第 1章 绪论
1.1 课题的研究意义
同步电动机具有转子结构坚固，起动转矩高，功率因素可调和效率高等优点。相对于异步电机，同步电机由于转子增加励磁绕组，有更为复杂的结构。因为凸极同步电动机具有结构简单，起动性能好，运行时振动和噪声低等特点，所以目前对于四极以上的大型同步电动机，转子磁极均制成凸极式[1]。对于凸极同步电动机，磁极铁心按照制造工艺来划分，可以分为实心磁极和叠片磁极两种结构。两种磁极形式对同步电动机本身的性能影响各有优劣。
实心磁极同步电动机具有制造成本低，材料强度高等工艺方面的特点，相比于叠片磁极同步电动机，有较高的机械可靠性和更好的力能指标。并且对于大型电机来说，因为制造叠片磁极相对困难，所以使得实心磁极在工艺上占有一定优势。但实心磁极自身也存在着不可忽视的缺点，主要表现在实心磁极受到磁场谐波的影响，使磁极中产生较大的涡流，并由于集肤效应的作用，使得涡流集中在一定的透入深度流通，这样对实心磁极电机的性能指标带来较大的影响。尤其针对大型实心磁极电机，由于电机结构的影响，使得电机磁场中更含有非常大的谐波分量，较大的涡流影响会产生很大的涡流损耗，严重降低电机的运行效率。
随着电气设备的发展，能源利用率的提高，降低损耗，提升效率已经成为一个重要的研究方向。当前电机产品不断推陈出新使电机效率得到稳步提升，而电机的效率同时也是衡量电机性能的重要指标。涡流问题，是一个重要而且复杂的问题。涡流的存在不但会产生损耗，还会对电机局部发热造成影响，并且对电磁场的分布起着重要作用，直接影响电机的电磁性能。由此可见，涡流问题是诸多问题的关键所在，那么，深入了解电机内涡流现象的规律和本质相当必要。尤其针对实心磁极同步电动机，涡流带来的不良影响将很大程度地制约这种电机的应用场合。通过对实心磁极内涡流的研究，使人们找出克服这种缺点的方法，可以推动实心磁极同步电动机广泛发展。所以针对本文所研究的实心磁极电机，需重点计算实心磁极所带来的涡流损耗问题。而本文为达到与实心磁极同步电动机进行对比分析的目的，同时也研究了叠片磁极同步电动机的涡流问题，尽管叠片磁极产生的涡流损耗相对较小，但对于大型电机，其涡流损耗情况也不可小视。所以对于本文的叠片磁极同步电机涡流的分析，也是不可避免的。
1.2 两种磁极同步电动机的研究现状
凸极同步电动机的应用日益增加，由于其具有广泛的应用前景，对于凸极同步电机的研究逐渐成为国际电工领域的热点问题。目前，对于叠片磁极电机的研究已经比较成熟，更是日趋完善。但是由于其较小的涡流损耗，许多对于该类电机的研究都将此部分进行忽略处理。并且由于叠片厚度很薄，建立叠片磁极电机模型以研究叠片磁极片间和片内的具体涡流分布情况，相对来说是比较困难的。由于实心磁极的特殊结构，带来很大的涡流损耗，制约了实心磁极同步电动机的发展。所以当前对于实心磁极电机的电磁分析相对较少，而对于实心磁极同步电动机的三维电磁场的仿真分析更是处于起步阶段。涡流问题的解决是电机内电磁场分析的一个主要应用目标，也是实心磁极同步电机设计和性能优化不可或缺的部分。各国学者也将涡流问题作为对于实心磁极电机研究的重点问题看待，以致力于解决实心磁极电机的效率问题，使其能够高效运行，是实心磁极电机得到广泛发展的前提条件。随着相关计算软件的开发和计算机运行能力日益增强，建立的电机模型和设定的边界条件越来越贴近真实电机的结构和运行条件。二维和三维的电磁稳态涡流仿真也逐渐成熟化，为凸极电机的电磁计算提供有力条件。
1.2.1 国外研究现状
由于叠片磁极可以有效抑制涡流的产生，目前已经被广泛应用于变压器，交、直流电机，永磁、励磁等电机行业的各个领域，并且对其分析与研究也较为完善。而后，考虑到实心磁极自身具有一些特性，可以被应用在某些特定场合，比如力矩电机等，实心磁极异步电机才被提出并得以应用[2]。但是由于它功率因数和效率较低，故其用途十分有限。实心磁极同步电动机则是基于前人研究成果的基础上提出的。由于其较高的机械强度，在许多大型驱动设备上得以应用，如轧钢机，提升机等[3]。由于实心磁极的广泛应用前景，各国学者和科技人员纷纷对其做出了理论研究与试验论证。1972年，Silvester 首次提出了运用有限元法分析了涡流问题[4]。而后，在二十世纪80年代时，世界范围内兴起对电机内涡流的研究，在有限元法的基础上，有限元与电荷拟合方法，有限元与边界元法等各种组合方法相继被提出[5]。目前，英国学者 Richard Stoll 和德国学者Oliver Drubel 计算出一种凸极同步电动机极身的涡流透入深度，查看电机内气隙部分涡流分布，并计算得到极身的涡流损耗[6]。R. E. Rettler 应用动态有限元法对涡流发电机的定子和实心磁极中的涡流进行仿真分析，计算成果和实验数据相符合[7]。2010年，芬兰学者Paavo Rasilo和Antero Arkkio利用2D有限元模型，查看了一种电励磁凸极同步电机的涡流损耗[8]。国外学者还对实心磁极电机三维电磁场方面作了相关研究。
第2章 实心磁极同步电动机的电磁分析
由于实心磁极同步电动机特殊的磁极结构，要求在对电机进行相关电磁分析和仿真计算时，要保证精准建立模型为前提。电机模型的建立，对后续的分析研究具有重要的意义。涡流对电机电磁场的影响为本课题的重点研究对象，对涡流成因的分析也必不可少。严重的磁场谐波对电机的电磁性能带来巨大影响，所以对电机的电磁分析应着重对磁场谐波进行研究。涡流损耗使电机附加损耗增大，使电机运行效率减小，基于其对电机性能带来的重大影响，给出涡流损耗的计算方法也是至关重要的。
本章重点分析了空载工况下造成涡流损耗的谐波成因，给出实心磁极涡流损耗计算公式，对实心磁极同步电动机建立三维电磁场有限元模型，进行仿真计算，在场计算的结果上，对磁场谐波进行分析，进而对涡流给电机内电磁场带来的影响进行研究。
2.1 谐波成因的分析
当凸极同步电机空载运行时，其定子绕组磁势的基波与转子保持同步转速旋转，因此不会在转子磁极上产生涡流，但是气隙磁场中磁导齿谐波以及定子绕组磁势的谐波等均与转子磁极产生相对的运动。由电磁感应定律得知，当磁力线切割磁极后，在磁极中会产生感应电动势，引起电流在磁极中的分布与磁极表面的形状和磁通的分布有极大的关系，这样就形成了涡流电流。对于实心磁极同步电机来说，其产生的涡流主要集中在极靴表面。此过程带来的能量的损耗称为涡流损耗。而有研究表明，转子磁极的涡流损耗主要是由于谐波引起的。气隙磁密波形引起的损耗是由于在实心磁极中，谐波可以透入磁极材料，能够引起涡流电流，从而产生涡流损耗。
电机在空载运行状态下，其实心磁极中涡流损耗主要是由谐波磁场引起的，这些谐波磁场主要由以下三方面因素造成：
1．励磁磁势空间分布曲线中有谐波的存在 本文对电机的研究确定在其空载运行状态下，而凸极同步电机空载励磁绕组的磁势空间也会有谐波的存在，继而产生一系列的阶梯谐波。
2．定子铁心开槽导致 针对大型电机，定子基本上都开矩形槽，气隙磁通的波形受到电枢齿槽的影响，即在齿下部分气隙较小、磁导大，槽口处气隙较大、磁导小。这样会产生较强的磁导波，使得气隙主磁场上叠加了磁导波磁场。而定子绕组的集中嵌放方式会在气隙中形成阶梯波。
2.2谐波磁场在实心磁极的表面引起的涡流损耗的计算
有限元法是在当今工程中比较广泛应用的一种对电磁场分析方法，其分析过程是将研究的对象自身的连续性求解域分离成有限个小单元的组合体。在每个小单元内假设近似函数来表示整个求解域上的未知函数，而后对每个单元分别计算，再对各个小单元进行整合。这种化整为零，集零为整的办法便是解决问题的根本方法[15]。对于任何电磁场的仿真计算来说，模型的准确建立都至关重要，运用Ansoft 软件对电机电磁场模型的准确建立更是场计算求取正确结果的关键。鉴于电机内各部分磁场的复杂性，为获得电机实心磁极中准确的磁场信息，本章运用有限元方法，通过目前国际公认的电磁计算软件Ansoft 对电机建立三维模型对电磁场的分布情况进行求解[16]。
本电机转子磁极为整块铁心构成的实心磁极，所以在计算时，应当考虑涡流给电机带来的影响。当交变的电流通过电机铁心时，由于电磁感应的作用引起铁心截面上电流分布不均匀，越靠近铁心表面的电流密度越大，这样就在极靴表面形成了集肤效应。而对于光滑表面的实心转子，其涡流的透入深度将更大[18]。在三维电磁场中计算实心磁极，则要考虑集肤效应的影响。
由于本文主要对实心磁极的参数进行计算，需使计算在三维场电磁场中进行，这就要求将已求解的RM 模型导入三维场中进行仿真计算。考虑到Ansoft中三维电磁场所占的计算机资源非常庞大，在使用时应该采用模型的等效设置。为了减小计算量并不失一般性，根据实心磁极电机转子磁极对称的特点，并结合定子槽数分布的特点，本文确定对实心磁极电机对称结构的 1/4 模型进行电磁场仿真计算[19]，求解域如图2-3所示。
在仿真分析之前，以确保计算结果的准确性，还要对模型施加正确的激励源以及对模型的边界进行定义。本章研究的对象为实心磁极同步电动机的三维电磁场模型，对电机在空载状态下进行分析与计算，所以为保证转子磁极极性的不变性，需要对励磁绕组施加正确的直流激励。为了减小计算的复杂性，这里只对实心磁极添加涡流效应的影响，而不计定子及绕组的涡流效应。又由于本章取电机的四分之一模型进行计算，为了保证计算可以顺利进行，应该默认设置为主从边界条件和荻里克莱边界条件。
第3章 叠片磁极同步电动机的电磁分析 .................. 20
3.1 叠片涡流损耗的计算方法 .............................. 20
3.2 叠片磁极同步电动机模型的建立及求解过程 ............. 21
3.2.1 叠片磁极同步电动机模型的建立 ..................... 21
3.2.2 叠片磁极电机的求解过程 .......................... 22
3.3 仿真结果与分析 ..................................... 23
第4章 实心磁极与叠片磁极电机对比分析 ................. 27
4.1 运用解析法计算电机涡流损耗 ..................... 27
4.2 应用程序的开发 ................................ 28
4.3 对比分析 ....................................... 31
4.3.1 磁密谐波的比较分析 .......................... 31
结论 ............................................ 38
第4章 实心磁极与叠片磁极电机对比分析
对于凸极同步电动机，目前已经有比较成熟的解析法对其各部分性能进行计算，也有一系列可以应用的电磁计算公式。并且通过推导磁极表面涡流损耗的电磁计算公式，可以找出影响涡流损耗的相关因素。给出本文所研究的两种磁极结构同步电动机空载运行时转子表面附加损耗的计算结果，对涡流损耗原理的研究具有重要的意义。本章运用解析法分别对两种电机的电磁性能和涡流损耗进行计算，并将计算结果与前文场计算结果做出一系列对比分析以验证两种方法计算的可行性，并使计算结果趋于精准。同时将涡流对实心磁极电动机与叠片磁极电动机的影响进行比较分析，提出一些对电机电磁性能改进的方法，以便对于实心磁极同步电动机的后续研究与优化，使其能够得到广泛的发展与应用。
4.1 运用解析法计算电机涡流损耗
目前，使用解析法和有限元法对电机各部分性能计算已经成为对电机电磁计算的主流。使用有限元计算软件，可以较为准确地对电机内各部分结构进行计算，通过查看后处理结果，可以直观地看出电磁场对电机内给各个部分带来的影响。然而，对电机进行仿真计算则建模，剖分，设定边界条件等一系列求解步骤，具有前期处理时间过长，过程繁琐等缺点，不适宜应用在实际工程中。相对于有限元法，解析计算方法只需要一次性地推导计算，可以明确变量之间的相互影响，而且通常采用计算机辅助设计，这样可以大大缩短计算时间。解析方法的计算分析过程具有一定的通用性，可以对同种类型不同结构尺寸的电机进行计算，使电机的分析与研究过程大大简化。但解析计算不能明确的查看各个部分的结果，计算过程中也会存在一定的误差。
运用应用程序对电机性能计算，可以简化电机的电磁计算步骤，在很大程度上解决了手算过程易出现错误的现象，而且计算速度大大提高，从而很大幅度地提高了效率，体现了应用软件具有实用价值。基于以上几方面优点，并且为了验证本文有限元法计算的准确性，针对本文所研究的电机，使用VB语言开发一套专门的电磁计算程序具有一定意义。与电磁场计算相比，通过应用软件使用解析法计算尽管有运行相对简单，占用很小的计算机资源等优点，但其计算的结果不能直观地看出电机各个部位的电磁场的分布，所以本文同时使用两种计算方法分别对两种电机进行计算与研究，使计算分析的结果有更高的准确度。
结论
本文以实心磁极同步电动机和叠片磁极同步电动机为研究对象，分别对两种磁极结构的电机进行了电磁场仿真计算和路计算，并进行对比分析，主要研究成果如下：
1．分别针对实心磁极和叠片磁极同步电动机的磁极结构特点，分析了其涡流给电机电磁场带来的影响。并通过计算验证了实心磁极电机和叠片磁极电机磁极内的涡流分布情况，计算结果较为合理。
2．证实了运用 Ansoft 软件对实心磁极同步电动机进行三维有限元电磁场的仿真计算是完全可以实现的，同时可以实现对叠片磁极同步电动机的二维有限元电磁场仿真计算。并且，对于两种电机的仿真计算结果分别与其对应的公式计算结果相符合。验证了运用的两种方法分别对两种电机计算的正确性。
3．通过对磁场谐波分析，得出对于两种电机，3、5、7 次和 41、43 次谐波相对较高，并且实心磁极电机的一阶齿谐波要比叠片磁极电机大很多的结论。继而推出，除叠片磁极片间绝缘的作用，抑制了叠片磁极电机的涡流损耗外，实心磁极电机的一阶齿谐波也会产生相对较大的涡流损耗。
4．对两种电机涡流损耗进行了计算，计算结果表明，场的计算方法与路的计算方法的结果基本一致，验证了本文所使用的计算方法的可行性。并且得出实心磁极同步电动机的涡流损耗要比叠片磁极同步电动机大很多的结论。
此外，由于时间有限，本文只对实心磁极同步电动机的电磁分布情况做了研究，而对实心磁极温升的相关情况的后续研究与计算必不可少。本文同时为改善该类电机结构，增大电机运行效率的研究奠定了基础。
参考文献（略）
参考文献（略）