永磁电动机开题报告.docx

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永磁电动机开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题目：

10KW永磁同步电机的结构设计与原理

学院：

电气与信息学院

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

王文华学号：

200701010838

指导老师：

彭晓

年月日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告

1．文献综述：

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

文献综述

0引言

电能是能量的一种形式，与其他形式的能源相比，电能具有明显的优越性，它适合于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。

作为与电能生产、输送和应用有关的能量转换装置——电机，在电力工业、工矿企业、农业、交通运输、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。

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。

为电机内建立进行电能装换所需的气隙磁场，可以有两种方法。

一种是电机绕组内通电流产生，既需要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，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是有永磁体来产生磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机。

在同步电动机的转子有电磁铁或永久磁铁，使用永久磁铁的称为永磁同步电机。

永磁同步电机包括在同步电机之内。

永磁同步电机由于采用永磁体励磁，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。

这既简化电机结构，又可

节省能量，在提高效率方面具有很大的空间和优势。

1.永磁同步电机的优点

永磁电动机由于采用永磁体励磁，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也

就取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机。

因此，结构简单，运行更为

可靠。

在提高效率方面具有很大的空间和优势。

交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。

中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。

电梯驱动就是一个典型的例子。

电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。

早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。

这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。

永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。

2.永磁同步电机的应用：

早先的同步电机采用的是传统的电激磁磁极；永磁材料发展及技术成熟后，普遍采

用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，

缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。

当今中小功率的

同步电动机绝大多数已采用永磁式结构.

永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出问题的集电环

和电刷装置，成为无刷电机。

因此，结构简单，运行更为可靠。

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。

这些都可以缩小电机体积，减轻质量，

提高功率质量比。

目前，航天用高速稀土永磁同步发电机的功率质量比可高达20KW/kg。

这特别适合于航空、航天（在现代高空、高速飞行中，每kg设备约需15～20kg的质

量辅助来支持）和其他要求高可靠性和高功率质量比的场合。

因而现代航空、航天用

的电机几乎全部采用稀土钴永磁电机。

稀土永磁电机的另一重要应用是用作大型汽轮发电机的副励磁机。

永磁同步电动机驱动系统，适合在无机房电梯中使用。

在风力发电、余热发电。

小型水力发电、小型内燃发电机组等场合也在逐步推广应

用永磁发电机。

但永磁发电机制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数，从

而限制了它的应用范围。

3.永磁同步电机的发展：

永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。

我国是世界上最早发现永磁材料

的磁特性并把它应用于生产实践的国家。

早在两千多年前，我国就已利用永磁材料的

磁特性制成指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明

之一．

19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。

但

当所用的永磁材料是天然此帖矿石（Fe3O4）,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。

由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成

和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。

特别是

20世纪30年代出现的铝镍钴永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大的提

高，各种微型和小型电机使用永磁体励磁。

永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千

瓦，在军事、工农业生日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。

相应地这段时期

在永磁电机的设计理论、计算方面、充磁和制造技术等方面也取得了突破性进展，形

成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。

这几年，电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节

能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层

精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。

永磁同步电动机

驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌

号上市。

可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。

日本富士

公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从4kW～300kW,体

积比同容量异步电动机小1～2个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于

泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。

4.永磁同步电机的特点：

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可

靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

因而应用极为广泛，几乎遍及航空航天/国防/工农业生产和日常生活的各个领域。

永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出问题的集电环

和电刷装置，成为无刷电机。

因此，结构简单，运行更为可靠。

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。

这些都可以缩小电机体积，减轻质量，

提高功率质量比。

稀土永磁电机的另一重要应用是用作大型汽轮发电机的副励磁机。

在风力发电、余热发电。

小型水力发电、小型内燃发电机组等场合也在逐步推广应用

磁发电机。

但永磁发电机制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数，从

而限制了它的应用范围。

5.永磁同步电机技术研究分析：

（1）磁路结构和设计计算为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优

异磁性能，用最少的永磁材料和加工费用制造出高性能的永磁电机，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。

必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须采用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度。

（2）控制问题永磁同步电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成外部调节、控制其磁场极为困难。

永磁电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，这使永磁电机的应用范围受到了限制。

但是设计时可把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行。

（3）不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁电机在过高或过低温度时，在冲击电流产生的电枢作用下，或剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，是电机性能降低，甚至无法使用，因而，既要研究开发适于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同的结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时，采用相应措施和保证永磁电机不失磁。

（4）成本问题铁氧体永磁电机，特别是微型永磁电机。

由于结构简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。

由于稀土永磁电机的成本目前价格比较昂贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它

的高性能和运行费用的节省来补偿。

在设计时既需要根据具体使用场合和要求，进行

性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本。

6.总结

永磁同步电机与电励磁的同步电机相比,利用永磁体建立磁场,省去了励磁绕组,从而

就省去了电刷装置和产生磁场所需要的励磁功率,具有结构简单、损耗少、效率高等优点,在工业的各个领域中得到了广泛的应用。

但由于永磁电机气隙磁密是由磁钢和磁路磁导决定的,在运行中每极磁通几乎保持常数;对永磁发电机来说,转速的变化和负载的变化会造成电机输出电压的波动,阻碍了永磁发电机的发展和应用;对永磁电动机来说,无法通过对磁场的控制来实现转速的调节,调速范围受到限制。

另一方面,电励磁电机可以方便地调节励磁电流,所以在磁场调节方面有永磁电机所达不到的优势。

因而,可以说,励磁方式是影响永磁电机广泛应用的重要因素，这也是电机制造加工技术以后的发展方向。

参考文献

[1]　唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:

机械工业出版社,1997

[2]胡虔生胡敏强.电机学（第二版）.中国电力出版社，2005

[3]唐任远.稀土永磁电机的研究和发展.电气技术，2002

[4]胡淑华、郑宝才、唐任远.稀土永磁电机的发展趋势——大功率化、高能化、微型化.电工技术杂志，1995

毕业设计（论文）开题报告

２．开题报告：

一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施

开题报告

一、课题的目的与意义

在等同条件状况下同步电机的功率因数和效率都比异步电机高，同步电机的功率因数

不低于0.9，几乎没有无功损耗。

转子是直流恒定磁场，转子没有铁耗。

设计时无需考

虑才配合问题，定子槽数选择自由度较大，还可实现变频调速。

永磁电动机由于采用永磁体励磁，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，

也就取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机。

因此，结构简单，运行更

为可靠。

在提高效率方面具有很大的空间和优势。

交流永磁同步电动机有体积小、重量轻、高效节能等一系列优点。

中小功率的异步电

动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。

结构简单，运行更为可靠。

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。

这些都可以缩小电机

体积，减轻质量，提高功率质量比。

本课题是以永磁同步电机为研究对象，具体研究内容如下：

在同步电机的优点上,结

合当前的技术发展趋势,采用TBJS进行磁路计算，建立电机的永磁体模型。

并对其进行

磁路分析,得到电机主磁场变化规律。

采用AutoCAD2007绘制电机结构图来进行开展研

究。

AutoCAD2007是在国内运用较广的分析软件，它拥有丰富和完善的绘图功能，操作

简单，图形简单直接，易分析研究。

我们通过分析软件分析了其运行方式运用Matlab

工具进行控制系统的仿真,直到控制方案可以使电机以超过转速基值的速度稳定运行。

我

们通过软件操作运行功能，不仅可以大量的减少时间和金钱的花费，还可以节约许多的

材料，而且我们还可以根据Matlab控制系统的仿真的结果,对永磁同步电机结构、散热

装置等进行改进。

二、课题发展现状和前景展望

早先的同步电机采用的是传统的电激磁磁极；永磁材料发展及技术成熟后，普遍采

用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，

缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。

当今中小功率的

同步电动机绝大多数已采用永磁式结构.

由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成

和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。

永磁电机

的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生日常生活中得到广泛应用，产量

急剧增加。

相应地这段时期在永磁电机的设计理论、计算方面、充磁和制造技术等方面

也取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。

这几年，电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节

能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层

精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。

永磁同步电动机

驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌

号上市。

可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。

日本富士

公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从4kW～300kW,体

积比同容量异步电动机小1～2个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于

泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。

三、课题主要内容和要求

1、课题主要内容

本文以永磁同步电机为研究对象。

论文着重研究永磁同步电机的结构设计与原理分析，主要内容有以下几个方面：

（1）采用TBJS进行主磁路计算，建立电机的永磁体模型。

并对其进行磁路分析,得到电机主磁场变化规律。

（2）采用AutoCAD2007绘制电机结构图来进行开展研究。

在Solidworks2007建立电机总装配的三维CAD模型，再利用Solidworks2007自带的有限元分析软件Cosmosworks中得到运行系统的有限元模型，将材料属性赋到单元上，并采用自由划分网格的方式划分网格。

（3）通过分析软件分析了其运行方式运用Matlab工具进行控制系统的仿真,直到控制方案可以使电机以超过转速基值的速度稳定运行。

（4）分析讨论结果，提出改良散热措施。

通过上述结果分析，在不同条件下的电机行性能的热态特性，进行比较，从而提出一些控制温升的措施。

（5）编写设计说明书（论文）

2、课题主要要求

（1）主磁路计算：

采用TBJS，建立电机的永磁体模型。

并对其进行磁路分析,得到电机主磁场变化规律。

（2）结构设计：

采用AutoCAD2007绘制电机结构图来进行开展研究。

在Solidworks2007建立电机总装配的三维CAD模型。

（3）原理分析：

运用Matlab工具进行控制系统的仿真,直到控制方案可以使电机以超过转速基值的速度稳定运行。

（4）分析讨论结果，提出改良散热措施。

通过上述结果分析，在不同条件下的电机运行性能的热态特性，进行比较，从而提出一些控制温升的措施。

四、研究方法、步骤和措施

本课题是通过软件Solidworks、AutoCAD2007、TBJS、Matlab对永磁同步电机进行结构设计与原理分析。

方案流程图如图1-1所示。

具体实施步骤和措施:

（1）研究永磁同步电机技术参数和模型特点，为分析提供相应的理论基础；

（2）用solidwork2007创建三维实体模型，并对其定义材料属性以及进行网格的划分；

（3）运用Matlab工具进行控制系统的仿真,分析系统的设计是否完全符合运行原理以及设计要求

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日