电机电磁设计分析论文

摘要：作为直驱式风电机组的关键部件，永磁同步发电机被广泛应用在直驱式风电机组中。本文以一台3MW直驱永磁风电机组中的发电机为研究对象，进行发电机电磁计算分析，利用ANSYA中的Maxwall模块对电机进行电磁计算，对绕组，铁芯，永磁体等复杂部件进行等效和简化，建立发电机的电磁仿真模型，分析电机铜耗、铁耗，杂散损耗等其他损耗。下面是小编为大家整理的《电机电磁设计分析论文 (精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

电机电磁设计分析论文 篇1：

YRKKCT710—6 2000kW 6kV 内反馈调速电机的设计

摘 要：通过分析内反馈调速电机的工作原理，介绍内反馈调速电机的电磁、结构设计，并对内反馈调速系统的特点进行了说明。

关键词：内反馈;调速;电机

1概述

由于现代工业不断向自动化、高效率方向发展，在社会各个领域合理地提高能源利用率是当前世界各个国家面临的重大课题。大功率风机和泵类传动改造为变速传动系统，平均可节能约30%。在我国，风机和泵类负载约占交流电机负载的40%，且大功率风机和水泵的轴功率一般在200～2000kW之间，电压为6kV或10kV。此类负载若直接采用变频调速系统，因受电力电子器件特性及控制系统等因素影响，使得系统主回路线路及控制线路相当复杂，且造价颇高。内反馈交流调速装置作为一种新型的绕线式电动机配套装置，可广泛地用于高、低压大、中容量的风机、泵类的节能降耗，该装置调速平滑，效率和功率因数高，可靠性强，成本较低，节能效果非常明显。

我公司接受为某热电股份有限公司生产YRKKCT710-6 2000kW 6kV电机的设计制造任务。

2电动机的参数及工况要求

电机型号：YRKKCT710-6

额定功率：2000kW

额定电压：6kV

额定频率：50Hz

调速范围：500～1000r/min

效率：96.4%

功率因数：0.88

防护等级：IP54

冷却方式：IC616

安装方式：IMB3

3内反馈调速电机的工作原理

内反馈调速电机是专为内反馈交流调速装置而设计的特种绕线电机。电机定子比普通三相异步电动机增设了一套三相对称绕组，称为调节套组，原来的定子绕组称为主绕组。电机调速时，将电机转子的部分电磁功率(即转差功率)通过整流、逆变取出，经变换后反馈入调节绕组，并通过调节绕组与转子旋转磁场的相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速成正比变化，达到调速节能的目的。电机转子反馈给调节绕组的功率越大，调节绕组的功率就越大，电机的机械功率输出就越小，转速就越低，反之，转速就越高;当调节绕组功率为零时，机械功率几乎和转子功率相等，电机转速达到额定最高点。

4内反馈电机的电磁设计

合理的电磁方案设计必须既达到设计的最佳性能要求，又确保生产的可能性;必须在满足各种性能指标、起动、发热、调速等要求的同时，充分考虑电机的经济性。根据容量、电压、极数，结合型谱，并参考以往的设计制造经验，可基本选定电机的机座号。

由于该电机较为特殊，电机的定子除了具有主绕组外，还另增设了一套调节绕组，所以该电机的设计除了考虑通用常规模具外，定、转子槽型均按现有的加工能力，工艺及材料水平全新设计。

内反馈电机的转子开路电压U2及转子短路电流I2应先根据以往的设计经验进行综合考虑，先行确定。

定/转子槽数：72/90

定子外径：Φ1190mm

定子内径：Φ820mm

转子内径：Φ520mm

铁芯长度：770mm

单边气隙：3mm

定子接法：Y

定子绕组并联路数：2

每槽匝数：20

转子接法：Y

转子绕组并联路数：1

每槽匝数：2

根据内反馈电机的调速范围500～1000r/min，求出接入调节绕组后低速运行时的转差率，此时最低转速对应的转子电压经全桥整流后的直流电压，该直流电压一般不进行升压变换，根据最大的逆变直流电压可以确定逆变交流线电压，考虑到逆变电抗会有一部分压降，并且用于调节绕组的电压是由主绕组感生出来的，相当于变压器，即调节绕组的匝电压与主绕组的匝电压相等。计算可知定子主绕组匝电压，由匝电压反推可得出调节绕组相电压，确定调节绕组型式。

调节绕组接法：△

调节绕组并联路数：2

每槽匝数：5

此时，由已选取的合理的接线方式及绕组每相串联匝数即可确定调节绕组的各项性能及电气参数，再根据调节绕组的各项参数及主绕组预先计算的参数确定定子的槽形，进而重新对上述个参数进行复核。根据复核后确定好电机的各项电气参数，最后确定电机的各项电磁参数。

定子轭部电磁密度：1.1606T

定子齿部电磁密度：1.3850T

转子轭部电磁密度：1.3165T

转子齿部电磁密度：1.5254T

气隙电磁密度：0.6787T

定子主绕组电流密度：3.09A/mm2

定子调节绕组电流密度：2.42A/mm2

转子绕组电流密度：3.42A/mm2

效率：96.47%

功率因数：0.8831

调节绕组电压：866V

5内反馈电机的结构设计

1.内反馈调速电机的基本结构与YR绕线式电机相同规格，具有相同的安装尺寸;电机具有5个接线盒，分别为主接线盒、调节绕组接线盒、加热器接线盒、测温接线盒、转子接线盒、中性点接线盒。

2.内反馈调节绕组与主绕组同槽嵌线，且调节绕组与主绕组具有相同的相序，但线圈的嵌线方向相反，主绕组和调节绕组分别从电机的两端出线。槽内线圈分部如下图。

线圈计算时，主绕组端部抬高值，不能太小也不能太大，应根据实际情况具体考虑。若是抬高值太小，就会与主绕组端部干涉，线圈端部之间的绝缘无法绑扎;若是抬高值太高，线圈端部弯度太大，线圈的整形极为困难，且与定子压圈的距离太近，造成爬电距离过小，所以应仔细核算，合理布置线圈空间，保证主绕组斜边足够的径向和轴向空间，保证两套绕组端部有可靠的绝缘强度。

6.设计分析总结

该电机的设计难度，一是电磁参数的选择和计算，二是定子线圈的空间布置和绝缘以及固定，三是改善电机自身的薄弱环节，提高系统可靠性。该电机从设计、制造商都有着重考虑了这三方面，使得该电机一次试制成功，現场使用反馈良好。

7.结束语

内反馈交流调速电动机与内反馈调速装置配套组成了内反馈调速系统，为机电一体化节能产品，具有调速平滑、效率高、可靠性高和成本低的特点，调速范围可达50%～100%，并且电机的容量越大，节能效果越明显。主要适用于高压大、中型风机、水泵的节能运行，应用市场越来越广阔。

参考文献：

[ 1 ] 《交流電机设计手册》 湖南人民出版社 ， 1977 .

[ 2 ] 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统.水利电力出版社，1997.

[ 3 ] 周绍英.电力拖动.冶金工业出版社，1990.

作者：张毅 孙明达

电机电磁设计分析论文 篇2：

海上多极低速永磁风力发电机电磁计算分析

摘 要：作为直驱式风电机组的关键部件，永磁同步发电机被广泛应用在直驱式风电机组中。本文以一台3MW直驱永磁风电机组中的发电机为研究对象，进行发电机电磁计算分析，利用ANSYA中的Maxwall模块对电机进行电磁计算，对绕组，铁芯，永磁体等复杂部件进行等效和简化，建立发电机的电磁仿真模型，分析电机铜耗、铁耗，杂散损耗等其他损耗。

关键词：直驱永磁风力发电机;电磁计算;电磁仿真

引言

在电机设计阶段，只有对样机的温度分布和电机所需部件的平均温升进行初步计算和确定，才能合理配置和调整各种性能指标、技术要求和材料消耗。使得设计方案更加合理，避免了在试生产过程中由于温度升高而导致研发失败和成本增加。因此，准确计算电机内部的温度分布对电机的设计具有非常重要的指导作用[1]。

本文根据有限元理论分析，应用软件ANSYS中Maxwell模块进行电磁仿真计算，找出电机内部的损耗。经过这些分析，不仅对电机的设计和安全运行具有重要意义，而且对工程具有重要意义。

1永磁风力发电机电磁设计参数

在电机设计中，集电环和电刷装置是故障率和更换率非常高的部件，永磁发电机用永磁体代替励磁绕组，省去直流励磁电源。

与其它电机设计过程一样，风电机组用永磁同步电机电磁计算也包括主要尺寸计算、磁路计算、参数计算和性能计算四大部分构成。下面给出3MW电机的基本参数要求，初始设计数据如下：

2电磁设计分析步

2.1磁路计算

永磁电机磁路计算的主要目的是确定永磁体产生的空载磁通量的大小，从而计算出永磁电机的气隙磁密、定子齿部、轭部磁密和转子轭磁密。最后，确定定子绕组中感应的空载电动势。

3仿真分析

在本文中，电磁计算作为发电机传热分析的必要步骤，其主要目的是为电机尺寸、定子槽宽等参数给予理论支撑。而电磁仿真则是为了验证电磁计算的结果是否符合实际情况。通过仿真结果中的云图，可以看出电机的热负荷主要分布位置。

本文选用的电磁计算软件为ANSYS中的Maxwall模块。由于是按照所给参数自动生成，其余的条件均由系统自行给定。生成后的电机模型、能量云图结果显示计算结果与仿真结果相差不大，在合理的范围内。

4结论

在本文的理论研究中包括电磁部分和仿真部分。电磁部分主要是利用已知的基本数据，通过电磁计算来确定一些电机的参数。另外最主要的是要确定出来电机各個部分的损耗，以便后续的有限元分析。仿真部分通过仿真结果中的云图，可以看出电机的热负荷主要分布位置。希望本文能对多极低速永磁海上风电的后续研发能起到借鉴作用。

参考文献

[1] 吴胜男. 100kW混合励磁风力发电机设计及电抗参数计算[D].沈阳工业大学，2011.

[2] 高剑. 直驱永磁风力发电机设计关键技术及应用研究[D].湖南大学，2013.

作者：姜立兵 王闯 郑浩康

电机电磁设计分析论文 篇3：

基于Simplorer与Ansoft Maxwell的SRD系统联合仿真

摘要：开关磁阻电机系统(Switched Reluctance Drive，SRD)是机电一体化的新型电机系统，在现代电力电子、电磁分析手段及机械工艺等的长足发展下，SRD的应用变得十分广泛。因磁场分布复杂，所以建立SRD的数学模型比较困难。本文将借助于运用Ansoft Maxwell搭建SRD的本体模型，运用Simplorer搭建SRD的控制电路模型，并将两者进行同步联合仿真，同步分析电机本体、外电路的数据，为SRD系统提供有效的参考。

关键词：SRD系统 仿真 Simplorer

1 概述

开关磁阻电机是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速电机，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速电机的优点。SRD一般用于牵引中，高速性能是SRD的一个特长的方向。近年来随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术，无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性，必将更大限度地显示SRD的优越性。

电机系统的开发是一项复杂的工程，若方法不当势必会耗时耗力，借助于Ansoft Maxwell、Simplore可分别实现电机本体、控制电路的仿真模型的建立，并且两者可以实现联合仿真功能，参数修改方便，结果经实践验证是比较可靠的，这为电机系统的开发提供了很好的仿真工具，可以为广大的工程技术人员所借鉴。

2 开关磁阻电机的结构特点

图1所示的为单相开关磁阻电动机结构，其定转子均为凸极结构，转子上既无永磁体又无绕组，定子绕组为集中绕组。可以看出该类电机的转子转动惯量小，动态响应迅速，无电刷和换向器，控制参数多、方式灵活等其他电机无法比拟的优点;适用于需要频繁调速和起动停止的场合[1][2]。

3 SRD的特點及仿真实现

开关磁阻电机是典型的双凸极电机，其工作原理遵循磁阻最小的原理而产生转矩的，所以绕组中的电流方向没有特别的要求，并且电机的各项集中绕组是独立的，也就是说各相的磁路相互独立，没有互感的影响，所以可以通过控制加到开关磁阻电机绕组中电流脉冲的幅值、宽度(即电流斩波控制，简称CCC)及其与转子的相对位置(即控制开关的导通角、关断角的角度位置控制，简称APC)，即可控制开关磁阻电机转矩的大小与方向，这正是开关磁阻电机调速控制的基本原理。图1所示电机模型的控制电路如图2所示。

Simplorer是一款多域系统仿真软件。它可用于高性能系统的设计、建模、分析和优化，诸如电气、机电等常见的复杂系统的设计。它提供了一系列建模技术、分析手段和后处理途径。这使得工程师籍此可以研究系统的功能、性能和确定整个的设计方案。借鉴Simplorer的仿真结果可以有效的压缩开发时间和成本，对提高系统可靠性和优化系统性能提供很好的帮助[3][4]。

为实现SRD的仿真模型的建立，首先利用Ansoft Maxwell搭建了图1所示电机的本体模型，定义、添加材料参数，并依图1所示定义绕组中电流的参考方向;然后通过Simplorer中的Simplorer Circuit菜单下的SbuCircuit-Maxwell Component-Add Transient Cosimulation选项将电机本体模型添加至Simplorer环境下;最后，在Simplorer界面中运Simplorer所提供的模块建立SRD模型。

为简化系统的设计主要采用了Equation Block(算式模块)、Comparator(比较器)、Hyperbolic Function(曲线函数)三个模块，如图3所示。Equation Block用以读取电机的转子位置角，充当传感器的作用;Comparator用以比较实际转子位置角、绕组电流与给定的转子位置角、绕组电流，通过比较后输出控制数字信号;Hyperbolic Function用以定义晶闸管、二极管等的工作特性曲线，已达到贴近实际器件的工作特性。

4 仿真分析结果

在Simplorer中完成外电路设置后，需要像在Ansoft Maxwell环境下一样设置仿真步长等参数，在设置运算步长时要根据电机的转速来确定，一般在转子每转过1°计算一次。

电机模型参数：轴向长度为60mm，定子外径为90mm，内径为54mm，气隙为0.5mm，定子极弧为26.8mm，转子极弧为32.6mm，绕组匝数为40。

为了验证仿真模型的效果，将同时进行CCC与APC两种控制方式。仿真设置为开关区间为10°～89°，电流斩波值为12A，在此控制条件下当转速为3000r/m时，在Ansoft Maxwell环境下可以得到电机的转矩曲线、绕组电流曲线分别如图4、5所示。同时，可以在Simplorer环境下查看外电路的结果曲线，如在一个周期下绕组A的续流二极管的续流结果如图6所示。

除了查看结果曲线外还可以通过查看不同时刻，即不同转子位置的电机磁场分布，以确定电机的电磁负荷是否合理，某时刻的电机磁场分布如图7所示。

5 结论

本文利用Ansoft Maxwell结合Simplorer建立了SRD系统的仿真模型并进行了仿真，结果较好的符合理论值，由本文可以看出利用Ansoft Maxwell结合Simplorer可以方便进行电机系统的仿真，通过查看分析其输出曲线及电机本体的磁场分布情况，可以分析电机系统的数据是否合理，为SRD的设计分析提供了有益的参考。

参考文献：

[1]陈哲明，潘再平.开关磁阻电动机控制器的仿真研究[J].系统仿真学报，2004，16(12)：2809-2012.

[2]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]高洁，孙鹤旭，何琳，董砚.基于Simplorer的SRD动态建模与实验研究[J].电气传动.2011，41(10)：37-40.

[4]闫英敏，刘卫国.基于Simplorer的无刷直流伺服系统仿真[J]. 电气传动，2005，35(11)：18-20.

作者：薛娇