第一章 绪论
目前来说，国内外对永磁同步电机的研究主要 在以下几个方面： 结构设计研究 优化设计 磁场分析计算和数值方法的研究 测试技术的研究 调速系统的研究
第一章 绪论
1.3 永磁同步电动机的设计方法
用于永磁同步电动机电磁性能分析的方法主要 有以下三种： 等效磁路法 简单快速，采用大量经验数据或曲线，设计周期 长，精确度不高。 电磁场数值计算法 精度高，占用计算机资源较多，时间较长。 场路结合法 结合了等效磁路法和电磁场数值计算法的优点。
第三章 PMSM的有限元分析
3.2 运用ANSYS计算主要参数
通过ANSYS对电磁场的有限元分析，可以准确地 获得电机内磁场的分布，并求出电机的各种计算 系数，如漏磁系数、极弧系数等等。 气隙磁通 在ANSYS中，可以通过 宏命令FLUXV求出在一个极 距路径上的气隙磁通(单位 轴向长度)。 如右图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
3.1 运用ANSYS进行有限元分析
应用ANSYS对样机进行有限元分析时，需要永磁 同步电动机的几何尺寸（定转子内外径、槽型、 气隙等）、转子磁路结构、铁心材料（硅钢片的 磁化曲线）、永磁体参数（磁导率、矫顽力等） 等主要的参数。 应用ANSYS进行有限元分析，主要包括以下三 个步骤。 前处理 整个前处理都是在Main Menu的Preprocessor中 完成的。 定义物理环境：包括坐标选用、单位制设定、有 限元单元选用等。
第四章 PMSM软件对ANSYS的封装
4.1 APDL语言
APDL语言是ANSYS软件提供的参数化设计语言，它 的全称是ANSYS Parametric Design Language。它 是一种类似FORTRAN的解释性语言，实质上由类似于 FORTRAN的程序设计语言和1000多条ANSYS命令组成。 其中，程序设计语言部分与其他编程语言一样，具 有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分 支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。 标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这 些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的 参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参 数的方式进行赋值。
第三章 PMSM的有限元分析
后处理
ANSYS有两个结果后处理器：POST1和POST26，本 文采用POST1 ，它是通用后处理器，可以观看整 个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载 荷组合时的结果。 常用的图形显示选择有：等位线绘图Contour Plo t，矢量绘图Vector Plot、磁力线Flux Lines。
第一章 绪论
1.4 本文的主要研究内容
本文采用场路结合法，借助于有限元计算软件 ANSYS和程序设计语言C++，编写了一套较完整的 永磁同步电动机设计分析软件系统。功能如下： 具有友好的人机界面和方便的数据库管理系统。 具有三种磁路结构的计算方案 建立了ANSYS和C++设计程序的接口，有效地实现 了场路结合法。 提供各种图形和表格供设计人员参考。 本文设计了样机并进行了实验，验证了本设计 系统的准确性，同时也积累了工程设计经验。
基于ANSYS的永磁同步 电动机设计系统
报告人：杨振华 导 师：胡虔生 周建华 单位：东南大学电气工程学院
主要内容
一、绪论 二、永磁同步电动机的基本理论和设计 特点 三、永磁同步电动机的有限元分析 四、永磁同步电机软件对ANSYS的封装 五、永磁同步电动机设计系统 六、样机的设计、制造与实验 七、总结与展望
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
下图是一种W型的混合式转子磁路结构，其永磁 体的径向部分和切向部分的磁化长度相等，也采用 了隔磁磁桥隔磁。在该结构中，转子可为安放永磁 体提供更多的空间，空载 漏磁系数也小，但制造工 艺更复杂，转子冲片的机 械强度也下降。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.2 PMSM的稳态性能












右图为感性去磁作用下的相量图， 稀土永磁同步电动机的额定工作状 态一般都设计在此状态下。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
功角特性
稀土永磁同步电动机的 X q X d ，其功角特性与电 磁式同步电动机有明显的差异，如下图所示。其凸 极效应转矩在0°~90°范围内呈现负值，最大功 角大于90°，额定功角相对较大，甚至会在原点附 近出现一个不可实现的“回环”。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.3 设计特点
永磁同步电动机电磁设计的主要任务是确定电 机主要尺寸、选择永磁体材料和转子磁路结构、估 算永磁体的尺寸、设计定转子的冲片和选择绕组数 据，然后利用有关的公式对初始设计方案进行性能 校核，调整电动机的某些设计参数，直至电动机的 电磁设计方案符合技术经济指标要求。 主要尺寸及气隙长度的选择 Di2 Lef ，然 由电动机的功率和转速可选定电动机的 1 后凭经验选取一定的主要尺寸比 Di1 / 1 ，得出电动机 的主要尺寸 。 气隙长度参照相同规格或近似规格的感应电动机 的气隙长度，并加以适当的修改。
第一章 绪论
1.2 永磁同步电动机的发展及研究现状
发展：
1831年出现了世界上第一台永磁电机。 永磁同步电动机是随着永磁体材料的不断发展而 发展的。直到第三代稀土永磁材料的问世，永磁 电机得到了飞速发展。 研究现状： 国外：80年代、90年代出现了大量永磁同步电动 机理论和研究方法的文章。 国内：80年代起，以唐任远的《现代永磁电机理 论和设计》和李钟明的《稀土永磁电机》 为代表。
第三章 PMSM的有限元分析
定义材料属性：气隙定义为空气 ；槽与转轴定义 为铜 ；定转子冲片选用DW510-50硅钢片 ；永磁体 采用钕铁硼NTP264 ，Br=1.12T，Hc=820kA/m。 建模：创建一个模型的顺序是由点到线、由线到 面。 槽的建立是电机建模的重要部分。为了使建立的 模型更通用化，要根据槽型确定其各个关键点相对 于电机轴中心的逻辑位置。 转子磁路结构的建立是整个电机建模的关键部分。 本设计系统包含3种磁路结构：表面型、U型和W型 转子磁路结构。根据每种结构的特点以及永磁体相 对于电机轴中心的逻辑位置，分别建立一组关键点 公式，从而完成转子磁路结构的建立。
直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密 分布图如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
运用ANSYS内部自带的傅立叶函数，对直轴电枢反 应气隙磁密进行傅立叶分解后得到基波幅值Bd1，从 而计算得直轴合成电动势Ed，然后根据
求得Xad。 同理可得Xaq。交轴电枢反应时交轴的磁密分布图 以及气隙磁密分布图，如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
空载漏磁系数
两点间标量磁位的绝对值之差就是通过单位轴向 长度内两点间的磁通量，根据空载漏磁系数的定 义，其永磁体空载时的总磁通Φ与进入电枢的气隙 主磁通Φ0之比，即 。
0
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
式中，A1-A8是节点1-8处 的磁位值。
相量图
根据永磁同步电动机的电路模型，当电动机稳定 运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同 步电动机的电压方程：
U I1 R1 j I 1 X1 E ad E aq E 0
I1 R1 j I 1 X1 j I d X ad j I q X aq E 0
I1 R1 j I d X d j SM软件对ANSYS的封装
4.2 VC调用ANSYS程序设计
整个设计软件系统的流程 图如右图。它主要由前处理 参数输入、传递参数到APDL 文件、提交APDL文件给ANSYS 进行批处理计算以及ANSYS计 算结果后处理等部分组成。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.1 PMSM的结构特点
按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电 动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、 内置式和爪极式。 表面式 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转 子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径 向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅 套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表 面包以无纬玻璃丝带作保护层。
第三章 PMSM的有限元分析
计算极弧系数
计算极弧系数可以定义为气隙平均磁通密度与最 大磁通密度的比值。 结合ANSYS对样机 磁场的分析，一个极 距范围内分布的空载 磁场气隙径向磁通密 度如右图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
交直轴电枢反应电抗
当定子中通入三相对称电流时，即
iA I m sin iB I m sin( 120 ) i I sin( 120 ) m C
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两 种。
凸出式 插入式 特点：隐极，结构简单， 特点：凸极，磁阻转矩， 动态性能好，漏磁大，成 成本低，转动惯量小 本高本低
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
内置式
按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系， 内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和 混合式三种。 径向式：漏磁系数小，不需隔磁措施，极弧系数易 控制，转子强度高，永磁体不易变形。 切向式：漏磁系数大，需隔磁措施，每极磁通大， 极数多，磁阻转矩大。 混合式：结合径向式和切向式优点，结构和工艺复 杂，成本高。
第三章 PMSM的有限元分析
样机采用的是U型永磁体的转子磁路结构，其整 个模型如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
赋予模型属性：把之前定义的各个材料的属性赋 予模型中相应的面。 剖分网格：ANSYS具有强大的网格剖分能力，样机 采用了自由剖分。 加载和求解 这部分的工作在Main Menu的Solution中完成。 首先需要对模型施加边界条件（即第一类边界条 件、第二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）。 将定子外侧表面取为第一类边界条件，即Az取为0。 永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材 料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励。在命 令输入窗口中输入命令magsolve就可以进行求解了。