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?；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。
上傳時間： 2013-04-24
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由于直流調速的局限性和交流調速的優越性，以及計算機技術和電力電子器件的不斷發展，異步電動機變頻調速技術正在快速發展之中。在現代微機技術的快速發展下，計算機運行速度不斷提高，指令的執行速度也達到了前所未有的高度，使得復雜算法應用計算機來進行實時運算、執行成為可能。經過最近十幾年的應用開發，交流異步電動機的變頻調速性能已經優于直流調速系統。 目前廣泛研究應用的異步電動機調速技術有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉矩控制等。本論文中所討論的是異步電動機矢量控制調速方法，相對于恒壓頻比控制和直接轉矩控制，它有動態性能和低速性能好、調速范圍寬等優點。 本文對異步電動機的數學模型的建立進行了詳細的分析和闡述。通過對異步電動機的動態電磁關系的分析以及坐標變換原理概念的介紹，建立了異步電動機在不同坐標系上的數學模型，指出了異步電動機的模型特點是一多變量、強藕合的非線性系統。 在對異步電動機的矢量控制原理進行闡述時，給出了矢量變換方法實現的步驟，并依次說明了三相異步電動機數學模型是如何解耦的。在論述了二相異步電功機的磁場定向原理后，介紹了轉子磁鏈的計算方法并設計了轉子磁鏈觀測器。 詳細地分析了磁通調節器，轉矩調節器和轉速調節器的工作原理，并設計了磁通調節器，轉矩調節器，轉速調節器。以DSP為控制核心，設計了異步電動機的矢量控制系統的硬件，并編制了軟件程序。 運用MATLAB的工具軟件SIMULINK對磁通閉環的矢量控制系統進行仿真，給出了仿真結果，并對仿真結果進行了分析。
上傳時間： 2013-04-24
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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。
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。
上傳時間： 2013-04-24
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論文分析了混合式步進電動機的工作原理和運行特性。采用簡化的磁網絡模型，推導了建立二相混合式步進電機數學模型的關系式。并對步進電機的多種驅動技術進行了詳細的研究，著重分析和論述了正弦脈寬調制細分驅動技術。文中對整個系統的結構、硬件電路設計及驅動軟件編程進行了研究和實現，并給出了系統性能實驗結果。 步進電機的使用離不開步進電機驅動器，驅動器的優劣影響著步進電機的運行性能。傳統的驅動方式側重于使步進電機繞組電流以盡可能短的時間上升到額定值，以提高電機高速運行時的轉矩，一般步距角較大，且造成低速運行時的振動和噪聲加大。針對此問題，開發出一種新型的基于單片機的多細分二相混合式步進電機驅動器。該驅動器以二相混合式步進電動機的靜態和動態運行特性為出發點，主要分為數字控制部分、GAL片邏輯綜合信號處理單元、SG3525恒流控制電路、驅動功放電路、過流保護及反饋電路和系統供電電源模塊等。采用專用集成芯片和可編程邏輯器件，以8位單片機AT89C51為控制核心，實現恒流控制、正／反轉運行、過流保護和多檔位細分等功能。在器件選型和軟、硬件設計方面兼顧了性能與成本等因素，性價比較高且通用性強。 該驅動器樣機已完成制作并進行了聯調測試，文中給出了測試結果并對所測波形進行了分析。實驗結果表明，系統硬件和軟件設計合理可行，各項技術指標均達到了設計要求。它與混合式步進電動機配套可以明顯地改善步進電動機的運行性能，拓寬其應用領域。
上傳時間： 2013-06-07
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本文研究的電磁阻尼器是一種特殊結構的空心杯發電機，它主要用于對能量的吸收和耗散，達到減振消能的目的，是具有很高單位耗能的能量吸收元件。電磁阻尼器的應用十分廣泛，已涉及航天、航空、電力等諸多領域，有著廣闊的市場前景。 采用電磁場分析軟件建立了電磁阻尼器的仿真模型，仿真分析了電磁阻尼器阻尼力矩與定子、轉子結構參數的關系。 介紹了常規空心杯電機與電磁阻尼器的結構、發展和應用，基于Ansoft公司的電磁場分析軟件Maxwell 2D學生版軟件建立了電磁阻尼器靜磁場的二維仿真模型，分別對不同充磁方向、極弧系數、磁極對數的氣隙磁密分布進行了靜態仿真分析，得出了相應結論。在此基礎上，運用Infolytica公司的電磁場分析軟件MagNet對電磁阻尼器的二維穩態磁場進行了仿真，研究了如下內容： (1)定子磁路結構中的磁鋼材料、磁鋼充磁方向、定子磁極對數的改變對力矩特性的影響； (2) 轉子結構參數中的轉子長度、轉子材料、轉子厚度、轉子平均直徑、轉子轉向的改變對力矩特性的影響。根據所得的阻尼力矩仿真數據，基于Excel軟件的曲線擬合和Matlab軟件對擬合曲線進行的數值分析，求得了力矩特性斜率與上述參數的關系式。此關系式為探索電磁阻尼器的工程設計方法提供了一定理論依據，具有重要的工程應用價值。 最后，將仿真計算得到的阻尼力矩值與實驗測得的阻尼力矩值進行了對比，分析了誤差產生的原因。
上傳時間： 2013-04-24
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高中壓斷路器是電力系統中最重要的開關設備，用高中壓斷路器保護電力系統至今已經歷了一段漫長歷史。從最初的油斷路器發展到壓縮空氣斷路器，再到目前作為無油化開關的真空斷路器和SF6斷路器。其中真空斷路器以其小型化和高可靠性等優點，已在高中壓領域得到愈來愈廣泛的應用。作為真空斷路器的核心部件，真空滅弧室的研究和開發顯得尤為重要。 真空滅弧室的小型化是國外關注的問題，我國很多相關的研究所和高等院校都曾作過不少研制工作，研究的方向是采用各種縱向磁場結構電極的真空滅弧室和尋求新的觸頭材料。由于縱向磁場結構的電極開斷能力強，在額定短路開斷電流、設計裕度和工藝水平相同的情況下，縱向磁場的電極比橫向磁場的電極小得多。因此，采用縱向磁場結構電極的真空滅弧室可以縮小整體尺寸。 本設計從真空滅弧室的具體模型出發，應用ANSYS8.1的電磁場分析軟件，對600A的真空滅弧室觸頭間的縱磁場進行計算與分析，可得到接近實際的動、靜觸頭電流流向矢量分布圖，線圈磁感應強度與線圈幾何尺寸的關系，觸頭開距對磁場分布的影響及電弧在不同位置時的受力分析等。由不同線圈截面積與縱磁磁場強度的關系分布，可得出在分斷電流不變的情況下，線圈愈小磁場強度愈強。由觸頭開距與磁場強度的關系，可見觸頭間距越小，兩觸頭間越能獲得較大的磁感應強度。對真空滅弧室極問磁場分布以及電弧在觸頭上不同位置受力進行分析，結果表明隨著磁感應強度變小，電弧受力也相對的變小。 通過ANSYS仿真分析，為真空斷路器滅弧室的設計提供了比較準確的數據資料。進而使產品的設計、開發建立在較為科學的基礎上，為產品實際研制提供理論依據。
上傳時間： 2013-06-20
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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。
上傳時間： 2013-04-24
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電力變壓器的渦流損耗及其在電力變壓器中造成的局部過熱問題是電力變壓器設計計算中的一個關鍵問題。電力變壓器的容量越大，漏磁場就越強，渦流損耗也就越大，以及由渦流損耗造成的局部過熱問題也就越突出。因此，如何解決這一問題就顯得至關重要。 文中首先介紹了電力變壓器渦流損耗與溫升計算的意義和目的，并論述了電力變壓器漏磁場、溫度場問題的國內外研究概況。本文應用電力變壓器和有限元的基本理論，使用大型通用有限元分析軟件Ansys對變壓器的磁場和溫度場進行分析與計算。首先建立電力變壓器三維分析模型，對電力變壓器的三維漏磁場進行準確的計算，得出了繞組及結構件上的磁感應強度分布，并對繞組中的軸向漏磁場及輻向漏磁場進行了分析對比。在此基礎上計算了由變壓器漏磁場引起的結構件渦流損耗，并把計算結果與實驗數據進行了比較，結果基本吻合，說明了計算結果的正確性及用Ansys軟件仿真分析的可行性。根據磁場分析的結果給出了減小各結構件漏磁場和渦流損耗的方法，分析了在油箱壁上安裝電磁屏蔽和對拉板開槽的作用。 在計算出繞組及結構件中渦流損耗的基礎上，對電力變壓器進行了磁—流—熱耦合場分析，采用間接耦合的方法將磁場得出的焦耳熱作為流場分析的載荷，使流場與溫度場進行耦合，得出繞組及結構件上的溫度場分布。應用相關理論對所得結果進行了分析以及提出了降低溫度的方法。論文最后使用VB語言編制了變壓器磁場、溫度場分析的仿真軟件界面，實現了參數化建模，加載，并可以從結果數據庫中提出結果數據。
上傳時間： 2013-05-22
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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。
上傳時間： 2013-07-29
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