30【毕业设计】永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析毕业设计报告文档

设置参数设置铁心损耗参数，选择铁心牌号为，并导入其磁滞损耗曲线。

设置求解条件对自动生成的有限元网络剖分进行局部细化设置动态分析的有关选项运动关系设置。

求解二〇二年五月十四日星期点击下拉菜单命令∕，开始进行有限元分析计算。

在计算过程中，可以用命令观察电压电流等相关动态曲线。

动态性能曲线及分析在主窗口中，点击下拉菜单∕，弹出窗口和小窗口。

在窗口中双击项特性数据文件，大的磁能积现已超过∕•。

年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为产品的最大磁能积现已达∕•。

年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁磁电机的发展进入个新的历史时期。

稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。

年美国•••教授发现的钐钴永磁为第代稀土永磁，其化学式可以表示成其中代表钐镨等稀土元素，产品最，限制了它们在电机中的应用范围。

直到上世纪年代和年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁二者统称稀土永磁相继问世，它们的高剩磁密度高矫顽力高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永时期在永磁电机设计理论计算方法充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的套分析研究方法。

但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低∕，铁氧体永磁的剩磁密度不高，不久被电励磁电机所取代。

世纪年代出现的铝镍钴永磁最大磁能积可达∕和年代出现的铁氧体永磁材料最大磁能积现可达∕，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。

这段二〇二年五月十四日星期第章绪论永磁材料发展概况世纪年代出现的世界上第台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。

但当时所用的永磁材料是天然铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大二〇二年五月十四日星期第章绪论永磁材料发展概况世纪年代出现的世界上第台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。

但当时所用的永磁材料是天然铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。

世纪年代出现的铝镍钴永磁最大磁能积可达∕和年代出现的铁氧体永磁材料最大磁能积现可达∕，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机也纷纷使用永磁体来励磁。

这段时期在永磁电机设计理论计算方法充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的套分析研究方法。

但是铝镍钴永磁的矫顽力偏低∕，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了它们在电机中的应用范围。

直到上世纪年代和年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁二者统称稀土永磁相继问世，它们的高剩磁密度高矫顽力高磁能积和线性的退磁曲线等优异性能特别适合制造电机，从而使永磁电机的发展进入个新的历史时期。

稀土永磁材料的发展大致可以分为三个阶段。

年美国•••教授发现的钐钴永磁为第代稀土永磁，其化学式可以表示成其中代表钐镨等稀土元素，产品最大的磁能积现已超过∕•。

年又出现了磁性性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为产品的最大磁能积现已达∕•。

年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼永磁，在实验室中的最大磁能积现高达∕•，商品生产现已达∕•，称为第三代稀土永磁。

由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资钴，因而引起了国内外磁学界的和电机界的极大关注，纷纷投入大量的人力物力进行研究开发。

目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁纳米复合稀土永磁等，希望能有更大的突破。

永磁同步发电机显著优点永磁同步发电机的结构与电励磁同步发电机的结构大体相似，其主要结构分别由定子转子和机座组成。

永磁电机的定子由定子铁心和定子三相对称绕组构成，其有别与二〇二年五月十四日星期电励磁同步发电机的结构是转子，转子主要由转轴永磁体及相关支撑部件组成。

由于其采用永磁材料，固其具有以下优点体积小，重量轻转子部分采用高磁场的永磁体代替电磁线圈，转子体积要小得多，因此该发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。

效率高，节能效果显著由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁损耗，因此三相永磁同步发电机比常规发电机明显节约能量其效率能提高，是种典型节能产品。

电压波形质量好，适用于各种负载情况由于采用机电体化技术，发电机在各种不同负载包括感性和容性负载情况下都可以使电压波形畸变率保持在较小的范围。

过载能力强，适合于在各种恶劣环境下工作无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁体和铁心固成个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机。

永磁同步发电机的发展方向和前景永磁同步发电机有别于传统电励磁同步发电机，其最主要的区别在于转子采用永磁材料来产生磁场其次永磁同步发电机与不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率，可靠性得到了很大的提高。

采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。

出电压波形的要求。

图负载下各相绕组电流波形二〇二年五月十四日星期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三相的负载电流波形，其中相滞后于相度电角度相滞后于相度电角度。

图负载下线∕相电势波形建立几何模型点击下拉菜单∕，弹出窗口显示如下图电机几何模型二〇二年五月十四日星期动态仿真和相关参数设置创建二维电磁场项目点击下拉菜单∕，弹出窗口。

分别在和栏中输入项目名称和路径，点击完成项目的创建。

几何模型的设置用打开已创建的项目，出现的主窗口如下图。

图项目设置材料特征点击，进入材料管理窗口加入新的非线性铁磁材料和新的永磁材料及相关结构组件的材料属性。

设置边界条件和激励源∕点击∕进入∕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。

设置参数设置铁心损耗参数，选择铁心牌号为，并导入其磁滞损耗曲线。

设置求解条件对自动生成的有限元网络剖分进行局部细化设置动态分析的有关选项运动关系设置。

求解二〇二年五月十四日星期点击下拉菜单命令∕，开始进行有限元分析计算。

在计算过程中，可以用命令观察电压电流等相关动态曲线。

动态性能曲线及分析在主窗口中，点击下拉菜单∕，弹出窗口和小窗口。

在窗口中双击项特性数据文件，窗口中绘出该特性的动态过程曲线图仿真时间为秒，时间步长秒，输出曲线分别如下图所示。

图网络分割图在∕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，总仿真时间为三个磁场周期总的时间为三个磁场周期。

二〇二年五月十四日星期图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。

图铁芯损耗随时间波形电机的损耗从瞬态经过近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∕电流交变次，转子磁场转过二〇二年五月十四日星期个对极，而损耗随着磁通的变化了两次，固其损耗的交变频率为电压∕电流的两倍关系。

图线电流随时间波形图磁链随时间波形在电机从瞬态进入稳态的电压∕电流随时间变化的波形中能看出电机从启动到稳定运行时，端电压∕电流是频率为正弦波变化，都能符合设计任务书所给的要求，在外加三相对称负载的情况下能很好地稳定运行。

二〇二年五月十四日星期图有功损耗随时间波形在电机从启动的瞬态进入稳态运行，电机的有功损耗随着时间而趋于稳定为电机的稳定运行提供了有利的条件，并且更能提高电机的运行时的效率。

图输出电压随时间波形结论本章首先利用有限元分析软件对所设计的永磁同步发电机结构参数进行分析并确定了此设计电机的最优化参数其次通过在中建立二维动态模型来进步对电机的瞬态和稳态进行有限元分析。

仿真结果比较准确地反应了永磁同步发电机的瞬态过程，以及电机的反电势电流气隙磁密分布特性为进步优化永磁同步发电机尺寸槽型绕组分布的设计提供了基础。

从仿真所输出的数据图形和曲线能得出以下几点结论永磁体的类型和尺寸直接影响电机的功率和体积大小，永磁体的体积并不是越二〇二年五月十四日星期大越好。

永磁电机由永磁体向外提供磁能，以气隙磁场作为媒介进行机电能量转换