盤式永磁電機因其較高的轉矩密度和良好的動態響應特性,在各種驅動、伺服和控制領域得到了迅速的推廣和應用。本文針對盤式永磁同步電動機的設計展開研究,所做工作主要包括以下幾個部分: 首先,從電機的主要尺寸方程入手將盤式永磁電機和徑向永磁電機的轉矩密度進行了比較,得到了兩種電機轉矩密度的變化關系。推導了六相盤式永磁同步電動機的電樞反應電抗、槽漏抗等的計算公式,同時也給出了這些參數相應的有限元計算方法,兩種計算結果基本一致。并且在對多極少齒結構電機的漏磁系數進行研究的基礎上,總結了該類電機的漏磁系數的計算方法。 其次,采用了針對六相電機的22極24槽結構,使得電機的主要尺寸減小,電機定子沖槽、電樞下線等工藝要求降低。利用有限元法和傅立葉分析求解對永磁體的形狀進行優化,可使得永磁電機氣隙磁密波形畸變率減小,進而降低的轉矩波動。定量分析了不同定子槽口寬度對空載反電動勢波形和齒槽轉矩的影響規律。 通過對盤式永磁電機的磁場分布特點的研究,編寫了分環法盤式永磁電機電磁設計程序。通過對樣機設計值與實驗值比較,不斷對盤式永磁電動機的電磁程序進行完善和修正,目前已經形成了一個比較實用可靠的CAD軟件。 對盤式永磁電機轉子盤體進行剛度計算,并且也對電機的定子進行了固有頻率的計算,保證了電機的可靠運行。 最后,在上述研究的基礎上,本文設計制造了一臺5kW的雙定子單轉子結構的盤式永磁同步電動機樣機并做了詳細的實驗,實驗結果與理論分析基本一致。
上傳時間: 2013-07-29
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風能是可再生能源,世界各國越來越重視風能的開發和利用。國內外學者也開始研究高效率永磁電機在風力發電上的應用。在山東省科技廳資助下,本文研究了一種新型結構的雙轉子永磁發電機,其高運行效率和特殊的電機結構,使其在小型風力發電系統中存在著巨大優勢。本文主要研究的內容如下: 第一部分首先給出了雙轉子永磁電機的基本結構、等效磁路、工作原理,然后對雙轉子永磁電機電樞反應電感參數進行計算。 第二部分對雙轉子永磁電機的空載感應電勢進行解析計算和有限元分析驗證。首先通過引入相對比磁導函數,給出了雙轉子永磁電機考慮齒槽效應時定子表面的磁場分布,并給出了相應的波形。然后采用矢量合成法推導了空載感應電勢的表達式,為了驗證空載電勢解析法的正確性,本文采用有限元法對其分析計算。通過比較得出:解析法和有限元法吻合很好。最后,針對雙轉子電機的特殊結構,提出了三種改善電勢波形的方法,并利用解析法對其進行分析,證明了這幾種措施的可行性。 第三部分針對halbach磁體電機在風力發電系統中的潛在優勢,主要研究了halbach磁體結構雙轉子電機的電勢和齒槽轉矩。首先給出了halbach陣列的基本原理,采用有限元法分析了halbach磁體結構雙轉子電機的磁場分布及空載電勢波形,并對其進行了諧波分析。最后利用能量的虛位移法推導了雙轉子電機的齒槽轉矩,對于halbach磁體雙轉子電機,提出了三種減小轉矩脈動的方法,并通過有限元分析進行了比較,證明了這幾種措施的可行性。 第四部分對雙轉子電機的設計進行了分析,提出了先分別設計內外電機再統一調整的設計方法,最后設計制作了樣機,給出了樣機圖片。并對樣機進行試驗,測量不同轉速下電機的空載電勢波形,電機的電勢-轉速曲線,電機的負載電壓-電流特性曲線,并測量了電樞反應電感數值,通過對比可以得出:試驗值、解析值和有限元值吻合很好。
上傳時間: 2013-08-04
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自上世紀初以來,電力發電、輸配電系統都是三相系統。因此,大多數電機調速系統都是由三相電機與三相變頻器構成的。但是目前三相電機的地位已經受到一定的挑戰,一是在低壓大功率的傳動場合,二是在對系統可靠性要求很高的場合。而多相電機調速系統除了可以用低壓功率器件實現大功率等級外,具有多相冗余結構使調速系統的可靠性得以改善。因此,多相電機調速系統的研究受到日益廣泛的關注。 和常規的三相感應電機相比多相感應電機有著許多優點,例如多相感應電機在一相或多相定子繞組開路和短路時仍然可以起動或繼續運行,轉矩脈動小,轉子損耗小,運行性能好,可以在不提高相電壓的情況下增加電機的容量,比較適合應用于艦艇推進系統等方面。 本文在傳統的三相電機調速系統的基礎上,致力于研究多相電機調速系統,以多相感應電機為主要研究對象,進行了深入的研究,主要包括以下幾個方面: 1、對多相電機調速系統作了較為全面的綜述,介紹了多相電機調速系統的特點和國內外研究現狀。 2、研究了多相感應電機的基本結構。從電機的繞組連接方式入手,對多相感應電機進行了諧波分析,從理論上證明了多相電機相對于三相電機在減小諧波含量方面的優越性,同時探討了多相感應電機的數學模型。 3、在三相感應電機電磁設計程序的基礎上整理推導了多相感應電機的電磁設計程序,并用Visual C++編程語言開發了多相感應電機的電磁設計軟件。 4、對多相感應電機的電磁場進行了詳細的分析,運用電磁場有限元分析軟件Maxwell 2D對本論文中的樣機的瞬態磁場進行分析,分析結果同用VC所編寫的電磁設計程序的計算結果進行比較,驗證了所設計樣機數據的合理性。
上傳時間: 2013-07-30
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隨著電力電子技術、微處理器技術以及新的電機控制技術的發展,交流調速性能日益提高。變頻調速技術的出現使交流調速系統有取代直流調速系統的趨勢。但是國民經濟的快速發展要求交流變頻調速系統具有更高的調速精度、更大的調速范圍和更快的響應速度,一般的通用變頻器已經不能滿足工業應用的需求,而交流電機矢量控制調速系統能夠很好的滿足這個要求。矢量控制(Field Oriented Control),能夠實現交流電機電磁轉矩的快速控制,本文對三相交流異步電機的矢量控制系統進行了研究和分析,以高性能數字信號處理器為硬件平臺設計了基于DSP的三相交流異步電機的矢量控制系統,并分析了逆變器死區效應的產生,實現了逆變器死區的補償。 本文介紹了交流調速及其相關技術的發展,變頻調速的方案以及國內外對矢量控制的研究狀況。以三相交流異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型為基礎,通過Clarke變換和Parke變換得到三相交流異步電機在兩相旋轉坐標系下的數學模型,并利用轉子磁場定向的方法,對該模型進行分析,設計了轉子磁鏈觀測器,以實現交流電機電流量的有效解耦,得到定子電流的轉矩分量和勵磁分量。仿照直流電機的控制方法,設計了矢量控制算法的電流與速度雙閉環控制系統。設計了以TMS320LF2407A為主控制器的硬件平臺,在此基礎上實現了矢量控制算法,論述了電壓空間矢量調制(SVPWM)的原理和方法,并對其進行了改進。最后對逆變器的死區進行了補償。 實驗表明基于轉子磁場定向的矢量控制(FOC)系統,結構簡單,電流解耦方便,動態性能好,精度較高,能夠基本滿足現代交流電機控制系統的轉矩和速度要求。
上傳時間: 2013-05-24
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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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超聲波電機(Ultrasonic Motor簡稱USM)是八十年代發展起來的新型微電機。本文針對超聲波電機及其控制技術的研究現狀和發展趨勢,以我國研究技術相對比較成熟并有產業化前景的行波超聲波電機(Traveling-wave Ultrasonic Motor簡稱TUSM)的伺服控制技術為研究對象,以直徑60mm的行波超聲波電機TUSM60為研究實例,在特性測試、動穩態性能分析,辨識模型建立、控制策略與控制算法的選擇與實現等方面展開研究。本論具體的研究內容為: 在分析超聲波電機研究歷史和現狀的基礎上,結合國內外超聲波電機特別是行波超聲波電機控制技術的發展趨勢,重點論述了行波超聲波電機及其驅動控制技術的研究進展。 介紹行波超聲波電機的基本結構,并從該電機的主要理論基礎--壓電原理、行波合成、接觸模型出發,分析了行波超聲波電機定子質點的運動方程.并結合定轉子摩擦接觸特點,分析了行波超聲波電機的運行機理。 根據對行波超聲波電機測試和高精度控制的要求,研制出基于雙DSP和FPGA的超聲波電機高性能測試控制平臺。其中控制核心采用了雙DSP結構,可以在對行波超聲波電機進行控制的同時,將必要的參數讀取出來進行分析和研究。為行波超聲波電機瞬態特性分析以及控制策略、控制算法的深入研究打下了基礎。 對電機的瞬態、穩態特性進行的測試,可以分析驅動頻率、電壓以及相位差等調節量對電機輸出的影響。在此基礎上進一步對行波超聲波電機的調節方式、控制算法選擇方面進行分析,并得到相應結論。 通過對實驗數據的總結和歸納,利用系統辨識中的非參數方法,建立在特定頻率條件下的近似線性模型。在行波超聲波電機工作范圍內,辨識若干組不同頻率條件下的近似線性模型,將這些模型的參數進行二維或三維擬合,可以得到一個關于行波超聲波電機傳遞函數的模型。辨識模型的建立為合理的選擇和優化控制參數,控制效果的驗證等提供了行之有效的手段。 在對行波超聲波電機的速度控制、位置控制展開的研究中.首先利用遺傳算法對常規PI恒轉速控制的控制參數整定及修正方法進行了研究;利用神經元的在線自學習能力,研究和設計單神經元PID-PI轉速控制器,提高控制系統對電機非線性和時變性的適應能力;為了消除在伺服控制中,單一調節量(驅動頻率)情況下,低轉速的跳躍問題,研究和討論了多調節量分段控制方法,并利用模糊控制對控制方法的有效性進行了驗證;在位置控制中,利用轉速控制研究的結果,研究和設計了位置--速度雙環(串級)控制器,實現了電機高精度位置伺服控制。 通過對已有控制系統的改進和簡化,設計和研制了具有實用化價值行波超聲波電機控制器:并將研究成果應用于針對核磁成像設備而設計的行波超聲波電機隨動控制系統中,同時嘗試了將該控制器用于高精度X-Y兩維定位平臺。
上傳時間: 2013-07-13
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帶整流負載的同步發電機在一些需要高品質直流電源的場所,如艦船電力推進、郵電通訊、飛機等電源系統得到了廣泛應用,并且受到了許多學者的關注,其研究領域主要涉及數字仿真、數學模型、穩態分析以及運行穩定性等方面。 本文對MATLAB/Simulink中的電機模型進行了深入的研究。針對MATTAB中電機仿真模型的不足和本文研究的需要,提出了同步發電機定、轉子分解的狀態方程,利用MATLAB工具箱建立了新的同步電機仿真模型并進行了封裝,為進行帶整流橋負載同步電機系統的分析與研究打下了很好的基礎。 對帶整流橋負載同步發電機整流系統穩態運行特性進行了分析,采用定、轉子分解模型建立了整流系統仿真模型。證明了在假定轉子磁鏈守恒,即忽略轉子電阻影響的條件下,定、轉子分解模型很容易轉變為帶三相對稱非線性負載的同步電機穩態分析模型。介紹了根據這一模型推導出的解析計算公式,給出了計算方法和步驟,并編寫了計算程序,便于工程上直接使用。與仿真結果的對比驗證了該解析計算的正確性。同時,仿真證實了忽略轉子電阻影響會給計算結果帶來一定的誤差,但是,在轉子電阻正常值范圍內,忽略其影響是允許的。 對帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性進行了仿真研究,將系統中的各個參數對系統穩定性的影響進行了仿真。為了解決穩定性仿真計算量大、計算時間長的問題,利用同步電機換相計算的穩態公式,對同步電機分解模型的定子部分和整流橋部分進行了簡化處理,得到了同步發電機整流系統穩定性分析簡化模型。通過兩種模型的仿真計算,證實了該簡化模型與非簡化模型的仿真結果相當一致。這樣既解決了帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性仿真計算的計算速度問題,也證明了換相過程及其產生的諧波對系統的穩定性沒有影響。
上傳時間: 2013-06-19
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本文的研究工作主要是圍繞著變速恒頻雙饋風力發電機交流勵磁電源研究展開的.根據變速恒頻雙饋風力發電系統對交流勵磁電源的要求,本文首先對目前適合用作交流勵磁電源的六種變換器進行了詳細深入地比較分析,認為在目前的電力電子技術條件下,兩電平電壓型雙PWM變換器是可用作變速恒頻雙饋風力發電機交流勵磁電源的最具優勢的一種變換器,而多電平與軟開關技術的結合將是交流勵磁電源的發展方向.對網側PWM變換器的無電網電壓傳感器控制技術進行了研究,提出了一種基于虛擬電網磁鏈定向的無電網電壓傳感器的矢量控制方案,解決了初始虛擬電網磁鏈準確觀測的難點,使網側PWM變換器不用對電網電壓進行采樣即可實現矢量控制,省去了電網電壓傳感器及其處理電路但并不影響其控制性能,仿真和實驗結果驗證了所提出方案的良好控制性能.在轉子側PWM變換器的研究中,在電網電壓恒定的情況下對DFIG矢量形式的數學模型進行簡化,進行了基于定子磁鏈定向和基于定子電壓定向的轉子電流環控制器的設計研究.深入分析了DFIG風力發電系統最大風能追蹤的機理和實現的方案,設計了基于定子電壓定向矢量控制、實現最大風能追蹤、有功和無功功率解耦的DFIG的控制方案.最后,將變速恒頻雙饋風力發電運行研究拓展到了電網故障條件下的運行控制.建立了計及電網電壓故障的變速恒頻雙饋風力發電系統完整仿真模型,為系統不間斷運行的研究、改進控制策略的驗證和其它探索性研究提供了一個很好的平臺.
上傳時間: 2013-06-17
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本文首先簡述了交流調速系統的發展和研究重點,介紹了異步電機調速系統的不同控制策略,詳細論述了異步電機矢量控制系統的基本原理:異步電機的數學模型和坐標變換、矢量控制的基本方程式、轉子磁鏈的觀測方法、矢量控制的系統結構等,并重點分析了空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術的基本原理、控制算法以及在TMS320LF2407中的實現方法。 從工程實際應用出發,本文設計和開發了一套以DSP芯片TMS320LF2407為核心的有速度傳感器異步電機矢量控制系統,并給出了硬件和軟件的實現方法。該系統的功率電路采用電壓型的交-直-交變壓變頻結構,由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM(PM15RSH120)逆變電路構成;控制電路以DSP芯片TMS320LF2407為核心,加上PWM信號發生電路、定子電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、智能功率模塊驅動電路、速度檢測電路、系統保護電路等,構成了功能齊全的異步電機全數字化矢量控制系統。 在此基礎上,本文對無速度傳感器異步電機矢量控制系統進行了有益的探索。提出了改進的電壓型轉子磁鏈估算模型,消除了電壓型轉子磁鏈估算模型中純積分環節所固有的漂移問題和積累誤差對實際系統性能的影響。在傳統型參考自適應系統基礎上,將系統中原有的自適應調節機構用一個具有在線學習能力的模糊神經網絡取代,提出一種基于模糊神經網絡的異步電機轉速估計方法,并給出了速度估計器的模糊神經網絡結構和學習算法。最后對基于模糊神經網絡轉速估計的異步電機矢量控制系統進行了仿真,結果表明該系統具有良好的性能。
上傳時間: 2013-07-02
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