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。
上傳時間： 2013-04-24
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艦船、飛機、移動通訊、石油鉆井平臺等獨立系統中有許多交直流電力并存的場合，需要實現發供電系統的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品質。常規的電勵磁發電機因為帶有電刷使供電系統的運行安全存在隱患，并且勵磁機的使用增加了電機的體積和損耗。為使系統節能高效，本文設計并制作了應用于獨立交直流電力系統的交直流永磁同步發電機。永磁電機定子上帶有三套三相繞組，一套繞組用于提供交流電力，其余的兩套繞組相位互差30度電角度，接整流器為直流負載供電。文中對電機的設計以及電機的基本性能進行探討。為了減小永磁發電機的電壓調整率，在電機的交軸與電機的永磁磁極尾部之間加一軟磁材料，通過增加電機負載時的交軸電抗壓降，來改善電機的電壓調整率。 首先，針對永磁電機設計的特殊性，應用二維有限元法計算電機的電磁場以確定電機的主要尺寸，并討論了不同軟磁材料尺寸對電機的影響。文中還根據電磁場的計算結果，應用傅立葉級數計算了電機的空載感應電動勢以用于預測電機的性能，使用能量攝動法計算了計及飽和、槽影響下的電機電感參數。考慮到永磁材料的溫度性能問題，應用電磁場和溫度場耦合的方式計算了電機穩態時的溫度場。 然后，為了了解永磁同步發電機的主要電磁關系，研究了電機的數學模型，推導了考慮漏磁時具有三套互差一定電角度三相繞組的永磁發電機在dq0坐標系下的方程，可以看到，在dq0坐標系下電機的電感參數為常數。這樣，利用這個特性，在對電機運行性能進行研究時，可以得到簡化電磁方程。根據電機穩態運行時的方程，得到了電機的向量圖。 因為帶有多套繞組的永磁電機中含有較多的諧波，而采用dq0坐標系下的方程會忽略掉氣隙磁場中的諧波分量，為了對電機的仿真更加精確，電機仿真時采用電機在ABC坐標系下的基本電磁方程。應用Matlab/SimPowerSystems中的模塊搭建電機的仿真模型，永磁體的影響用感應電動勢來表示。根據仿真結果與樣機試驗結果的比較發現，兩者吻合良好。 另外，本文還設計了一臺電勵磁的交直流發電機，電磁設計結果表明，永磁電機在體積、重量、效率方面都很有優勢。
上傳時間： 2013-04-24
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在國內，目前工控領域廣泛用到的伺服系統(包括伺服電機和伺服驅動器)有整套購買國外某一個廠商的，也有自己開發電機，然后購買國外的伺服驅動器來配置伺服系統。前一種情況伺服電機與驅動器之間的整合程度是比較高，而后一種情況伺服電機的設計容易忽視與之配套的伺服驅動器的控制策略以及伺服驅動器的輸出電壓，輸出電流特點，很容易造成所設計的伺服電機不能充分發揮其性能以及材料的不合理利用。本文討論了作為伺服電機用的永磁同步電動機在整合伺服驅動器控制方式和輸出電壓、電流特性下的設計過程。 本文首先簡要介紹了永磁同步電動機作為伺服電機較其他類型的電機的優勢，接著以永磁同步電動機作為伺服電機，對給定指標要求的永磁同步電動機，在永磁體分別采用表面安裝和內置兩種轉子磁路結構時進行了場路結合的設計與分析，分析了在磁場定向控制方式下兩種轉子磁路結構的永磁同步電動機的工作特性、轉矩脈動等。得出了永磁體表面安裝轉子磁路結構的永磁同步電動機作為伺服電機時更適合磁場定向控制運行的結論。 此外，從已經成功設計了的永磁同步電動機出發，整合所設計的永磁同步電動機將要采用的驅動器其控制方式，并在一些有依據的假設前提下確定了電機的能量包函數(包括功率、轉速等一些額定指標)與一些主要尺寸函數表達式。初步得出了一種行之有效的、快速確定使用同一套定轉子沖片伺服電機尺寸的方法。 最后試制了樣機以及其在伺服驅動器下進行了實驗，并比較分析了實驗和理論分析的結果。
上傳時間： 2013-05-30
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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。
上傳時間： 2013-06-09
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本文提出了一種LED發光顯示牌的設計方案制作燈箱，其具有無燈絲光源、無逆變器能量消耗和系統直流供電等優點。LED發光顯示牌是LED在照明領域中的 一個重要應用，設計原理基于Notebook的液晶顯示器，是將點光源轉換成面光源的科技產品。為增強顯示牌的發光效果，在設計中還合理地應用到了光學級 PMMA導光板、反射膜和擴散膜等材料，并對它們的特性及其在系統中的作用進行了詳細的理論分析。同時在分析大量實驗數據的基礎上，證明了設計方案 的可行性。 系統中的太陽電池、蓄電池、負載LED的優化匹配也是一個值得研究的問題。本文從容量、功率匹配等方面對系統進行了優化設計。 太陽能發電和常規能源發電不同，它具有隨機不確定性。而這種時變性又增加了系統的不穩定性因素。本文根據課題的要求提出了一種應用于光伏照明 系統的充放電控制器的設計方案，較好地解決了系統中太陽電池輸出能量不穩定的缺陷，同時還對蓄電池和負載LED進行各種控制和保護。最后，給出了硬 件電路的設計和軟件算法，并提供了相關實驗數據和波形。
上傳時間： 2013-06-20
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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。
上傳時間： 2013-06-22
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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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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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