随着电力电子技术的发展，高速永磁无刷直流电机应用前景越来越广阔，有较大的研究价值，对其电磁性能进行准确的分析和设计具有重要的经济价值和理论意义。本文主要是围绕着永磁无刷直流电机，尤其是高速永磁电机的磁路、电路性能的分析、铁耗和温升的计算、优化设计、控制系统和样机制造和实验等做了大量的工作： 对电机的磁路进行分析设计：从磁路结构入手，分析了定子铁芯、转子铁芯和永磁体的各种结构优劣及其选型、选材的根据；讲述了场路结合的分析计算方法；给出了极数、槽数、绕组、转子参数、定子参数和轴承的参数确定方法。 对永磁无刷直流电机的电路进行分析：从电机磁场分析入手，根据齿磁通分析计算了电枢绕组的感应电动势；根据此电动势的波形，推导了三相六状态控制时，电动势的电路计算模型，重点推导了电动势平顶宽度小于120度电角度时的电路模型，指出换相前电流波形出现尖峰脉冲的原因，该模型考虑了电感对高速电机性能的影响；给出了基于能量摄动法计算绕组电感的方法。 高速永磁无刷直流电机内的损耗尤其是铁耗较大，根据经验系数来计算铁耗的传统方法已显得力不从心，如何准确计算高速永磁无刷直流电机内的铁耗是困扰电机工作者的一个难题，本文根据Bertotti铁耗分立计算模型，进一步推导了考虑电机内旋转磁化对铁耗的影响的铁耗计算模型，其各项损耗系数是由铁芯材料在交变磁化条件下的损耗数据通过回归计算得到。通过实际电机的计算和实验测试，表明此计算模型有较高的准确度。随着电机内损耗的增大，温升也是一个重要问题，为了了解电机内的温度分部，防止局部过热，本文建立了基于热网络法永磁无刷直流电机的温升计算模型，并对电机进行了温升计算，计算结果和实际测量基本一致。 本文确立了永磁无刷直流电机的电磁计算方法，建立了优化设计的数学模型，编制了程序，用遗传算法成功地对高速永磁无刷直流电机的效率进行了优化，给出了优化算例，并做出样机，通过对优化前后的方案做出样机并进行比较实验，优化后测量损耗有了较大的减小。 对永磁无刷直流电机控制系统中的几个关键问题进行了研究：位置检测技术、三相逆变电路中的功率管压降和控制系统换相角问题，它们都对电机的性能有很大的影响。本文着重分析了霍尔位置传感器原理、选型及在电机中的安装应用；功率管压降对起动电流、功率的影响问题；控制系统提前或滞后换相对电机电流，输出性能的影响，提出适当提前换相有利于电机出力。 做出永磁无刷直流电机样机并进行实验研究，主要包括高速永磁无刷直流电机、内置式永磁无刷直流电机、高压永磁无刷直流电机的设计、性能分析、样机制作、实验分析等。建构了对样机进行发电机测试、电动机测试、损耗测量的实验平台，通过在测试时使用假转子的方法成功分离出了电机铁耗和机械损耗，实验测量结果和计算结果基本一致。 总之，通过对永磁无刷直流电机的磁路、电路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁无刷直流电机的设计理论和分析方法，并通过样机的制造和实验，进一步的验证了这些理论和方法的准确性，这对永磁无刷直流电机的设计和应用有很好的参考价值。
上传时间： 2013-04-24
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在永磁无刷直流电机中，即使电枢绕组不通电，由于水磁体产生的磁场同定子铁芯的齿槽相互作用而产生转矩，即齿槽定位力矩。定位力矩使电机输出转矩波动，产生振动和噪声。影响齿槽转矩的因素很多，如齿槽的数量、齿槽形状、斜槽角度、磁钢的极弧系数以及辅助凹槽等等，因此，准确计算定位力矩较为复杂。本文利用麦克斯韦张量法来分析定位力矩，为电机设计提供理论参考。文中阐述了齿槽力矩产生机理，综述了抑制齿槽转矩的方法，探讨了抑制齿槽转矩的发展趋势。 本文以永磁无刷直流电机为对象，利用Ansoft有限元仿真软件，通过有限元分析对改变槽口宽度、定子斜槽、改变极弧系数和定子冲片增加辅助凹槽对定位力矩的影响进行了研究。深入分析了冲片辅助凹槽对抑制永磁无刷直流电机定位力矩的作用，因为冲片面加辅助凹槽的方法，生产中便于加工，对电机性能影响很小。结果表明，同一冲片上在对称位置上排布辅助凹槽能取得很好的效果，而以冲片中心线对称地加两个辅助凹槽时，辅助凹槽角度不同作用不同。对不同冲片，适合的辅助凹槽角度也是不同的。 最后对这几种抑制定位力矩的方法进行优化组合，找出了一个最优的抑制永磁无刷直流电机定位力矩的方案。
上传时间： 2013-06-18
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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在早期阶段，直流调速系统在传动领域中占统治地位。然而，从60年代后期开始，交流电动机在工业应用领域正在取代直流电动机，交流传动变得越来越经济和受欢迎。永磁交流伺服系统作为电气传动领域的重要组成部分，在工业、农业、航空航天等领域发挥越来越重大的作用。永磁同步电动机以其特点广泛应用于中小功率传动场合，成为研究的重要领域。然而，永磁同步电动机具有较大的转动脉动，而对于这些应用场合，转矩平滑通常是基本要求。因此，对永磁交流伺服系统的应用，必须考虑其转矩脉动的抑制问题。本文针对电机传动系统中参数变化对电机性能的影响，以永磁同步电机为例，围绕如何通过参数辨识来提高永磁同步电动机的控制性能，借助自行开发的全数字永磁交流伺服系统平台，对永磁同步电动机的磁场定向控制，参数辨识，神经网络和扩展卡尔曼滤波在控制系统中的应用，抑制转矩脉动，提高系统性能几个方面展开深入的研究。 本文从永磁同步电动机及其控制系统的基本结构出发，对通过参数辨识抑制转矩脉动进行了较为细致的分析。针对不同情况，通过改进电机的控制系统，提出了多种参数辨识方法。主要内容如下： 1、基于定子磁链方程，建立了永磁同步电动机的一般数学模型。经坐标变换，得出在静止两相（α—β）坐标系和旋转两相（d—q）坐标系下永磁同步电动机电压方程和转矩方程。 2、分析了永磁同步电动机id=0矢量控制系统的工作原理，介绍了永磁同步电动基于磁场定向的矢量控制的基本概念。经对永磁同步电动机系统进行分析，推导并建立了id=0控制时整个电机系统的数学模型。 3、基于超稳定性理论的模型参考自适应控制原理，设计了一种模型参考自适应控制系统，考虑电机参数的时变性，对永磁交流伺服系统的绕组电阻和电机负载转矩辨识进行了研究，以保持系统的动态性能。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，对控制性能进行了验证，仿真实验证明这种方法的可行性。 4、人工神经网络具有很强的学习性能，经过训练的多层神经网络能以任意精度逼近非线性函数，因此为非线性系统辨识提供了一个强有力的工具。本章针对永磁同步电机提出了一种以电机输出转速为目标函数的神经网络控制方案，同时应用人工神经网络理论建立和设计了负载转矩扰动辨识的算法以及相应的控制系统的补偿方法，并应用MATLAB软件进行了计算机仿真，仿真证明和传统的控制方法相比，以电机输出转速为指导值和目标函数的神经网络控制方案能有效地提高神经网络的收敛速度，能有效地改善控制系统的动态响应，具有跟踪性能好和鲁棒性较强等优点。 5、电机的参数会随着温升和磁路饱和发生变化，需进行在线实时辨识。本文利用电机的定子电流、电压和转速，采用递推最小二乘法进行在线参数辨识，该方法不需要观测的磁链信号，消除了磁链观测和参数辨识的耦合。电机状态方程由于存在状态变量的乘积项，对电机参数辨识以后，仍然是非线性方程，为了对电机状态方程进行状态估计，得到电机的参数辨识值，本文采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计，对以上方法的仿真实验得到了满意的结果。 6、本文基于数字电机控制专用DSP自行开发了全数字永磁交流伺服系统平台，通过软件实现扩展卡尔曼滤波对电阻和磁链的估计，以及基于磁场定向的空间矢量控制算法，获得了令人满意的实验结果，证明扩展卡尔曼滤波算法对电阻和磁链的实时估计是很准确的，由此构成的永磁交流伺服系统具有良好的静、动态性能。
上传时间： 2013-07-28
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永磁同步发电机由于一系列高效节能的优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，并且受到许多学者的关注，其研究领域主要涉及永磁同步发电机的设计、精确性能分析、控制等方面。 本课题作为国家自然科学基金项目《无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机的研究》的课题，主要研究永磁电机的电磁场空载和负载计算，求出永磁电机的电压波形和电压调整率，为分段式转子的混合励磁永磁电机的研究奠定基础，主要做了以下工作： 首先介绍了永磁同步发电机的基本原理，包括永磁同步发电机的结构形式和永磁同步发电机的运行性能，采用传统解析理论给出了电压调整率的计算方法及外特性的计算模型；然后用有限元ANSYS对永磁同步发电机样机进行实体建模，经过定义分配材料、划分网格、加边界条件和载荷、求解计算等，得到矢量磁位Az、磁场强度H、磁感应强度B等结果，直观地看出电机内部的磁场分布情况。 其次根据电磁场计算结果，应用齿磁通法对其进行后处理。该方法求解转子在一个齿距内不同位置处的磁场，以定子齿的磁通为计算单位，根据绕组与齿的匝链关系，计算出磁链随时间的变化，进而得到永磁同步发电机空、负载时电压大小及波形。通过计算结果写实验结果对比，验证了齿磁通法的正确性，为计算永磁同步发电机各种性能特性提供有力工具。 最后，基于齿磁通法对永磁同步发电机的外特性进行了深入研究，定量分析了结构参数对外特性的影响规律，提出了有效降低电压调整率的方法的是：增加气隙长度g的同时，适当增加永磁体的磁化方向的长度hm；此外，要尽量的减少每相串联匝数N和增大导线面积以减小阻抗参数。通过改变电机的结构参数，对其电磁场进行计算，找到永磁电机电压调整率的变化规律，为加电励磁的混合励磁永磁电机做准备，达到稳定输出电压的目的。
上传时间： 2013-04-24
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在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天,在当今对可再生能源的开发利用中,风能由于其突出的优点而成为世界各国普遍重视的能源,风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点.而其中变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视.无刷双馈电机是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机,可在无刷情况下实现双馈.它具有功率因数可调、高效率的特点,比较适用于变速恒频恒压发电系统中.该文在传统风力发电的基础上,致力于研究变速恒频风力发电技术,以作为变速恒频风力发电机用的笼型转子型式的无刷双馈电机为主要研究对象,进行了深入的研究,主要包括以下几方面:1.对国内外风力发电研究现状作了较为全面的综述,介绍了无刷双馈电机发展概况和国内外研究现状.2.研究了无刷双馈电机的原型及发展,基本结构和运行原理,电磁设计特点.解释了将无刷双馈电机应用于变速恒频风力发电的可行性和优越性.探讨了无刷双馈电机的特性.3.首次推导了适用于变速恒频风力发电无刷双馈电机的功率控制数学模型提出无刷双馈电机变速恒频风力发电系统的功率控制策略.通过仿真分析验证了模型和控制策略的正确性.4.研究了无刷双馈电机作变速恒频风力发电机运行时的定子功率绕组磁链定向矢量控制策略.5.在总结无刷双馈电机传统各种控制策略的基础上,探讨了智能控制在无刷双馈电机的应用.通过仿真分析验证了模糊功率因数控制策略的正确性.
上传时间： 2013-06-24
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随着现代电力系统向大容量、高电压方向发展，广泛用于大型发电机组测量和保护用的大电流互感器的研制就变得很紧迫。考虑到大电流互感器具有大电流、强电磁干扰和多相运行等特点，在设计大电流互感器时，必须采取有效的屏蔽措施，屏蔽来自邻相的杂散磁通。传统的屏蔽方案是采用金属屏蔽罩，尽管有效，但设备笨重。本文中，作者对有外层屏蔽绕组的大电流互感器进行了各种研究。 大电流互感器采用绕组屏蔽方式后，如何优化设计屏蔽绕组，使屏蔽绕组能够充分有效地屏蔽杂散磁通对环形铁心的影响呢?针对上述的问题，本文作者主要完成如下几个方面的工作： 1、首先对国内外大电流互感器的发展与研究现状进行了叙述，并成功设计了15000/5A大电流互感器。 2、对精典的电磁场理论和场路耦合法的数学理论进行了深入的研究，建立了大电流互感器的三维场路耦合有限元分析的数学模型和仿真模型。应用有限元软件ANSYS建立三维有限元仿真模型和基于场路耦合原理的外部耦合电路。 3、理论分析了杂散磁通对电流互感器铁心的影响；重点分析了绕组屏蔽杂散磁通理论；通过等值电流法，得到无论三相还是多相电流互感器条件下，中间相的电流互感器所受到的杂散磁通是最为严重的，为大电流互感器的有效保护提供了科学依据。 4、为了得到最优化屏蔽绕组，对屏蔽绕组的匝数采用离散化替代连续性，再考虑屏蔽绕组在环形铁心上的位置，共提出了多种优化方案；根据三维场路耦合有限元分析模型，精确计算出屏蔽绕组中的电流、电流分布、环形铁心中的磁感应强度分布和外层绕组的局部最高温升，通过比较多种计算结果，得到大电流互感器屏蔽绕组的最优化方案。 5、最后建立了大电流互感器的等效磁势法和降流回路法两种试验方案模型，通过比较试验方案仿真计算结果和出厂试验结果，证明了仿真计算结果是正确的，可靠的。 通过对屏蔽绕组进行优化设计后，有效地削弱了杂散磁通，使得大电流互感器轻型化、小型化，节约了大量的铜材料，使得其运输更加方便。
上传时间： 2013-04-24
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永磁同步电机(PMSM)是一种性能优越、应用前景广阔的电机。永磁同步电机调速系统是以永磁同步电机为控制对象，采用变压变频技术对电机进行调速的控制系统。因其具有能耗低、可靠性高、控制精确等优点，在许多领域得到广泛的应用。然而，转子无阻尼绕组的PMSM的采用变频技术开环运行时，系统不太稳定，电机效率有所下降，转子温升高，易造成钕铁硼永磁体退磁，危及电机安全运行，有时甚至还会出现失步现象，系统无法运行。PMSM控制系统稳定运行控制都是建立在闭环控制基础之上的，因此如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。当前，在大多数调速驱动系统中，最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器。但这些传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在一些特殊及控制精度要求不很高的场合，无传感器控制将会得到广泛的应用。它通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量，通过特定的观测器策略估算转子位置，提取永磁转子的位置和速度信息，完成闭环控制。本文以无位置传感器PMSM控制系统作为研究对象，介绍了永磁同步电机的结构及其数学模型，详细地阐述了空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的理论基础及其波形的产生机制，并对闭环控制策略进行了研究。鉴于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407控制芯片出色的性能和丰富的外设资源，使用该芯片设计了控制系统的硬件系统和软件系统，通过对整个控制系统的试验调试，实现了永磁同步电机的无位置传感器控制。 本文借助于MATLAB建立了永磁同步电机的仿真数学模型，并根据空间矢量脉宽调制的工作原理，构建了永磁同步电机调速控制系统的仿真模型。系统采用αβ定子静止坐标系下的数学模型，依据滑模变结构控制原理，对永磁电机的转子位置角θe和转速ωe进行实时在线估算，不断修正估算位置^θe，控制定子旋转磁场与转子磁场垂直并保持与转子同步旋转，实现电机的闭环调速运行。理论分析和仿真结果表明，所提出的永磁同步电机无传感器控制方法具有较强的鲁棒性和令人满意的性能。
上传时间： 2013-04-24
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电力变压器是电力系统的重要设备之一，其安全运行对于保障电力系统的安全可靠运行意义重大。对变压器绕组进行状态检测和故障诊断，及时发现变压器的事故隐患，避免事故的发生，对提高变压器运行的安全可靠性，具有十分重要的意义。 本文分变压器绕组变形检测基础、嵌入式系统设计基础、硬件设计和软件设计四个部分。前两个部分主要介绍基础的背景知识:首先简要介绍了变压器绕组变形的几种测试方法与比较，重点介绍了频响法的诊断原理与模型；然后介绍了嵌入式系统的概念与组成，特别是Linux在ARM上的相关移植。后面的两个部分则在前面的理论基础上分别从硬件和软件介绍了如何实现基于嵌入式系统的变压器绕组变形测试仪:在硬件部分中，利用S3C2410A自带的USB控制器、LCD控制器、SD卡控制器，简化了系统设计，并针对系统需要设计了扫频信号发生器、数据高速采集与缓存等模块；在软件部分中，介绍了ARM基于Linux操作系统的I/O口、USB、LCD驱动的编写，以及相关应用程序的编写包括数据采集部分程序、LCD、串口通讯程序等，同时本文充分考虑了通讯环节可能引起的延迟问题以及提高系统资源利用效率等因素，提出了将系统设计成多进程的思路，并实现之。
上传时间： 2013-04-24
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·三相异步电动机绕组图册
上传时间： 2013-06-02
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