開發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有鐵心電機存在的重量重、損耗高、振動噪聲大等問題。開發無鐵心永磁電機需要準確計算電機的參數和性能，而實現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，又能節約計算機內存和CPU時間。根據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學模型。為了盡可能減少節點的數量，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于一階漸近邊界條件。與截斷法相比，漸近邊界條件法更節約計算機內存和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律，給出了無鐵心永磁電機漏磁系數、電樞計算長度等主要設計參數隨電機結構尺寸的變化規律。 第四部分針對具有試驗數據的三種結構的無鐵心永磁電機樣機進行了計算和分析，計算結果與試驗數據吻合，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
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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電機分布式發電與能量轉換系統研究”(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，提出了一種新型環形繞組結構。環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，并對高速永磁發電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優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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近年來，隨著永磁材料的發展，永磁同步電機應用日益廣泛。永磁同步電機根據反電動勢和電流波形的不同，可分為梯形波永磁同步電機(無刷直流電機)和正弦波永磁同步電機(永磁同步電機)。正弦波永磁同步電機為實現其正弦波驅動控制需要連續的轉子位置信號，通常采用機械位置傳感器(旋轉變壓器、光電編碼器等)，機械位置傳感器雖可以提供高精度的轉子位置信息，但其體積大，價格高，增加了轉子的慣量，且性能易受環境因素的影響，限制了永磁同步電機的應用場合。近年來受到廣泛的關注的無位置傳感器技術，是通過檢測反電動勢(電壓)或電流等過零點獲取轉子的位置信號，此技術雖取消了機械位置傳感器，但存在控制復雜，位置檢測精度不高，運行轉速范圍受到限制等問題。為解決上述問題，本文研究采用低成本的低分辨率位置傳感器取代機械位置傳感器，通過位置估算法得到高分辨率的轉子位置信號，以實現永磁同步電機的正弦波驅動控制問題。 首先，本文分析了傳統的采用位置區間的平均速度和采用平均速度并引用平均加速度實現位置估算法的原理，針對其不足提出了一種改進的方法，該法通過對位置區間初始速度的估算，可以顯著提高速度、位置的估算精度。本文建立上述三種位置估算法的Matlab仿真模型，并對其進行了仿真研究，仿真結果表明：改進位置估算方法即使在加減速等動態性能過程中也能保持較小的位置誤差，性能明顯優于傳統的方法。 其次，完成了以TI公司的數子信號處理器(DSP)TMS320LF2407A為主控芯片，以IR公司IR2110為驅動芯片采用低分辨率位置傳感器的正弦波永磁同步電機控制系統的硬件電路的設計和調試工作。探討了正弦波永磁同步電機在采用無電流傳感器的電流開環控制時的控制策略問題。在此情況下電壓相位角φ對電機運行性能有重要的影響，為得到最佳的φ=f(ω)曲線，需根據負載特性進行優化。 最后，完成了基于TMS320LF2407A采用低分辨率位置傳感器的正弦波永磁同步電機的軟件設計，文中詳細討論了位置估算程序和實現SVPWM程序的設計和調試，并對其進行了實驗驗證。
上傳時間： 2013-07-23
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隨著電力電子技術的發展，高速永磁無刷直流電機應用前景越來越廣闊，有較大的研究價值，對其電磁性能進行準確的分析和設計具有重要的經濟價值和理論意義。本文主要是圍繞著永磁無刷直流電機，尤其是高速永磁電機的磁路、電路性能的分析、鐵耗和溫升的計算、優化設計、控制系統和樣機制造和實驗等做了大量的工作： 對電機的磁路進行分析設計：從磁路結構入手，分析了定子鐵芯、轉子鐵芯和永磁體的各種結構優劣及其選型、選材的根據；講述了場路結合的分析計算方法；給出了極數、槽數、繞組、轉子參數、定子參數和軸承的參數確定方法。 對永磁無刷直流電機的電路進行分析：從電機磁場分析入手，根據齒磁通分析計算了電樞繞組的感應電動勢；根據此電動勢的波形，推導了三相六狀態控制時，電動勢的電路計算模型，重點推導了電動勢平頂寬度小于120度電角度時的電路模型，指出換相前電流波形出現尖峰脈沖的原因，該模型考慮了電感對高速電機性能的影響；給出了基于能量攝動法計算繞組電感的方法。 高速永磁無刷直流電機內的損耗尤其是鐵耗較大，根據經驗系數來計算鐵耗的傳統方法已顯得力不從心，如何準確計算高速永磁無刷直流電機內的鐵耗是困擾電機工作者的一個難題，本文根據Bertotti鐵耗分立計算模型，進一步推導了考慮電機內旋轉磁化對鐵耗的影響的鐵耗計算模型，其各項損耗系數是由鐵芯材料在交變磁化條件下的損耗數據通過回歸計算得到。通過實際電機的計算和實驗測試，表明此計算模型有較高的準確度。隨著電機內損耗的增大，溫升也是一個重要問題，為了了解電機內的溫度分部，防止局部過熱，本文建立了基于熱網絡法永磁無刷直流電機的溫升計算模型，并對電機進行了溫升計算，計算結果和實際測量基本一致。 本文確立了永磁無刷直流電機的電磁計算方法，建立了優化設計的數學模型，編制了程序，用遺傳算法成功地對高速永磁無刷直流電機的效率進行了優化，給出了優化算例，并做出樣機，通過對優化前后的方案做出樣機并進行比較實驗，優化后測量損耗有了較大的減小。 對永磁無刷直流電機控制系統中的幾個關鍵問題進行了研究：位置檢測技術、三相逆變電路中的功率管壓降和控制系統換相角問題，它們都對電機的性能有很大的影響。本文著重分析了霍爾位置傳感器原理、選型及在電機中的安裝應用；功率管壓降對起動電流、功率的影響問題；控制系統提前或滯后換相對電機電流，輸出性能的影響，提出適當提前換相有利于電機出力。 做出永磁無刷直流電機樣機并進行實驗研究，主要包括高速永磁無刷直流電機、內置式永磁無刷直流電機、高壓永磁無刷直流電機的設計、性能分析、樣機制作、實驗分析等。建構了對樣機進行發電機測試、電動機測試、損耗測量的實驗平臺，通過在測試時使用假轉子的方法成功分離出了電機鐵耗和機械損耗，實驗測量結果和計算結果基本一致。 總之，通過對永磁無刷直流電機的磁路、電路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁無刷直流電機的設計理論和分析方法，并通過樣機的制造和實驗，進一步的驗證了這些理論和方法的準確性，這對永磁無刷直流電機的設計和應用有很好的參考價值。
上傳時間： 2013-04-24
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在永磁無刷直流電機中，即使電樞繞組不通電，由于水磁體產生的磁場同定子鐵芯的齒槽相互作用而產生轉矩，即齒槽定位力矩。定位力矩使電機輸出轉矩波動，產生振動和噪聲。影響齒槽轉矩的因素很多，如齒槽的數量、齒槽形狀、斜槽角度、磁鋼的極弧系數以及輔助凹槽等等，因此，準確計算定位力矩較為復雜。本文利用麥克斯韋張量法來分析定位力矩，為電機設計提供理論參考。文中闡述了齒槽力矩產生機理，綜述了抑制齒槽轉矩的方法，探討了抑制齒槽轉矩的發展趨勢。 本文以永磁無刷直流電機為對象，利用Ansoft有限元仿真軟件，通過有限元分析對改變槽口寬度、定子斜槽、改變極弧系數和定子沖片增加輔助凹槽對定位力矩的影響進行了研究。深入分析了沖片輔助凹槽對抑制永磁無刷直流電機定位力矩的作用，因為沖片面加輔助凹槽的方法，生產中便于加工，對電機性能影響很小。結果表明，同一沖片上在對稱位置上排布輔助凹槽能取得很好的效果，而以沖片中心線對稱地加兩個輔助凹槽時，輔助凹槽角度不同作用不同。對不同沖片，適合的輔助凹槽角度也是不同的。 最后對這幾種抑制定位力矩的方法進行優化組合，找出了一個最優的抑制永磁無刷直流電機定位力矩的方案。
上傳時間： 2013-06-18
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隨著工業電力電子技術的發展，電力系統中的非線性負載越來越多，由此帶來的諧波公害越來越嚴重。應用現代技術對諧波等進行經濟、有效地補償是目前急待解決的重要問題之一。消除諧波的方法是加裝濾波裝置。對高壓大容量諧波源國內外目前主要是采用LC諧振型無源濾波器(PassivePowerFilter，PF)，這些濾波器還兼有無功和負序補償功能。盡管PF具有初期投資小、運行效率高等優點，但其濾波效果受電力系統阻抗的影響較大，且只能消除特定次數的諧波，對于諧波次數經常變化的負載濾波效果不好，還可能與系統發生串聯、并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。進入80年代以后，隨著有源濾波技術的不斷深入和用戶對諧波問題的重視，以及電力電子技術的飛速發展，大功率可關斷器件(GTR，GTO，IGBT等)的不斷進步，有源電力濾波器(ActivePowerFilter，APF)作為抑制電網諧波、補償供電系統無功功率的新型電力電子裝置得到迅速發展，其中又以并聯型有源電力濾波器的使用最為廣泛。 本文以并聯型注入式混合有源濾波器為基礎，就其設計與應用的幾項重要技術進行了研究，論文主要包括以下幾個方面的內容： 1.就國內外有源濾波器的研究現狀和發展概況作了較為全面的綜述，介紹了目前研究的熱點與難點。 2.研究了各型有源濾波器的基本拓撲結構和運行原理，分析了其各自的優缺點。 3.提出了一種適合大容量工程應用的混合型濾波器結構，結合工程實際完成了各組成部分的參數設計。 4.對各種諧波檢測算法進行了比較研究，提出了一種準確性較高、延時較短的新型檢測方法。 5.就APF中逆變器的PWM調制問題，提出了一種基于新的改進規則采樣法的死區補償方法。
上傳時間： 2013-07-06
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無刷直流電機是隨著電力電子技術的發展和新型永磁材料的出現而迅速成熟起來的一種新型機電一體化電機.隨著無刷直流電機在各個領域的廣泛應用,其常用的帶位置傳感器控制方法顯露出了越來越多的局限性,而無位置傳感器控制方法,特別是"反電勢法"無位置傳感器控制方法則漸漸受到了人們的青睞.論文在詳細介紹了"反電勢法"無位置傳感器無刷直流電機控制原理的基礎上,對"反電勢法"無位置傳感器無刷直流電機控制系統的核心部分——反電勢過零檢測電路的設計進行了詳細的分析和研究,給出了設計中幾個關鍵之所在.另外,論文以變頻空調壓縮機用無刷直流電機為樣機,設計了一套基于"反電勢法"的無位置傳感器無刷直流電機控制系統,該控制系統以Motorola公司的MC68HC908MR32單片機為核心.文中介紹了系統的各個組成部分,給出了相應的抗干擾措施."三段式"起動技術是"反電勢法"控制中常用的起動方法,也是"反電勢法"控制中的一個關鍵環節.文中對"三段式"起動技術中轉子定位、外同步加速和外同步到自同步的切換進行了詳細的分析和討論,指出了各部分的難點,給出了相應的解決方法."反電勢法"控制中不可避免的會存在轉子位置誤差,論文對這種誤差產生的原因進行了分析,提出了減少轉子位置誤差的方法.論文還介紹了"反電勢法"無位置傳感器無刷直流電機控制中幾種常用的數字濾波算法,給出了該控制系統中采用這些算法的程序源代碼.在控制系統設計的基礎上,論文介紹了"反電勢法"無位置傳感器無刷直流電機控制系統的調試運行過程,討論了調試中出現的問題并提出了解決方法.最后,文中給出了系統運行中的電壓、反電勢過零點等信號的實測波形.調試結果表明,該系統穩定可靠,具有良好的調速性能,達到了預期的效果.
上傳時間： 2013-06-09
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無刷直流電機,是隨著電力電子技術的發展和新型永磁材料的出現而迅速成熟起來的一種機電一體化電機.隨著無刷直流電機在各個領域的廣泛應用,其常用的帶位置傳感器控制方法暴露出了越來越多的局限性.同時,隨著計算機技術和電子技術的不斷發展,基于高性能數字信號處理器的"狀態觀測器"法無位置傳感器控制則漸漸成為研究的熱點.論文在詳細介紹了"擴展卡爾曼濾波法"無位置傳感器無刷直流電機控制原理的基礎上,建立了基于"擴展卡爾曼濾波法"無位置傳感器無刷直流電機控制系統模型,對模型中誤差造成的原因作出了定性和定量的分析,給出了解決的辦法.另外,論文以Texas Instrument公司的TMS320LF2407A數字信號處理器為核心,設計了一套基于"擴展卡爾曼濾波法"的無位置傳感器無刷直流電機控制系統,并給出了各模塊的設計電路.文中介紹了系統的各個組成部分,并給出了系統的抗干擾措施."三段式"起動技術是無傳感器無刷直流電機控制中的常用起動方法,也是"擴展卡爾曼濾波法"控制中的一個重要環節.文中對"三段式"起動技術中轉子定位、外同步加速和外同步到自同步的切換三部分進行了詳細的分析和討論,指出了各部分的難點,給出了相應的解決方法.基于"擴展卡爾曼濾波法"的控制系統中包含了大量的運算和多路的AD采集,因此不可避免存在系統和測量誤差以及干擾噪聲,論文著重對系統誤差、量測誤差和干擾噪聲三個方面作了詳細的分析,并提出了解決的方法.對于噪聲信號的數字化處理,論文探討了常用的幾種數字濾波算法并給出了仿真波形.在前面所設計的控制系統的基礎上,論文介紹了"擴展卡爾曼濾波法"無位置傳感器無刷直流電機控制系統的運行調試過程,分析了調試中出現的問題并提出了解決的方法.最后,文中給出了系統調試中的電壓、反電勢以及相電流等信號的實測波形,并與仿真結果作了比較分析.
上傳時間： 2013-07-30
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無刷直流電機是隨著電力電子技術的發展和高性能永磁材料的出現而迅速發展起來的一種新型機電一體化電機。隨著無刷直流電機在各個領域的廣泛應用，無位置傳感器控制方法的優勢越來越明顯，特別是“反電勢法”無刷直流電機控制方法已經發展成為最實用的無位置傳感器控制方法。 論文在介紹常用的無位置傳感器無刷直流電機控制方法的基礎上，詳細分析了“反電勢法”無刷直流電機控制原理。深入研究了兩種反電勢過零檢測方法，采用“直接反電勢法”設計了反電勢過零檢測電路。該方法不需要引出電機中性點，通過選擇PWM和導通控制策略，就能直接從電機端電壓獲得反電勢過零點信號。它避免了開關高頻調制產生的干擾，不需要對端電壓進行濾波。建立了基于PSPICE軟件的仿真模型并對其進行了仿真驗證。以按摩椅用無刷直流電機為樣機，設計了“直接反電勢法”無刷直流電機控制系統的硬件電路，詳細介紹了電路各個組成部分，同時給出了控制系統中所采用的軟硬件抗干擾措施。 論文介紹了“直接反電勢法”無刷直流電機控制常用的起動方法，深入討論了“三段式”起動技術，對“三段式”起動技術中轉子預定位、外同步加速和外同步到自同步的切換進行了詳細的分析，并圍繞“三段式”起動技術詳細介紹了“直接反電勢法”控制軟件設計流程。 最后，通過實驗驗證了這種方法的可行性和正確性。
上傳時間： 2013-05-24
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永磁同步發電機由于一系列高效節能的優點，在工農業生產、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用，并且受到許多學者的關注，其研究領域主要涉及永磁同步發電機的設計、精確性能分析、控制等方面。 本課題作為國家自然科學基金項目《無刷無勵磁機諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的研究》的課題，主要研究永磁電機的電磁場空載和負載計算，求出永磁電機的電壓波形和電壓調整率，為分段式轉子的混合勵磁永磁電機的研究奠定基礎，主要做了以下工作： 首先介紹了永磁同步發電機的基本原理，包括永磁同步發電機的結構形式和永磁同步發電機的運行性能，采用傳統解析理論給出了電壓調整率的計算方法及外特性的計算模型；然后用有限元ANSYS對永磁同步發電機樣機進行實體建模，經過定義分配材料、劃分網格、加邊界條件和載荷、求解計算等，得到矢量磁位Az、磁場強度H、磁感應強度B等結果，直觀地看出電機內部的磁場分布情況。 其次根據電磁場計算結果，應用齒磁通法對其進行后處理。該方法求解轉子在一個齒距內不同位置處的磁場，以定子齒的磁通為計算單位，根據繞組與齒的匝鏈關系，計算出磁鏈隨時間的變化，進而得到永磁同步發電機空、負載時電壓大小及波形。通過計算結果寫實驗結果對比，驗證了齒磁通法的正確性，為計算永磁同步發電機各種性能特性提供有力工具。 最后，基于齒磁通法對永磁同步發電機的外特性進行了深入研究，定量分析了結構參數對外特性的影響規律，提出了有效降低電壓調整率的方法的是：增加氣隙長度g的同時，適當增加永磁體的磁化方向的長度hm；此外，要盡量的減少每相串聯匝數N和增大導線面積以減小阻抗參數。通過改變電機的結構參數，對其電磁場進行計算，找到永磁電機電壓調整率的變化規律，為加電勵磁的混合勵磁永磁電機做準備，達到穩定輸出電壓的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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