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。
標簽： 永磁電機 機械 電磁
上傳時間： 2013-04-24
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本文論述了基于ST7FMC的電動摩托車控制系統的研究。 近年來,由于燃油交通工具尾氣排放對城市空氣造成的嚴重污染，以及人們生活水平、環保意識的逐漸提高，綠色交通工具己成為時代發展的重要課題。考慮到我國目前的國情，發展電動車具有重要的環保意義。 隨著電機技術及功率器件性能的不斷提高,電動車的控制器發展迅速。但是目前市場上大多數的電動車產品均采用低集成度元件控制裝置，功能過于簡單，不能充分發揮系統潛力及處理一些特殊的控制問題。 提出了基于意法半導體芯片ST7FMC的永磁無刷直流電動機的控制系統設計方案，進行了低成本、高智能的無刷直流電機控制系統設計，能滿足更多應用場合的需要。主要從以下幾個方面進行了分析與研究: 首先，建立無刷直流電機的數學模型，并分析其電機運行特性。 其次，根據ST專用單片機的特點詳細設計了系統的控制策略：將調速系統設計為電流、速度雙閉環的PI算法控制，以保證調速性能和電流控制精度；采用ST芯片固有的寄存器進行速度的檢測，比較精確；將相電流檢測設計成母線電流PWM On中點檢測；采用了高性能的驅動集成電路IR2136來驅動MOSFET組成的全橋逆變電路；驅動方式采用新型的凸形波驅動控制方法。 最后，組裝了試驗樣車，通過實驗室觀測及實地運行，驗證了系統運行的可靠性。 由此得出結論：本課題設計的基于ST7FMC的電動摩托車控制系統具有運行性能良好、可靠性高的特點，為后續的研究工作提供了一定的基礎。
標簽： ST7FMC 電動摩托車 控制系統
上傳時間： 2013-05-17
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直驅永磁同步風力發電機去掉了風力發電系統中常見的齒輪箱，讓風力機直接拖動電機轉子運轉在低速狀態，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護成本大等問題，提高了運行可靠性。它不同于電勵磁的凸極同步發電機，而是采用高磁能積的永磁材料作為磁極，就省去了勵磁繞組產生的損耗，使得電機的結構變得簡單，效率也隨之提高。 直驅永磁同步風力發電機運行轉速低，一般定子外徑都比較大。為了電機的運輸方便和良好的冷卻效果，本文選擇內轉子永磁同步發電機作為設計類型。首先提出了電機設計的目標，即在滿足電機設計要求的基礎上提高運行的可靠性和降低成本。然后根據等效磁路法編制了電磁計算程序，據此進行了電機的初始設計。然后使用有限元的方法分析了電機在各種運行狀態下的性能，最后設計了電機的通風系統并進行了通風計算。
標簽： 直驅 永磁同步 電機設計
上傳時間： 2013-07-06
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論文針對兩輪電動車輛(EV)用稀土永磁(REPM)無刷同步電動機(SM)，分別進行了正弦波和方波兩種工作方式下的控制技術研究。論文在全面分析正弦波和方波無刷電機工作原理、調速控制方法及其性能特點的基礎上，分別對36VDC電動自行車和96VDC電動摩托車用稀土永磁無刷同步電動機進行了正弦波、方波驅動系統的構建和控制電路設計。 論文采用高集成度智能專用芯片與廉價的EEPROM配合作為核心控制單元，生成穩定的SPWM脈沖信號，構成36VDC正弦波驅動系統，其外圍電路簡單緊湊，克服了傳統SPWM信號產生方法中微處理機程序容易“跑飛”和模擬系統復雜的缺陷。同時，采用專用PWM調制芯片和硬件邏輯器件構成96VDC方波驅動系統，采用寬范圍輸入電壓的開關電源實現系統的控制供電，將直流電機系統常用的電流截止負反饋電路引入無刷電機驅動系統中，提高了大功率方波驅動系統的可靠性，其原理樣機性能穩定，負載電流可達30A。 兩種系統測試結果分析對比表明：相同結構的稀土永磁無刷同步電動機，采用正弦波或方波驅動控制各有利弊。正弦波驅動采用變頻調速，電機運行平穩，利用弱磁調速，還可實現超高速恒功率運行，但易于失步；而方波驅動采用PWM調壓調速，電機則具有良好的控制特性，機械特性較硬，起動轉矩大，車輛提速快，適于爬坡，但轉矩脈動較大。 綜上所述，采用方波驅動更適合于兩輪電動車輛的運行特點，論文介紹的方波驅動系統在電動車輛應用領域有著較好的發展前景。
標簽： 電動車輛 驅動控制 系統研究
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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。
標簽： 分辨率 位置傳感器 正弦波
上傳時間： 2013-07-23
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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。
標簽： 轉子 風力發電機
上傳時間： 2013-08-04
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為設計高性能、低損耗的電機，需要準確地分析電機鐵耗。本文從鐵磁材料的磁化特點出發，以分離鐵耗模型為基礎，對交變磁化以及旋轉磁化條件下鐵磁材料和電機的鐵耗進行分析和計算，分別從理論和實踐角度著重就電機鐵耗計算和測量中的一些相關問題作了深入研究。 按照分離鐵耗模型，鐵心損耗可以分成磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。本文首先從交流磁滯回線的產生機理出發，在Preisach靜態磁滯模型的基礎上，利用極限磁滯回線的對稱性，采用人工神經網絡技術，建立了Preisach人工神經網絡磁滯仿真模型，實現了對鐵磁材料交流磁滯回線的理論計算，為磁滯損耗的理論分析和計算奠定了基礎；為對交流磁滯回線進行實測，本文給出了一種采用愛潑斯坦方圈測量鐵磁材料交流磁滯回線與磁滯損耗的新方法，該方法克服了環形樣片測量法的不足，操作簡單，且測量精度高，具有較好的實用價值。利用該方法得到的實驗數據很好地驗證了理論計算結果。 對渦流損耗以及異常損耗的計算模型，本文系統地給出了其推導過程，對模型中的參數進一步加以明確，并對模型的特點進行了分析。鐵磁材料異常損耗計算模型是基于統計學原理推導而來的，模型中參數的確定涉及到鐵磁材料的微觀特性，本文給出了通過實驗確定其參數的具體方法；考慮到工程中異常損耗計算模型是其理論模型的簡化形式，文中對兩者的差別進行了分析。 在分析電機鐵耗時，既要考慮鐵心材料本身的損耗特性，也要考慮電機供電方式以及鐵心中磁場變化等因素對鐵耗的影響。在對鐵磁材料損耗特性分析的基礎上，本文考慮到局部磁滯回環對電機鐵耗的影響，推導了計及局部磁滯作用的電機鐵耗模型，并從理論上對C.P.Steinmetz的磁滯損耗經驗公式進行了驗證，從而明確了公式中經驗系數的物理意義；同時通過實驗研究，分析了磁化頻率對磁滯損耗系數的影響，提出了在磁化頻率較高時分段確定磁滯損耗系數的方法；考慮到現代電機控制策略以及供電方式的多樣性，本文對正弦波、方波以及三角波電壓供電時鐵心材料的交變鐵耗模型分別進行了推導，給出了其解析表達式，并通過實測證明了模型的有效性；對SPWM這類應用較為廣泛的非正弦供電方式，推導了電機交變損耗的一般計算模型，分析了SPWM變頻器供電時電機鐵耗與變頻器參數的關系，給出了其關系的數量表達式; 同時采用改進的愛潑斯坦方圈試驗平臺對非正弦供電條件下的鐵磁材料損耗和電機鐵耗進行了實驗研究。 考慮到電機鐵心制造過程中沖壓對鐵心材料特性的影響，本文提出了一套簡便的對鐵磁材料進行沖壓影響研究的實驗方法，利用該方法，有效地對材料的沖壓影響特性進行了分析。在實驗研究的基礎上，本文推導了考慮沖壓影響時的鐵磁材料損耗的修正系數，從而在傳統交變鐵耗分離模型的基礎上，建立了計及沖壓影響的電機鐵耗計算模型。對模型中引入的沖壓影響修正系數，給出了詳細的推導過程和明確的計算方法，從而使傳統的經驗修正方法得到改善。 在旋轉電機中，除交變磁化外，同時還存在大量的旋轉磁化。本文對旋轉磁化的物理機理進行了初步探討，分析了旋轉磁化條件下的損耗特點，系統介紹了當前鐵磁材料旋轉磁化性能以及旋轉磁化損耗實驗測量和理論計算的方法和手段。 在以上鐵耗理論的基礎上，充分考慮鐵心的非線性及磁滯特性，本文建立了一般條件下的鐵心動態電路模型，并將該模型應用于異步電動機鐵心等效電路中，推導了異步電動機動態鐵耗的分離等效電阻。以一臺三相異步電動機為樣機，采用以上鐵耗的動態分離等效電阻，有效地對電機鐵耗進行了分離，從而為深入研究電機的動態鐵耗特性提供了便利。 論文最后以一臺永磁無刷直流電機為例，對電機的運行特性以及鐵心損耗進行了分析計算。分析中應用場路結合法，建立了永磁無刷電機換流等效電路模型，采用鏡像法建立了深槽無刷電機電樞反應分析模型；在電機鐵耗分析中，推導了考慮旋轉磁化的電機鐵耗工程計算模型，對樣機鐵耗進行了理論計算，并通過構建實驗平臺，對旋轉磁化條件下的樣機空載鐵耗進行了測量，最終理論值與實測值吻合良好，證明了上述方法的有效性。
標簽： 旋轉電機 損耗 分
上傳時間： 2013-07-02
上傳用戶：不挑食的老鼠
隨著現代化工業生產的不斷發展，更高的調速精度、更大的調速范圍和更快的響應速度成為永磁同步電機調速系統的迫切要求，數字化控制系統正代表著這一發展方向。高性能數字信號處理器(控制器)的出現、電機控制理論以及電力電子器件的發展都為數字化控制的實現創造了條件。本文采用Microchip公司專用于電機控制的dsPIC30F3011型數字信號控制器(DSC)為核心，開發了用于電梯門機控制的數字化永磁同步電機矢量控制系統，并在硬件實驗平臺上獲得了驗證。 本文首先在永磁同步電機數學模型的分析基礎上，深入的研究了永磁同步電機的矢量控制的原理和常用控制策略。接著，經過比較各種矢量控制策略的優缺點，確定了i<,d>=0的控制策略和空間矢量脈寬調制(SVPWM)的電壓調制方法。文中對空間矢量脈寬調制(SVPWM)的原理及實現方法進行了詳細的闡述，并在此基礎上提出利用查表實現SVPWM控制的算法。然后，論文詳細論述了控制電路各部分及外圍輔助電路的設計和調試。軟件開發均在Microchip的MPLAB IDE集成開發環境下完成，軟件采用C語言編寫，實現了帶位置傳感器的速度閉環和位置閉環矢量控制，并給出了系統主程序及定時中斷服務程序的流程圖。永磁同步電機矢量控制的主要控制策略如轉子初始位置檢測、速度采樣計算及PI調節、SVPWM查表實現方法等都在定時中斷服務程序中完成。最后在硬件平臺上，對軟件進行系統調試，試驗表明本矢量控制系統能夠有效滿足電梯門機的控制需求，從而證明了系統設計的可行性。 在論文的最后，對全文的工作做了總結，并提出了系統需要進一步完善的地方。
標簽： dsPIC 永磁同步電機 矢量控制系統
上傳時間： 2013-06-27
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電機直接啟動時產生幾倍于額定電流的沖擊電流，不僅對電網造成不良影響，而且嚴重的影響電機的使用壽命。為了改善電機的啟動特性，在電機領域采用由晶閘管控制的電機軟啟動器，基于電機軟啟動器的優良特性，本文提出了一種基于高速數字處理器TMS320LF2407A的高性能的異步電動機軟起動器。 異步電機在輕載運行時，功率損耗增大，功率因數和效率都大大降低，造成了大量電能的浪費。本文從理論上分析了影響損耗的各種因素，提出了降壓節能方案，然后進行了相關實驗驗證方案效果。 本文利用MATLAB搭建了軟起動器系統的仿真模型，對軟起動的控制方式進行了仿真研究。仿真結果表明該軟起動器系統可以有效地減小異步電動機起動時對電網的沖擊。本文同時也闡述了晶閘管調壓電路及軟起動器主電路的工作原理、軟起動器的硬件結構和功能以及軟件設計。 利用TMS320LF2407A和89S52組成的雙CPU系統，研制了性能優良、操作簡易、界面清晰的三相異步電動機軟啟動器，本文給出了系統的硬件結構、軟件設計思想和相關的實驗曲線。實驗證明，系統具有良好的控制特性。
標簽： DSP 異步電動機 節能
上傳時間： 2013-06-24
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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。
標簽： 無刷直流電機 定位 力矩
上傳時間： 2013-06-18
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