目前,在電壓互感器設計中,雖有人進行過可靠性設計利優化設計方面的研究,但采用的方法仍為傳統方法.本文采用現代設計方法,它將有限元分析、可靠性設計技術利優化設計技術有機的結合起來,因此采用現代設計方法得到的方案比利用傳統設計方法設計出的方案更加經濟合理.首先,本文簡單介紹了電壓互感器的原理,描述了電壓互感器的分類、基本參數和誤差分析.第二,本文研究了電磁場有限元分析原理,介紹了麥克斯韋方程和電磁場微分方程.本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對電壓互感器進行二維電磁場有限元分析,對電壓互感器建立了有限元數學模型和網格剖分,對有限元模型加載了邊界條件并進行了求解.研究了二維磁場分析單元PLANE53單元利電路模擬單元CIRCU124單元的特點及使用方法.第三,對電壓互感器的瓷套部分進行了可靠性設計.瓷套所受的彎曲負荷應力很多,主要包括:風力負荷產生的彎曲應力,地震負荷產生的彎曲應力,產品運輸中傾斜產生的彎曲應力.本文研究了瓷套的應力分布的確定方法,將多種應力疊加在一起,推出了應力分布參數的計算公式.瓷套的應力、強度利各設計變量均可認為服從正態分布,在設計時作為正態分布變量處理.本文應用應力-強度干涉理論,對電壓互感器瓷套的可靠性設計方法進行了研究.第四,研究了ANSYS軟件的優化設計模塊,研究了采用ANSYS軟件進行優化設計的步驟和優化工具及方法.利用ANSYS軟件的參數化設計語言與其OPT模塊,實現了有限元數值計算與優化設計的有機結合.并以額定一次電壓35KV,額定二次電壓100V,額定頻率50HZ的電壓互感器為例,進行了有限元分析計算利優化設計.根據電壓互感器產品設計的實際情況,確定設計變量為繞組導線規格和鐵心結構尺寸.優化循環結束以后,可以選擇列出所有參數的數值,也可以只列出優化變量,可以用圖顯示指定的參數隨序列號的變化情況,通過多方案的比較,得到最優方案.將現代設計方法應用于生產廠家,可節省研究開支,大大縮短開發周期,減少計算誤差,減少試驗費用,降低成本,提高產品的可靠性,因此本項目的研究具有良好的經濟效益和社會效益.
上傳時間： 2013-06-10
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該文介紹了一種新型高壓發電機電力發生器,它無需升壓變壓器即可直接連接到電網,其定子采用多層同心式繞組,槽內導體為高壓電纜,高壓電纜的引入克服了傳統發電機輸出電壓不能高于36kV的限制;并簡要介紹了這種發電機的全新設計與應用前景;最后針對電力發生器不同于傳統發電機的結構,借助有限元分析軟件進行了端部的建模、端部磁場、端部漏抗與端部電磁力的求解.文中圍繞一模型樣機,首先介紹了三維渦流場計算與利用磁場儲能進行參數計算的理論基礎.之后進行了對定子端部區域的建模,由于電力發生器采用多層同心式繞組,其端部結構較為復雜,這對模型的建立、剖分都帶來了相當大的難度.為了達到簡化分析計算的目的,我們對所求解的實際模型進行了簡化處理,并闡述了簡化的理論根據.在此基礎上,詳細介紹了如何利用有限元分析軟件ANSYS進行具體分析計算,包括網格剖分、電流加載及邊界條件的處理.最后得出了端部磁場矢量分布圖,端部漏抗值及端部繞組的電磁力分布規律.該文采用了簡化模型的方法進行計算,為了驗證簡化的合理性,我們進行了實例計算驗證.結果表明,文中所采用的簡化方法是合理的.該文所進行端部磁場、端部漏抗及端部電磁力計算,為進一步分析其他工況下電力發生器端部電磁力及振動提供了參考.
上傳時間： 2013-06-26
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直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態，是指在變壓器的勵磁電流中出現了直流分量。在直流輸電系統中，由于換流站的工作特性，有直流電流分量流過換流變壓器的繞組，產生直流偏磁現象，這一現象將對換流變壓器的正常運行產生不利的影響，如勵磁電流發生畸變、變壓器鐵心損耗增加及鐵心高度飽和引起的漏磁通增加。因此，從電磁場的角度分析這一現象是必要的。 由于鐵磁材料的非線性，不能應用疊加原理分析直流偏磁時的勵磁情況。為此，本文應用了二維瞬態場路直接耦合有限元法，借助大型有限元分析軟件Ansoft，定量分析了在不同等級直流偏磁電流作用下，換流變壓器空載運行狀態下的勵磁電流波形情況，結果表明，直流偏磁使鐵心中的磁通密度發生偏移，對應的勵磁電流波形呈現正負半波極不對稱的形狀，并且直流偏磁量越大勵磁電流的畸變越嚴重。 在求出直流偏磁量與勵磁電流峰值關系的基礎上，應用一種基于鐵心空載損耗數據的方法，定量分析了在不同等級直流偏磁電流作用下，換流變壓器鐵心損耗情況，結果表明，隨著直流偏磁電流的增加，鐵心損耗也會隨之增加，這會導致鐵心溫升上升，嚴重時會導致鐵心局部過熱，影響變壓器的正常運行。 在漏磁場分析中，討論了變壓器漏磁場的類型和作用，經過合理簡化，建立了換流變壓器二維漏磁場計算模型，應用二維瞬態場路直接耦合有限元法，分析了不同等級直流偏磁電流作用下，換流變壓器漏磁場分布情況，結果表明，隨著直流偏磁量的增加，不同位置處漏磁場分量的變化規律基本不變，但漏磁在增加，且不同位置漏磁分量增加的速率不同。
上傳時間： 2013-06-25
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永磁無刷直流電動機具有慣量小、控制簡單、動態性能好等優良特性，因此在航天、機器人、數控機床等許多領域得到了廣泛應用。無刷直流電機在國外已經成功應用于對系統要求較高的場合，近年來在國內也引起了廣泛的興趣。本課題針對輪式機器人，設計了無刷直流電動機并設計相應控制系統。 首先，本課題分析了機器人用無刷直流電動機的組成結構、繞組連接，并對三相無刷直流電動機星角接工作方式進行比較，按照無刷直流電動機兩種模式運行、多極分數槽等特點進行局部設計。最終以爬坡時狀態為參考，經過多次計算得到無刷直流電動機的初始設計方案。 其次，為了提高設計的可靠性及設計成本，本課題用MaxwellRMxprt和Maxwell 2D有限元分析軟件來對所設計的電磁設計方案進行驗證。應用Maxwell 2D軟件進一步對設計方案進行分析和校驗，以校核仿真結果參數能否與設計方案相吻合。 最后設計了無刷直流電動機的PIC單片機控制系統并對無刷直流電動機進行系統仿真。控制系統CPU采用PIC16F877單片機，它能夠提供最佳的性能價格比。系統采用IGBT 專用柵極驅動集成電路IR2130，來控制系統主電路。系統仿真采用MATLAB/SIMULINK軟件，檢驗所設計電機在系統中的性能。 結論，本課題主要包括五部分：無刷直流電動機繞組連接分析，初始數據方案設計，Maxwell對電磁設計方案進行驗證，設計PIC單片機控制系統，應用MATLAB對電機控制系統進行仿真。通過這五部，本文完成了輪式機器人用無刷直流電動機進行設計及相應控制系統的設計。
上傳時間： 2013-07-28
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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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準確計算電機鐵耗一直是困擾電機設計者的一個難題。傳統方法是假設電機內部磁場僅是交變磁化的，根據鐵磁材料在交變磁化條件下測量的數據，計算電機齒部和軛部由基波磁場造成的損耗，對于計算值與實測值之間的誤差通過經驗系數來修正。這種方法對于已經長期制造和使用的電機而言勉強適用，對于近年來發展很快的永磁電機、高速電機和其他新結構電機，由于缺乏合適的經驗系數，導致此方法難以適用。眾多研究人員的成果已經證明電機的鐵耗有相當一部分是由旋轉磁化導致的，因此顧及旋轉磁化的電機鐵耗計算模型是本文的一個重要內容。 本文從鐵磁材料的鐵耗入手，先研究鐵磁材料在交變磁化和旋轉磁化方式下的計算和測量方法，目的是得到鐵耗分立模型中磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗的計算系數。本文提出并實現了數字式的25cm愛潑斯坦方圈測試系統，它可以測量在任何頻率和波形電源供電下硅鋼片的損耗，本文還在二維鐵耗測試系統中對硅鋼片在圓形旋轉磁化條件下的損耗進行了測量。結果表明，在同樣頻率和磁密的條件下，旋轉磁化下的損耗要比交變磁化下的損耗大。本文提出了基于磁密軌跡的電機鐵耗計算模型，它只采用較容易獲得的交變磁化損耗系數，但又能顧及到旋轉磁化帶來的影響。通過實際電機的計算和測試，表明軌跡法的計算結果在未經任何系數修正的情況下就具有很好的精度，適合推廣使用。 軟磁復合材料是一種新型的粉末金屬材料，它具有渦流損耗小和易制造成具有復雜結構電機等特點。為了探索這種材料在高頻領域中的應用和驗證本文提出的鐵耗計算模型，本文成功地設計和制造了一臺采用軟磁復合材料的爪極式永磁電機，由于結構復雜，本文通過三維有限元分析，對該電機的磁通、磁鏈、電感、轉矩和鐵耗等參數和性能的計算提出了計算方法。對該種電機的熱分析，本文提出了熱網絡法和磁熱耦合有限元法。由于鐵耗在高速電機總損耗中占有很大比例，因此在有限元方法中，本文通過映射剖分法，使磁場和熱場模型中的單元總數、大小和順序保持完全一致，軌跡法計算得到的各單元鐵耗直接耦合進熱場進行計算，得到了電機準確的溫度分布。本文還進行了高速電機轉子的模態分析，合理地調整轉子的直徑、長度和軸承位置，使轉子的自然共振頻率遠離電機的工作頻率范圍。本文構建了一測試平臺對樣機進行了發電機狀態測試，并通過假轉子法測量了電機鐵耗，實驗結果證明了本文所用方法的可行性，得到的結論對軟磁復合材料的應用及爪極式電機的設計與分析都具有很好的參考價值。
上傳時間： 2013-06-27
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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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高速電機由于轉速高、體積小、功率密度高，在渦輪發電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉子機械強度和轉子動力學；（2）轉子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉子渦流損耗進行了深入分析。轉子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產生的。首先通過優化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產生的轉子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環的方法來減小電流時間諧波引起的轉子渦流損耗。其次對轉子充磁方式和轉子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數次空間諧波分量，該諧波分量在轉子中產生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉子角速度相對轉子旋轉，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉子角速度相對轉子旋轉，這些諧波分量與轉子異步，在轉子保護環、永磁體和轉軸中產生大量的渦流損耗，是轉子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉子保護環和永磁體之間增加一層電導率高的銅環。有限元分析表明：盡管銅環中會產生渦流損耗，但正是由于銅環良好的導電性，其產生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉軸以及保護環中的損耗顯著下降，整體上降低了轉子渦流損耗。分析了不同的銅環厚度對轉子渦流損耗的影響，研究表明轉子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環厚度的增加而減小，當銅環的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉子動力學分析，實驗研究表明：由于轉子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉子轉速達到40，000rpm以上時，保護環和定子齒部發生了摩擦，破壞了轉子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調制和銅屏蔽環對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環能有效的降低轉子渦流損耗，使轉子損耗減小到不加銅屏蔽環時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環和不帶銅屏蔽環轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態溫度場有限元模型分析了轉子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環的有效性。
上傳時間： 2013-05-18
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永磁同步電動機交流伺服系統作為交流伺服系統的主流，在工業生產自動化領域中應用廣泛、前景廣闊。永磁同步伺服電動機作為伺服系統的執行機構，其性能的優劣在很大程度上決定了整個伺服系統的性能。因此，精心設計性能優異的永磁同步伺服電動機具有重要的理論意義和應用價值。本課題系統研究了永磁同步伺服電動機的本體設計，包括設計方法、性能計算、有限元分析、參數計算、控制仿真、實驗測試等。 首先，綜述和分析了永磁同步伺服電動機的研究現狀、存在問題和發展前景，研究了永磁同步伺服電動機的設計特點和方法。開發了永磁同步伺服電動機的電磁計算程序，結合有限元計算數值的校正，完成對樣機的性能計算，計算結果較為準確。 接著，深入分析永磁同步伺服電動機的氣隙磁場，得到充磁方式、極弧系數、不均勻氣隙、永磁體厚度等因素對氣隙磁場的影響，繪制了各因素對氣隙磁場基波和諧波總量影響的曲線，通過優化設計，得到了明顯改善的正弦氣隙磁場。并拓展研究總結了不同永磁體形狀和尺寸對永磁直流電動機在換向和性能上的影響，取得有實用價值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet電磁分析軟件建立了永磁同步伺服電動機的有限元分析模型，深入研究了電機的反電勢波形、穩態運行性能和齒槽轉矩，計算了直、交軸同步電抗等重要參數。建立了永磁同步伺服電動機Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并進行了仿真研究。 最后，對永磁同步伺服電動機進行了實驗測試和分析，包括反電勢波形與磁場波形測試、性能曲線測試、直交軸同步電抗的測量。對測試結果與設計結果進行了比較分析，驗證了設計方法的正確性。
上傳時間： 2013-08-04
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