarewhichisdesignedspecificallyforER-PMSMTheCADsystemcombineselectromagneticmotordesigning，motordesigningandmotoroutputforthewholecurve，usevffiendly，anditCansupplymoreconvenientandefficientoperation，andeffectivelyassistmotordesignerstodesignERPMSMelectromagneticdesignKeywordsexternalrotor；permanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）；C抖Builder60；computeraideddesign（CAD）；parametercalculationIV第一章绪论皇皇!

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皇寰第一章绪论众所周知，能源短缺是当今世界面临的一大难题，事关全球的环境与人类的生存。

节能技术被世界公认为绿色技术，节能技术的研究及相关产品的开发将成为21世纪工业发展的象征和挑战。

世界各国的电机行业都在追求高效节能型电机。

高效率的电动机是节能技术的必需要求。

传统的三相鼠笼异步电动机是全球应用最广泛的电动机，但由于其高损耗、低功率因数和低效率的缺点，使异步电机受到严峻的挑战，如美国能源部已禁止生产高损耗的鼠笼式异步电动机。

在我国，目前三相异步电动机是生产机械最主要的原动机，其用电量占全国总用电量20以上，这些电动机拖动90以上以电为能源的运动机械。

根据国家经贸委的初步测算，我国企业能源和原材料消耗占企业成本的70左右，主要产品的单位耗能比国外先进水平高3090。

若降低一个百分点，就可带来节约成本100亿元的惊人效益。

我国如何面对这一挑战?

一方面需要提高我国石油生产量，另一方面需要提高能源的利用效率。

从“可持续战略的角度来讲，后者更为重要。

要提高使用效率，重要的一点是大力发展我国的高科技节能技术和产业【，】，而且我国是世界第一稀土大国，稀土的总储量约占全球稀土资源的80，钱学森院士曾指出：

“中国应该打好稀土这张牌。

社会主义中国一定可以成为世界稀土的领头人，犹如南非是金刚钻的霸主【2】。

高效节能“稀土永磁同步电动机就是在这种背景下得到越来越多的发展和应用。

永磁同步电动机不需电流励磁，不设滑环和电刷，体积小、重量轻、功率因数高、效率高、节能效果明显。

外转子永磁同步电动机是一种转子在外定子在内的永磁同步电动机。

其既具有永磁同步电动机转子损耗小，定子激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能效果好的优点，又具有转动惯量大、节省铜线、在不稳定负载下电动机的效率和输出功率高的优点，其功率因数可达99，效率达91以上。

因此，外转子永磁同步电动机的设计也备受关注。

电机设计是电机产品开发生产的重要阶段，准确可靠的电机设计是生产高性能电机的前提和保障。

电机计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）技术是指电机设计人员通过“人机界面与计算机进行“人机对话”式电机设计。

电广东T业大学T学硕士学位论文机CAD系统充分发挥计算机计算能力强、运算速度快及拥有逻辑判断功能等优势，使电机设计以数学模型为基础，利用计算机软、硬件的条件，结合电机设计人员的设计经验和综合分析能力，辅助设计人员进行电机设计，达到缩短电机设计周期、降低设计成本、提高电机设计的可靠性【3】。

11永磁同步电机的发展概况随着对稀土永磁体等永磁材料研究的进一步加深，永磁材料的性能不断得到提高，永磁发电机的性能也不断得到改善，其应用场合遍及航海、航空航天、计算机、汽车、工业机器人、新型医疗设备、自动化仪表、纺织机械、油田矿山等工业部门，目前已发展成为一个具有相当规模的产业群体。

下面分别介绍一下永磁材料和永磁发电机的发展历程。

111永磁材料的发展现有的永磁材料可分为铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。

铝镍钴是20世纪30年代研制成功的永磁材料，虽然它具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。

铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，它的不足就是剩磁感应强度和磁能积都较低。

钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。

80年代初钕铁硼稀土永磁材料出现，它具有高的剩磁感应强度、矫顽力及磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。

它的不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈从而需要涂处理。

经过这几年的不断改进提高，这些缺点大都已经克服，现在钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180。

C，一般也可达150。

C，满足绝大多数工业和民用电机的使用要求【2】。

112永磁电机的发展永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。

稀土永磁同步电2第一章绪论动机体积小、重量轻、功率因数高、效率高、节能效果明显，因此成为现今工业用电机（特别是用电大户如纺织、煤矿、石油、机床、汽车等行业）的理想选择。

当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构【2】。

据资料显示：

美国GE公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁同步电动机，七十年代后期就生产出了30千瓦的电机。

日本明电舍公司在六十年代后期就己有永磁同步电动机的系列产品供应。

日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步电动机。

在我国，对永磁同步电动机的研究，上海微电机研究所、西安微电机研究所、沈阳工业大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学，合肥工业大学等单位取得了许多研究成果。

目前，永磁电机的发展趋势有两个新特点：

一方面，向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展。

目前，稀土永磁电机的单台容量己超过1000kW，最高转速已超过300000rmin，最低转速低于001rmin，最小电机的外径只有08ram，长12mm。

另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方向的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。

同时，在永磁电机发展的过程中，我国在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面都取得了很大的成就。

比如，沈阳工业大学唐任远教授编著的现代永磁电机理论与设计一书，不仅详细阐述了永磁电机设计和运行中的基本概念和基本原理，而且反映了永磁电机发展过程中的新技术、新成就和新的应用动态。

这些都说明我国在永磁电机的研究方面已居于世界前列【3】。

我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，稀土矿石和稀土永磁的产量均处于世界前列，“稀土不稀。

因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，积极促进稀土永磁材料和稀土永磁电机研究的进一步发展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。

广东工业大学工学硕上学位论文12外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势121永磁同步电动机的发展现状及趋势稀土永磁同步电动机具有：

稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波，无铁、铜耗；稀土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因数可达到或接近于1O；稀土永磁电动机在轻载时的相当宽的区域内效率为最高等优点。

采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达85；有功功率节电率可达2325，节电效果十分明显。

国内外利用稀土永磁材料进行稀土永磁同步电动机的开发己经有20多年的历史。

1978年，法国的CEM公司研制的ISOSYN系列O55185KW稀土钻同步电动机，效率比一般的异步电动机高2一8，功率因数提高005015。

我国在稀土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、机泵类等多种规格和型号的稀土永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。

800W纺织专用稀土永磁同步电动机是国内第一台研制成功的稀土永磁同步电动机，效率高达91，功率因数高达095，节能率高达10以上，已经进行生产并取得了很好的经济效益。

我国已研制成最大容量为110KW和250KW的稀土永磁同步电动机。

永磁同步电动机与异步电机相比，也有结构复杂、成本较高、起动困难等缺点，但是随着钕铁硼等高性能永磁材料的发展，稀土永磁同步电动机必将在结构上更加精巧，性能上更加优越，应用将更加广泛。

122外转子永磁同步电动机的发展现状及趋势外转子永磁同步电动机是一种转子在外定子在内的永磁同步电动机。

其既具有永磁同步电动机转子损耗小，定子激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能效果好的优点，又具有转动惯量大、节省铜线、在不稳定负载下电动机的效率和输出功率高的优点，其功率因数可达99，效率达91以上【s】。

但是目前国内外对外转子永磁同步电动机设计的研究甚少，本文对于研究外转子永磁同步电动机的设计有一定的借鉴和参考意义。

外转子永磁电动机可应用于电动汽车，其特点是：

高效率、高能量密度、可4以实现电动汽车轮毂驱动。

由于此种电动机采用永磁材料，无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，可靠性高。

又因无励磁损耗及电刷之间的摩擦损耗和接触电损耗，所以可以大大提高电动汽车用电动机的效率。

且永磁材料的高磁能积和高矫顽力，使得永磁电动机具有体积小、重量轻等优点，从而可以提高电动机的功率密度。

另外由于其特殊的外转子结构，使其可以直接装入车轮，实现电动汽车的轮毂驱动，可以省去电动汽车的绝大部分的机械传动部件，同时可以实现电动汽车四轮驱动，非常适合电动汽车驱动。

图11为电动汽车用外转子永磁同步电动机实物图【6】。

图11电动汽车用外转子永磁电动机Fig1-1ExternalrotorPMSMinelectricvehicle13外转子永磁同步电动机CAD技术研究131电机CAD技术的意义电机CAD是CAD技术在电机设计领域的具体应用。

电机设计活动是一项复杂的脑力劳动，设计中包含了三个不同层次的智力活动：

1原则和技术要求的决策，这是设计工作最高层次的指导。

广东工业大学丁学硕士学位论文2设计方案的规划，是关系到设计方案的质量高低，是设计工作的核心。

只有熟悉电机设计理论，并有丰富试验经验的设计者才能出色地完成。

3常规的计算和作图，这是常规性和程序性的，也是最繁琐、最费时的。

这里正是计算机介入的突破口。

对涉及活动的三个层次的分析可以看到，沿袭至今的电机设计方法让受过专业训练的设计者把主要精力和大部分时间消耗在低层次的计算和作图上，而对方案规划投入的力量却很少，至于更高层次的设计活动就更没有考虑的余地了。

这种不合理的情况主要源于设计工具和手段的落后，在电机CAD技术出现后，才把设计者从简单繁琐的劳动中解脱出来，更多的考虑电机的性能和电机的优化设计。

国内外的实践经验都证明了电机CAD技术必将为广大工业企业创造巨大的经济效