傳統(tǒng)的整流裝置是電網污染的主要來源,三相電壓型PWM整流器具有輸出電壓恒定、能實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行的特點,甚至可以實現(xiàn)電能回饋電網.該文主要研究了三相電壓型PWM整流器,內容包括下列方面:原理、拓撲結構、數(shù)學模型、控制策略和硬件實現(xiàn).建立數(shù)學模型是研究三相PWM整流器的有效手段.分別在ABC靜止坐標系、αβ靜止坐標系和dq旋轉坐標系中建立了低頻和高頻數(shù)學模型.該文主要對電壓矢量定向控制和直接功率控制這兩種關于PWM整流器的控制策略進行了研究.電壓矢量定向控制包括間接電流控制和直接電流控制,該文分別介紹了它們的原理.關于直接電流控制,建立了它的仿真模型,并介紹了數(shù)字化實現(xiàn)的方法.由于電網電壓的諧波會惡化PWM整流器的工作性能,所以研究了改良的方法,并進行了實驗驗證.直接功率控制方法的主要特點是結構簡單、動態(tài)響應快、抗干擾性能好.該文介紹了瞬時功率的概念、直接功率控制的原理和電壓矢量選擇的方法.由于傳統(tǒng)的開關狀態(tài)表是引起無功功率控制效果差的主要原因,所以提出了改造開關狀態(tài)表的方法.仿真和實驗結果驗證了此方法的有效性.最后,對電壓矢量定向控制策略和直流功率控制策略作了比較研究.關于硬件方面,介紹了主電路LC參數(shù)的計算方法、二階有源濾波的設計方法、DSP2407的主要功能、IPM的驅動與保護.
上傳時間： 2013-04-24
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超聲波電機(Ultrasonic Motor,簡稱USM)是近二十年來發(fā)展起來的一種新型驅動裝置,該電機不同于傳統(tǒng)的電磁感應電機,它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)超聲振動,借助彈性體諧振放大,通過摩擦耦合產生旋轉運動或直線運動.這種電機的具有響應快、結構緊湊、低轉速、大力矩、不受電磁干擾、斷電自鎖等優(yōu)點,在微型機械、機器人、精密儀器、家用電器、航空航天、汽車等方面有著廣泛的應用前景.隨著超聲波電機的推廣應用和產業(yè)化發(fā)展的需要,對超聲波電機的驅動和控制技術的研究就非常必要了,小型化、通用化、高性能的驅動電源和簡單而又實用的控制技術已成為國內外研究的熱點.該文對于單一的定位控制,研究一種簡單且控制精度高的控制算法,結合所研制的縱扭復合型超聲波電機樣機,實現(xiàn)了高精度(0.010度)的定位控制,另對基于高性能DSP的驅動電源進行了初步的探討和研究,研制了通用性較高的驅動電源.該文開展的主要研究工作和取得的成果如下:1.簡要地介紹了超聲波電機的原理、發(fā)展歷史和特點,重點分析了超聲波電機驅動電源和定位控制的研究進展和存在的問題,從而引出該碩士論文的研究意義和主要內容.2.從理論和實驗上揭示這種電機具有的高分辨率和步進特性實質,提出了利用此特性實現(xiàn)高精度的定位控制策略——步進定位法,并分析了影響其定位精度的因素,結合所研制的縱扭復合型超聲波電機樣機,實現(xiàn)了高精度(0.010度)的定位控制,并確定了相關控制參數(shù)的選擇準則.3.簡要介紹了常用開關變換器結構,設計了以MOSFET為開關器件的半橋式逆變功率電路.介紹了高性能DSP(TMS320LF2407)為核心的控制信號發(fā)生電路和以UC3842為控制芯片的可調壓直流電源,結合控制電路和功率變換電路獲得了驅動超聲波電機所需兩項幅值、頻率、相位可調的交變方波,具有較高的通用性,為進一步開展運用較復雜控制策略的超聲波電機位置和速度伺服控制研究打下一定基礎.
上傳時間： 2013-04-24
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隨著電力電子器件、永磁材料、微機、新型控制理論和電機理論的發(fā)展，無刷直流電機的技術優(yōu)勢逐漸凸顯，近年來在各種驅動、伺服和控制領域得到了迅速的推廣應用。大功率無刷直流電機在國外已經成功應用于對系統(tǒng)效率、可靠性要求較高的場合，在國內，近年來也引起了廣泛興趣。本課題對大功率無刷直流電機進行預研，以兩臺無刷直流電機樣機為研究對象進行分析和電磁設計研究。首先計及電樞繞組電感，從分析換相過程入手，建立了三相星型六狀態(tài)工作模式下，電壓源型無刷直流電機的數(shù)學模型，并基于此模型，通過仿真和實驗，對該種無刷直流電機的電磁轉矩系數(shù)、反電勢系數(shù)、機械特性和電樞等效電阻等進行了深入研究，分析表明電樞繞組電感對上述各系數(shù)和特性存在較大影響，因此在大功率無刷直流電機設計和分析中，電樞繞組電感必須予以考慮。其次，本文對等效磁路法、電磁場有限元法和等效磁網絡法以及它們在無刷直流電機電磁設計中的應用進行了比較研究，提出了采用有限元法計算漏磁系數(shù)、計算極弧系數(shù)、電樞計算長度和氣隙系數(shù)，然后把它們應用到等效磁路法中進行空載特性計算，而采用電磁場有限元法分析負載特性的場路結合法。以此為基礎，編制了無刷直流電機電磁設計軟件，并將其應用于兩臺樣機的設計，通過與電磁場有限元法計算結果和實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該方法的準確性。最后對兩臺樣機的電樞反應及其影響進行了仿真和實驗研究，分析發(fā)現(xiàn)q軸電樞反應是影響切向磁化結構的無刷直流電機性能的主要因素，設計中需采取措施抑制q軸電樞反應的影響。
上傳時間： 2013-04-24
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變電站是電力系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，它的運行情況直接影響到電力系統(tǒng)的可靠、經濟運行。一個變電站運行情況的優(yōu)劣，在很大程度上取決于其二次設備的工作性能。現(xiàn)在的變電站有三種運行模式：一種是常規(guī)變電站，一種是部分實現(xiàn)微機管理、具有一定自動化水平的變電站，再有一種是實現(xiàn)無人值班、全面微機化的綜合自動化變電站。在常規(guī)變電站中，其繼電保護、中央信號系統(tǒng)、變送器、遠動及故障錄波裝置等所有二次設備都是采用傳統(tǒng)的分立式設備，而且站內配備大量控制、保護、記錄用屏盤。使裝備設置復雜，占地面積大，日常維護管理工作繁重。這種常規(guī)變電站的一個致命弱點是不具備自診斷能力，對二次系統(tǒng)本身的故障無法監(jiān)測。因此，這種常規(guī)變電站已逐漸被淘汰。 要提高變電站運行的可靠性及經濟性，一個最有效的方法就是提高變電站運行管理的自動化水平，實現(xiàn)變電站的綜合自動化，以微機化的新型二次設備取代傳統(tǒng)使用的分立式設備。開發(fā)集保護、控制、監(jiān)測及遠動等功能為一體的新型設備，并實現(xiàn)設備共享、信息資源共享，使變電站設計簡捷、布局緊湊，運行更加可靠安全。 隨著微型計算機技術、集成電路技術的迅速發(fā)展，原來越多的新技術和新產品應用到變電站的二次設備中去，使變電站的二次設備得到不斷的更新?lián)Q代。該項研究把一種新型的低壓電能量測量芯片與高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)結合起來，利用DSP體積小、功能強、功耗低、速度快、性價比高等優(yōu)點，設計出新型的變電站線路測控單元，實現(xiàn)對高壓線路的測量、監(jiān)視和控制，這種新型的二次設備比傳統(tǒng)的二次設備具有更高的精度和更快的相應速度。 與此同時，網絡理論和技術的發(fā)展，也使變電站監(jiān)控系統(tǒng)的結構發(fā)生了很大的變化，由原來的集中控制型逐步過渡到功能分散、模塊化的分散網絡型，通過現(xiàn)場總線，使主控室和現(xiàn)場之間的聯(lián)系變成了串行通信聯(lián)系，從而提高的系統(tǒng)的可靠性和可維護性。CAN總線應用于變電站的監(jiān)控系統(tǒng)中，組成變電站的數(shù)據(jù)通信網絡，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和容錯能力。 該文就以上的兩個方面進行研究和設計，主要內容包括：一是在簡單介紹新型電能測量芯片和DSP的基本知識的基礎上，提出了一個變電站測控單元的設計方案，并從從硬件和軟件兩個方面進行了詳細的介紹，主要部分是對測量模塊的設計；二是系統(tǒng)的通信接口模塊設計，從硬件和軟件方面詳細的介紹了通信模塊的三種不同的通信接口的設計，分別是RS-232串行通信、RS-485總線通信、CAN總線通信；三是在分析現(xiàn)代測控系統(tǒng)發(fā)展歷史，指出了現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)的優(yōu)越性；四是設計出的測控系統(tǒng)單元的基礎上，利用CAN現(xiàn)場總線構建變電站的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。 該文提出的方案、技術以及結論對于變電站監(jiān)控系統(tǒng)和自綜合動化系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程設計都具有實際的參考意義。
上傳時間： 2013-04-24
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開關磁阻電機（SR電機）驅動系統(tǒng)（SRD）是一種先進的機電一體化裝置，但是其較大的振動噪聲和轉矩脈動問題制約了SRD的廣泛應用。本文以減小SR電機振動噪聲和轉矩脈動為主題展開理論分析和實驗研究。主要內容有：由于徑向力引起的定子徑向振動是SR電機噪聲的主要根源，因此徑向力的分析和計算是研究SR電機振動噪聲的基礎。本文利用磁通管法推導出徑向力的解析表達式，定性分析了徑向力與電機結構參數(shù)等之間的關系。根據(jù)虛位移原理，推導出基于矢量磁勢的電磁力計算公式。該計算方法求解電磁力時只需進行一次磁場計算，不但減小了計算量，同時計算精度較傳統(tǒng)虛位移法高。利用這一計算方法，求出了實驗樣機的轉矩及徑向力的精確數(shù)值解。針對在SRD性能仿真時，傳統(tǒng)的非線性插值不但耗時，而且對有限元計算數(shù)據(jù)量要求高的問題，本文利用人工神經網絡強大的非線性模型辨識能力，成功進行了SR電機磁鏈反演和轉矩計算的模型訓練，最后建立了基于人工神經網絡的SR電機精確解析數(shù)學模型。因為SR電機本體結構形式的選擇問題與振動噪聲大小有著密切的關系。本文從噪聲輻射和振動幅值角度探討了SR電機主要尺寸的確定；接著從對稱性、力波階數(shù)等角度研究了SR電機相數(shù)及繞組連接方式、極數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)的選擇問題。并對一些常用的降低電機機械噪聲的措施和方法進行了綜述。系統(tǒng)振動特性的研究對于減小振動噪聲十分重要。本文從振動系統(tǒng)的運動方程出發(fā)，導出了從激振力到振動加速度的傳遞函數(shù)和系統(tǒng)的自由振動解；然后利用機電類比法得出了SR電機定子系統(tǒng)的固有頻率以及振動振幅的解析解，定性分析了影響振動振幅的各種因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通過建立不同的散熱筋結構形式、高度、根數(shù)以及形狀的SR電機三維有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散熱的散熱筋結構是高度高、根數(shù)多、上窄下寬的梯形截面的周向散熱筋的結論。通過建立不同繞組裝配工藝下的SR電機三維有限元模型，分析得出了加強繞組剛度可以提高系統(tǒng)低階固有頻率的結論。通過比較實驗樣機的模態(tài)分析結果和運行實驗結果，證實了模態(tài)分析的有效性。仿真是計算SRD系統(tǒng)性能和預估電機振動的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系統(tǒng)的非線性動態(tài)仿真模型的基礎上，對SRD系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)性能仿真、動態(tài)性能仿真以及負載突變仿真。接著利用穩(wěn)態(tài)性能仿真，綜合考慮最大平均轉矩和效率這兩個優(yōu)化目標，對SR電機的開關角進行了優(yōu)化。最后結合由磁場有限元計算得到的徑向力數(shù)據(jù)表和穩(wěn)態(tài)性能仿真，通過非線性插值得到徑向力的波形，然后對徑向力波形進行了頻譜分析，從而找到其主要的諧波分量。在電機設計階段避免徑向力波主要頻譜分量與SR電機定子的固有頻率接近而引起共振是降低SR電機噪聲的首要條件。合適的控制策略對于SR電機減振降噪是必不可少的。本文理論推導出三步換相法的時間參數(shù)取值公式。仿真證明本取值公式較原先文獻的結論在阻尼比較小時有更好的減振效果。針對SR電機運行中可能出現(xiàn)多個模態(tài)振形被激發(fā)出來的情況，利用數(shù)值優(yōu)化法對三步換相法的時間參數(shù)進行了優(yōu)化，使得減振效果整體最佳，所提的數(shù)值優(yōu)化方法對兩步換相法同樣有效。在分析已有的直接瞬時轉矩控制的基礎上，針對其不足之處，提出了轉矩定頻控制取代內滯環(huán)的方法、開始重疊區(qū)域的轉矩控制方法、最佳開關角度二次優(yōu)化法和時間參數(shù)優(yōu)化的三步換相法等新的控制方案。動態(tài)仿真證明這些方案是切實有效的，達到了預期效果。最后在直接瞬時轉矩控制的每一次轉矩斬波都使用三步換相法，和在相關斷時刻根據(jù)實際電平靈活選用兩步或三步換相法以減小電機振動噪聲，并提出了考慮減振要求的開關頻率設計方法，最終形成了一套完整的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略。設計并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR電機控制器。根據(jù)控制策略要求，選用了不對稱半橋功率電路拓撲結構；出于降低成本以及提高可靠性考慮，采用了MOSFET雙路并聯(lián)電路方案。在控制軟件中實現(xiàn)了本文所提出的降低SR電機振動噪聲和轉矩脈動控制策略。本文最后對實驗樣機進行了靜態(tài)轉矩的測量實驗，對比轉矩測量值與轉矩有限元計算值，驗證了磁場有限元計算的有效性。然后對實驗樣機進行了空載與負載、電流控制與轉矩控制、低速斬波與高速單波、是否采用兩步或三步換相法等一系列對比運行實驗，對比各種實驗結果，充分證實了本文所提出的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略的有效性。本課題組承擔了國家十·五863計劃電動汽車重大專項：“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制系統(tǒng)”（2001AA501421）。本文的研究是在該項目的資助下完成，并且本文關于電機本體結構形式、散熱筋結構和機械降噪措施等的結論已在該項目的60kW實驗樣機上得到證實。
上傳時間： 2013-07-05
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TPMS是輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫形式，主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)。 在汽車的高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，在國內的高速公路上，由爆胎引發(fā)的交通事故占事故總數(shù)的70％。在美國，這一比例更高達80％[1]。爆胎造成的經濟損失巨大，怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題，研究表明，保持標準的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。于是汽車輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)TPMS(TirePressureMonitoringSystem)應運而生。 TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎里的遠程輪胎壓力監(jiān)測模塊(RemoteTirePressureMonitoring)和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器(LCD顯示器)。遠程輪胎壓力監(jiān)測模塊直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調制后通過高頻無線電波(RF)發(fā)射出去。一個TPMS系統(tǒng)有4個或5個(包括備用胎)RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的報警信號，提醒駕駛者采取必要的措施；同時駕駛員可以根據(jù)實際情況設定溫度和壓力報警上下限。 隨著中國經濟的持續(xù)發(fā)展，汽車越來越多地進入普通家庭，對汽車安全性能的要求越來越高，因此、研究高性能、高可靠性的汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。
上傳時間： 2013-06-06
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感應電機雙饋調速系統(tǒng)是一種性能優(yōu)越的電力拖動控制系統(tǒng)，它不僅降低了功率變換器的額定功率，而且能夠通過調節(jié)轉子電壓的幅值、相位和頻率來實現(xiàn)電機定子側功率因數(shù)的調節(jié)。由于系統(tǒng)控制方法的靈活性和多樣性，使得雙饋電機在工業(yè)傳動領域、風力發(fā)電以及抽水蓄能電站中擁有廣闊的應用前景。 本文主要對雙饋電機矢量控制系統(tǒng)進行了相關研究。首先，比較雙饋調速系統(tǒng)和傳統(tǒng)的異步電機變頻調速系統(tǒng)的異同點，闡述了雙饋電機的工作原理，各種不同的磁場定向控制方式，并分析了它的穩(wěn)態(tài)特性；接著，利用雙饋調速系統(tǒng)控制方法靈活多樣的特點，構建了一套交直交變換器勵磁的矢量調速系統(tǒng)，系統(tǒng)模型建立在以轉子磁鏈定向了同步旋轉的坐標軸系中，可以實現(xiàn)雙饋電機轉速與無功功率的解耦控制，同時，控制交直交變換器能量的雙向流動，雙饋電機可以在超同步、亞同步方式下運行，通過計算機仿真，驗證了這種控制方式的可行性和正確性；隨后，闡述了雙饋電機的功角特性，通過功角特性分析了電機的靜態(tài)穩(wěn)定性，并建立了雙饋電機的開環(huán)電壓控制、開環(huán)電流控制以及矢量控制的小信號模型，對上述幾種控制方式下的雙饋電機暫態(tài)穩(wěn)定性進行了深入研究；最后，綜合上述討論結果，設計了雙饋電機的控制系統(tǒng)硬件部分，并給出了部分軟件設計流程。
上傳時間： 2013-07-25
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電機是現(xiàn)代生產中的重要電氣設備，電機的故障會對生產造成重大影響，因此需要監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。同時，不斷提高的環(huán)保標準要求控制電機的噪聲。測試和分析電機的振動為電機的故障診斷和電機的噪聲控制提供了途徑，因此有必要建立一個電機振動測試分析系統(tǒng)。 過去20多年來，虛擬儀器技術取得了長足發(fā)展，在工程測試等領域得到了廣泛的應用。相比于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器技術具有性能高，擴展性強等諸多優(yōu)勢。LabVIEW是虛擬儀器軟件開發(fā)平臺中最常用的一個。 本文在虛擬儀器的基礎上開發(fā)了電機振動測試分析系統(tǒng)，主要內容包括以下幾個方面： 1．電機振動測試分析平臺的建立，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，配合數(shù)據(jù)采集卡，加速度傳感器等硬件設備建立了電機振動信號采集與處理的虛擬儀器系統(tǒng)，完成振動信號的采集、顯示、處理、數(shù)據(jù)管理等一系列功能； 2．電機振動信號處理方法的研究，深入分析了傅里葉變換、時頻分析、小波分析等在電機振動信號處理中的優(yōu)缺點，著重研究了獨立分量分析等新技術在電機內部振動信號處理上的應用，針對電機振動的特性，給出了各種信號處理方法的參數(shù)優(yōu)化： 3．電機故障診斷的研究，針對電機故障特征量的提取和選擇提出了作者自己的見解，建立了基于振動的最小二乘支持向量機電機故障診斷，實例證明了支持向量機在電機故障診斷上的有效性； 4．針對電機故障診斷中故障樣本不易獲得的特點，提出了基于支持向量數(shù)據(jù)描述的多層分類器，是一種較有應用價值的新方法。
上傳時間： 2013-06-24
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開發(fā)和研制無鐵心永磁電機是當前電機領域的一項重要課題，無鐵心永磁電機可以解決傳統(tǒng)有鐵心電機存在的重量重、損耗高、振動噪聲大等問題。開發(fā)無鐵心永磁電機需要準確計算電機的參數(shù)和性能，而實現(xiàn)這一任務的重要前提是獲得正確的磁場分布。無鐵心永磁電機氣隙外沒有鐵磁材料，其自身的結構特點決定了無鐵心永磁電機的氣隙磁場屬于三維開域磁場，開域磁場工程問題的計算是近年來計算電磁學的研究熱點之一。 本文的研究內容是國家高技術研究發(fā)展(863)計劃項目“新型稀土永磁電機設計與集成技術”的關鍵技術之一。針對無鐵心永磁電機的實際工程問題，計算方法的選擇力求既能保證一定的計算精度，又能節(jié)約計算機內存和CPU時間。根據(jù)對各種開域電磁場計算方法的分析比較，本文將漸近邊界條件法和有限元法結合解決無鐵心永磁電機三維開域磁場計算問題。 本文主要由以下幾部分組成： 第一部分為無鐵心永磁電機三維開域磁場計算方法的研究。首先提出了基于標量磁位的漸近邊界條件，建立了球形邊界的標量磁位漸近邊界條件數(shù)學模型。為了盡可能減少節(jié)點的數(shù)量，結合無鐵心永磁電機的具體結構，推導了適合于盒形截斷邊界和圓柱形截斷邊界上簡便易行的一階和二階標量漸近邊界條件算子，該算子具有簡單、有限元實施容易的特點。其次研究并建立了標量漸近邊界條件與有限元法結合的三維開域靜磁場的數(shù)學模型，并提出具體的實施方法，推導出相應的離散方程。通過對具有解析解的長方永磁體三維開域磁場的實例計算，驗證了方法和所編程序的正確性，并將漸近邊界條件法與截斷法在計算精度和人工外邊界距離方面做了比較。結果表明：在相同人工外邊界情況下，漸近邊界條件與截斷邊界條件相比，計算精度明顯提高，二階漸近邊界條件明顯優(yōu)于一階漸近邊界條件。與截斷法相比，漸近邊界條件法更節(jié)約計算機內存和CPU時間，比較好地處理了計算量與計算精度之間的矛盾。 第二部分針對Halbach陣列內轉子無鐵心永磁電機三維開域磁場問題進行深入研究。利用漸近邊界條件法，定量地計算了在定轉子均無鐵心的情況下電機內部及周圍磁場的大小，總結出了Halbach陣列無鐵心永磁電機磁場的空間分布規(guī)律。 第三部分針對不同拓撲結構的Halbach磁體陣列電機磁場問題進行對比研究。通過大量的計算，探討了Halbach陣列永磁電機在轉子無鐵心情況下影響氣隙磁密的各種因素，分析了不同Halbach磁體軸向長度對端部漏磁的影響規(guī)律，給出了無鐵心永磁電機漏磁系數(shù)、電樞計算長度等主要設計參數(shù)隨電機結構尺寸的變化規(guī)律。 第四部分針對具有試驗數(shù)據(jù)的三種結構的無鐵心永磁電機樣機進行了計算和分析，計算結果與試驗數(shù)據(jù)吻合，從而驗證了漸近邊界條件法處理三維開域磁場問題的有效性和實用性。
上傳時間： 2013-06-22
上傳用戶：ivan-mtk
本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發(fā)電機分布式發(fā)電與能量轉換系統(tǒng)研究”(50437010)的部分研究內容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機領域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個：一是轉子的高速旋轉，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關鍵技術。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關鍵技術進行了深入地研究，主要包括以下內容： 首先，進行了高速永磁電機轉子的結構設計與強度分析。根據(jù)永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉子結構。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加的靜態(tài)預壓力抵消高速旋轉離心力產生的拉應力，使永磁體高速旋轉時仍承受一定的壓應力，從而保證永磁轉子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉子應力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，計算了永磁體和護套中的應力分布。該種轉子結構和強度計算方法已應用于高速永磁電機的樣機設計。 其次，進行了高速永磁轉子的剛度分析和磁力軸承—轉子系統(tǒng)的臨界轉速計算。基于電磁場理論分析了磁力軸承支承的各向同性，利用氣隙靜態(tài)偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度，在對高速電機轉子結構離散化的基礎上建立了磁力軸承—轉子系統(tǒng)的動力學方程，采用有限元法計算了高速永磁電機轉子的臨界轉速。利用該計算方法設計的1臺采用磁力軸承的高速電機，已成功實現(xiàn)60000r/min的運行。 再次，進行了高速永磁電機的定子設計，提出了一種新型環(huán)形繞組結構。環(huán)型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中，不但增加了定子表面的通風散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統(tǒng)2極電機繞組端部軸向過長的難題，使轉子軸向長度大為縮短，從而增加了高速永磁電機轉子系統(tǒng)的剛度。 然后，采用場路耦合以及解析與實驗相結合的方法，分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升，并對高速永磁發(fā)電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優(yōu)點是體積小和功率密度大，然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗，對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數(shù)測定。然后采用場路耦合的方法，分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉子護套和永磁體內的高頻附加損耗以及轉子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎上，計算了高速電機的溫升。最后，設計制造了一臺額定轉速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機，并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉速下空載運行時的定、轉子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結果的對比，部分驗證了高速永磁電機理論分析和設計方法的正確性。在此基礎上，提出一種高速永磁電機的改進設計方案，為進一步的研究工作打下了基礎。
上傳時間： 2013-04-24
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