摘 要摘 要在传统的工业领域，电机作为能量转换的载体，通常对输出功率、起动转矩等性能有较高要求，但其自重往往过大，而且在使用场合占用较大空间，工作效率不够高。在工业自动化、智能化的趋势中，许多传统电机已经不再适用于诸多新的使用场合，如对空间利用率要求较高的小型设备、自重不宜过大的新型交通工具以及对能量利用率有较高要求的节能产品等。随着科技的发展，永磁同步电机（PMSM，Permanent-Magnet Synchronous Motor）在工业方面的应用越来越广泛。永磁同步电机采用永磁体制作电机转子，是一种具有重量较轻、体积小、结构简单、损耗小、效率高等优点的新型电机。由于其既不需要像直流电机那样添加冗余的电刷和换向器等装置，也不必像异步电机那样通入无功励磁电流，因而具有效率高、转矩惯量大、定子电流和定子电阻损耗小等优点，为工业生产带来了诸多方便。本文主要讲述了永磁同步电机的发展与趋势、工作原理以及基于水下无人航行器应用背景的电机设计过程。在总结水下无人航行器电力推进系统的推进要求后，详细介绍其电磁设计。选用Ansoft系列软件的Rmxprt模块来建立该电机物理模型，然后添加电机解算方案，得到功率、效率、转矩等特性曲线。最后结合具体参数进行性能分析，总结出优化与改进方案。通过RMxprt中对物理模型的调试，永磁同步电机很好地实现了稳定运行，基本能够满足水下无人航行器的应用要求。关键词水下无人航行器；永磁同步电机；电磁设计；RMxprt
目录
第一章 绪论 3
1.1 课题背景及研究意义 3
1.2 国内外研究现状 3
1.3 课题主要研究内容 5
1.4 小结 5
第二章 永磁同步电机的原理 6
2.1 永磁同步电机的结构 6
2.1.1 定子结构 6
2.1.2 转子结构 7
2.1.3 转子磁极结构 7
2.2 永磁材料 11
2.2.1 永磁材料的概念和主要性能参数 11
2.2.2 常用永磁材料的基本性能 13
2.3 相关电磁关系 15
2.3.1 气隙磁场相关系数 15
2.3.2 感应电动势 16
2.
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3.3 交直轴电抗及电磁转矩 18
2.4 小结 20
第三章 永磁同步电动机的电磁设计 21
3.1 额定数据和主要尺寸 21
3.2 定转子以及永磁体设计 23
3.3 绕组计算 26
3.4 磁路计算 28
3.5 参数计算 32
3.6 工作特性计算 37
3.7 起动特性计算 41
3.8 小结 46
第四章 基于RMxprt的电机本体设计及性能分析 47
4.1 设计工具简介 47
4.2 永磁同步电动机的本体设计 48
4.2.1 基本性能与定子设计 48
4.2.2 转子及永磁体设计 50
4.3 永磁同步电动机性能曲线的分析 53
4.4 小结 55
结论与展望 56
致 谢 58
参考文献 59
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
水下无人航行器（UUV，Unmanned Undersea Vehicle）可分为遥控航行器（ROV，Remotely Operated Vehicle）和自主（治）式水下航行器（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）两大类[1]。ROV和AUV两种航行器的核心技术具有普遍共通性，其区别在于应用场合及性能要求上的差异。20世纪下半叶，UUV迎来技术飞跃并在军工领域得到广泛的应用。在民用上主要集中于海洋石油与天然气开发等方面，可以完成海洋水文和气象调查、海底环境监测、地形测绘和快速环境评估等任务。在军事应用方面，逐步由前期的打捞丢失海底的试验武器过渡到灭雷具和以新式鱼雷为代表的专用水中武器的发展。80年代末，AUV已不再需要海缆的牵引，而能在水下运作自如。上世纪末，潜艇在水下作战中的性能要求不断提高，传统的高成本、大体积、大吨位潜艇因无法适应近海联合作战而面临技术转型，研发的方向转为水下无人驾驶系统。在这样的背景下，水下无人航行器得以蓬勃发展。当前，国际上已经出现了水下无人航行技术的研究热潮。
在水下无人航行技术上，目前已经确定六项关键技术，包括长续航力推进、水下通信、大地和相关导航、任务管理与控制、传感器和信号处理以及航行体设计。其中，长续航力推进作为水下无人航行器顺利完成各种任务的基本保证，要求推进电机必须能够与高能量密度的大航程电源配合，实现有限电能的高效利用。而在众多电机类型中，永磁同步电动机因为具有显著的节能效果、体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、温升低等优点，是推进电机的首选类型之一。因此，研究并设计出大小合适、可提供足够功率与起动转矩、能量损耗较小的推进用永磁同步电机，对促进水下无人航行技术的发展有重要意义。
1.2 国内外研究现状
近年来，由于永磁体制作工艺的改进和利用率的不断提高，永磁同步电机的制造成本逐步降低，在新兴领域的应用范围也逐渐扩大。目前，随着磁性能优越的新型永磁材料的开发利用，以及电子器件的不断推陈出新，在电机市场上已经出现很多新型永磁同步电机。其转子结构更趋复杂，运行原理也有所差别，电机尺寸及形状各有千秋，不仅能够适应各级容量要求，而且表现出强劲的推进性能。新型永磁同步电机极大地丰富了电机产品的种类，促进了电机技术的发展。
下面简要介绍一下处于永磁同步电机技术前沿的各国研发现状：
（1）德国
欧洲各发达国家由于汽车工业起步较早，电机技术已经较为成熟。其中，作为工业强国的德国已拥有相对领先的永磁同步电机技术，其U212潜艇的推进系统选用了体积和长度很小的1760kW永磁同步电机；Siemens公司在上世纪80年代研发的永磁同步电机便可达到1100kW的功率和230r/min的转速，目前同类型电机最大功率可达到14MW，转速为150r/min；Audi汽车公司的第三代混动车选择永磁同步电机作为驱动电机。
（2）日本
日本的电动车技术研发起步早，发展快，在上世纪60年代已成立电动车协会，因此在车用永磁同步电动机领域有较为丰富的经验。上世纪末，丰田在车辆驱动系统中做出新的尝试，在其量产的RAV4 EV车型中选用了最大功率50kW，最高转速1300r/min的永磁同步电机。本世纪出，本田汽车公司生产的FCXV4车型所用永磁同步驱动电机可实现最高功率60kW，最大转矩272Nm。在超高速电机领域，日本已经拥有功率为1000kW，转速为15000r/min的永磁同步发电机。

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