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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展，無刷直流電機的技術優勢逐漸凸顯，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工作模式下，電壓源型無刷直流電機的數學模型，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、反電勢系數、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、計算極弧系數、電樞計算長度和氣隙系數，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據進行對比，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，分析發現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。
標簽： 大功率 分 無刷直流電機
上傳時間： 2013-04-24
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稀土永磁無刷直流電動機采用高磁能積的稀土永磁材料，同時采用電子換向技術去掉了電刷，使得它具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高、運行特性優良等特點，從而廣泛應用于航空航天、精密儀器、工業控制等許多對電機運行性能要求較高的場合。因此，對稀土永磁無刷直流電機的研究具有重要的意義。本文對稀土永磁無刷直流電動機設計方法和分析方法進行了研究： 永磁電機設計計算中傳統的一般采用比較簡單的磁路法，用磁鋼工作圖計算靜態及動態的工作點，這顯然不能滿足精確性的要求。本文采用了場路結合的方法，首先利用磁路法對電機進行初步設計，然后建立有限元分析模型對電機的參數和性能進行精確分析，采用這樣的方法不但可以滿足精確性要求，同時可以縮短設計周期。 本文把有限元方法引入到了對電機性能影響較大的重要系數(如空載漏磁系數、電樞計算長度、計算極弧系數和氣隙系數等)及性能參數反電動勢、電磁轉矩、電感的計算中。以電機內磁場有限元分析為基礎的設計結果體現了較高的精確度；同時，由于在大功率、高轉速的永磁無刷直流電動機中，電流受漏感的影響從而改變了電機的性能，因此漏感的作用不容忽視。本文推導了稀土永磁無刷直流電動機漏電感計算的有限元方法，引入了電機等效電阻系數，并針對電磁轉矩脈動和齒槽轉矩脈動的產生的原因，給出了多種有效的抑制方法，使電機設計更為合理。最后介紹了電機測試平臺的搭建和具體的測試方法，以驗證用戶關心的電機性能參數在電機設計中的正確性。
標簽： 稀土 無刷直流電動機 設計與分析
上傳時間： 2013-06-09
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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。
標簽： 永磁電機 分 磁場
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?；趶椥粤W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?；陔姶艌隼碚摲治隽舜帕S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
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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。
標簽： 大型 變壓器 直流偏磁
上傳時間： 2013-06-25
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直接轉矩控制技術，是繼矢量控制技術之后出現的又一種新的控制思想，其控制手段直接，系統響應迅速，具有優良的靜、動態特性，系統魯棒性好，因而受到了普遍關注并得到了迅速發展。 本論文從交流調速技術的發展開始，分析了異步電機直接轉矩控制的基本原理，推導了u-l、i-n兩種磁鏈模型，并對這兩種磁鏈模型的適應范圍和特點進行了分析，然后推導了在全速范圍都適用的u-n模型。u-n模型的特點是：低速下工作于i-n模型，高速下工作于u-i模型，高低速之間自然過渡，加之引入電流調節器對電流觀測值進行補償，大大提高了模型的觀測精度。 然后以交流電力機車為例，介紹了直接轉矩控制技術在交流調速系統中的應用，并根據電力機車的牽引特性，設計了不同的控制策略： (1)低速區：采用圓形磁鏈的直接轉矩控制； (2)高速區：采用六邊形磁鏈的直接轉矩控制； (3)弱磁區：通過改變磁鏈給定值來調節轉矩，實現恒功率調節。 同時應用MATLAB/SIMULINK軟件建立了直接轉矩控制系統的仿真模型，并得出了仿真結果，驗證了該方法的正確性。 最后介紹了無速度傳感器的直接轉矩控制方法，推導了基于模型參考自適應(MRAS)理論的轉子轉速的辨識方法，建立了轉子轉速的辨識模型，并得到了仿真結果。
標簽： 直接轉矩 控制技術 交流調速系統
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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。
標簽： 高功率密度 永磁同步電動機
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。
標簽： 轉子 風力發電機
上傳時間： 2013-08-04
上傳用戶：ztj182002
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。
標簽： 鐵磁 材料 損耗
上傳時間： 2013-06-27
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滾筒式洗衣機在其工作運轉，尤其是其脫水甩干時的振動，一直是個突出的問題。滾筒洗衣機在運行過程中由于衣物的不平衡分布，會使滾筒受到變載荷與變方向偏心力激勵的作用并引起激烈的振動，使得整機的振動不僅產生很大的噪音，而且對洗衣機機械與電器部件的壽命產生影響。因為傳統機械減振方法存在通用性方面的限制，近年來隨著技術的發展，從機電一體化系統的角度出發，綜合運用機械、電子、電機等方面的技術，提高洗衣機的振動控制效果已成為趨勢。 本文從課題要求和實際應用出發，在與日本松下公司合作的基礎上，針對National NA—V82型號滾筒洗衣機，以電力電子用數字控制開發系統MyWay PE—Expert作為控制系統，構建了滾筒洗衣機驅動系統平臺，并開發了一種新型的低振動的滾筒洗衣機驅動控制方法。本文的結構和主要研究內容如下： 第一章簡單介紹了滾筒洗衣機的發展現狀，通過對課題的背景介紹，闡述了課題的實際意義。其后詳細介紹了傳統的機械減振手段以及新型的通過電機控制技術實現的減振方法。通過對兩者的分析比較，提出了本文的主要工作及方案。 第二章介紹了驅動系統主要硬件組成及各部分之間的連接，給出了驅動系統的詳細連接圖。同時給出了基于矢量控制的驅動系統基本控制方法的原理和說明。最后還介紹了振動測量設備并確定其使用方案。 第三章研究了振動產生的機理，對振動規律進行分析。提出了基于加速度傳感器的偏心負載位置以及質量的實時測定方法。并通過仿真和實驗分析，研究了脈動轉矩對電機振動的影響。最后在此基礎之上，提出了基于脈動轉矩的低振動的滾筒洗衣機驅動系統控制方法：分段線性化振動抑制法以及自振動抑制法。 第四章通過實驗研究，確定低振動驅動控制方法所需要的相關參數。并驗證了偏心負載位置以及質量實時測定方法的精度和基于脈動轉矩的低振動的滾筒洗衣機驅動系統控制方法的效果。 第五章總結了研究的主要工作，并對未來的工作方向進行了研究和討論。
標簽： 振動 滾筒洗衣機 控制研究
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