本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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本课题来源于国家863计划《高速高效防爆稀土永磁同步电机研究》项目的部分研究内容。为了进一步提高稀土永磁同步电动机的效率，本论文主要采用有限元分析与实验相结合的方法，重点针对稀土永磁同步电动机稳态运行时的谐波转子铜耗、瞬态起动过程以及空载谐波磁场进行了深入研究。 论文利用有限元电磁场仿真软件MagNet，对油田抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了详细的电磁场仿真计算，首次，对谐波磁场引起的稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗进行了深入分析。通过对22kW电机的间接法和直接法效率实验，分离出谐波引起的杂散损耗，并与仿真计算结果进行对比分析，证明了：实际稀土永磁同步电动机稳态运行时是存在转子铜耗的，这也是和传统稀土永磁同步电动机理论不同的地方。研究成果《稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗分析》发表在核心期刊《微特电机》2006年第9期上。 论文采用有限元MagNet对抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了起动过程的仿真研究，并利用先进的动态示波记录仪DL750对22kW电机进行了空载起动过程的实验。实验结果表明有限元电磁仿真计算结果是准确的，也为稀土永磁同步电动机的优化设计提供了参考依据。研究成果《基于有限元的稀土永磁同步电动机起动过程仿真研究》发表在核心期刊《微特电机》2007年第1期上。 论文应用有限元电磁场软件MagNet对作者设计的370W稀土永磁同步电动机的空载气隙磁场进行了仿真分析，得到空载谐波磁场的波形畸变率是6.23﹪；为了验证有限元分析结果的正确性，专门设计了两台370W稀土永磁同步电动机对拖实验，利用WT3000电力分析仪分析出：实际空载气隙磁场波形的畸变率是3.26﹪；通过实验结果和仿真结果的对比分析，发现实际电机的转子鼠笼条对电机空载谐波磁场有很好的抑止作用。初步的研究成果《稀土永磁同步电动机空载气隙磁场的谐波分析研究》于2006年12月投到核心期刊《微特电机》上。
上传时间： 2013-04-24
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本文研究的电磁阻尼器是一种特殊结构的空心杯发电机，它主要用于对能量的吸收和耗散，达到减振消能的目的，是具有很高单位耗能的能量吸收元件。电磁阻尼器的应用十分广泛，已涉及航天、航空、电力等诸多领域，有着广阔的市场前景。 采用电磁场分析软件建立了电磁阻尼器的仿真模型，仿真分析了电磁阻尼器阻尼力矩与定子、转子结构参数的关系。 介绍了常规空心杯电机与电磁阻尼器的结构、发展和应用，基于Ansoft公司的电磁场分析软件Maxwell 2D学生版软件建立了电磁阻尼器静磁场的二维仿真模型，分别对不同充磁方向、极弧系数、磁极对数的气隙磁密分布进行了静态仿真分析，得出了相应结论。在此基础上，运用Infolytica公司的电磁场分析软件MagNet对电磁阻尼器的二维稳态磁场进行了仿真，研究了如下内容： (1)定子磁路结构中的磁钢材料、磁钢充磁方向、定子磁极对数的改变对力矩特性的影响； (2) 转子结构参数中的转子长度、转子材料、转子厚度、转子平均直径、转子转向的改变对力矩特性的影响。根据所得的阻尼力矩仿真数据，基于Excel软件的曲线拟合和Matlab软件对拟合曲线进行的数值分析，求得了力矩特性斜率与上述参数的关系式。此关系式为探索电磁阻尼器的工程设计方法提供了一定理论依据，具有重要的工程应用价值。 最后，将仿真计算得到的阻尼力矩值与实验测得的阻尼力矩值进行了对比，分析了误差产生的原因。
上传时间： 2013-04-24
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本文针对我国当今大型仓库、大型粮库的监测与控制现状，进行研究开发，采用较为实用和先进的单片微型机控制系统，运用温度传感器和湿度传感器对温度、湿度的敏感性设计了一种基于多级通讯总线的粮库温、湿度自动监测系统，主要包括通讯控制总站以及下位机的设计。操作人员可以通过向通讯控制总站发送命令，提取下位机温、湿度数据，下位机实现温、湿度检测；同时可以查看历史检测数据，进行粮情分析和粮库管理等一系列操作。 温湿度的测量和控制系统通常被认为是一项较为简单的控制技术，但是由于湿敏元件的稳定性差，寿命短等问题，实际应用系统中能正常运行的不多，除非建立有严格的管理制度，而且管理人员的综合素质要达到一定的要求。所以，本文重点分析了湿敏传感测量的机制，选型和技术措施。在研究了多种湿度传感器性能的基础上选用了合适的湿度传感器，这是本设计的一个重点。本设计还有一个重点，用CPLD设计了一个模拟开关和显示部分。 本设计研制的上位机采用PC机，通过RS-232接口与转换器相连，转换器通过RS-485总线连接下位机，实现监控室与现场的数据通信。每台下位机位于各粮仓内，需要监测256路的温、湿度信号，为了能实现共256路温湿度的数据采集工作，本设计中用CPLD设计了一个模拟开关，每次只采集一路数据送入到单片机中去；另外，本设计的显示部分也独特的选用了CPLD来实现。正常情况下上位机每4小时向下位机发布一次检测信号(同时在任何时刻也可监控某个粮仓的温湿度情况)，下位机利用PICl6F877单片机来实现粮仓中128路温度和128路湿度的测控。 该粮仓温、湿度测控系统实用性强，成本低，数据传输效率高，可靠性好。它不仪可以应用于粮库的监控管理，而且也可推广到其他监控领域，因此具有广泛的应用前景。
上传时间： 2013-05-23
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电力变压器是电力系统中及其重要的电气设备，它的安全运行直接关系到电力系统的稳定。变压器长期在电网中运行会发生各种故障和事故，一旦遭到破坏，损失巨大。通过预防性试验和油中溶解气体的气相色谱分析结果判断变压器的绝缘状况，对防止事故的发生有很大作用，但定期的预防性试验可能出现过多的维修和不必要的停机，又不能及时发现故障；而变压器在线监测可以及早发现变压器故障，避免事故的发生，而且可以降低维护成本。 变压器中最常发生故障的部位是绕组，它的损坏率约占整个变压器故障的60％～70％。诊断绕组变形的方法中，频率响应法、阻抗分析法、低压脉冲法虽然有可取之处，但是都属于离线方法，不能及时发现变压器的故障，不适于在线测量；通过实时计算变压器绕组短路电抗来在线诊断变压器故障是一种有效的在线监测方法。 本文根据变压器绕组的短路电抗在正常运行时不发生变化，而在变压器内部故障时要发生变化的特性，应用辩识理论，利用变压器三相电压、电流的测量值来辨识绕组的短路电抗。把辨识结果对比正常时的三相绕组的短路电抗，可以发现绕组是否异常及故障发生的部位，保证变压器元件得到及时更换，防止变压器非正常退出运行。 本文采用傅立叶算法来计算变压器三相电压、电流采样信号的基波分量的幅值与相角，实现变压器绕组的参数辨识，此时并没有考虑衰减直流分量。经过分析，当采样信号中存在衰减直流分量时傅立叶算法就会产生误差，而递推最小二乘法和卡尔曼滤波效果很好。 最后本文介绍了变压器绕组参数辨识的实际应用与误差分析，分析了系统中软件、硬件方面的问题对测量短路电抗造成的影响；以及参数辨识的软件设计和运行试验，验证了方案的可行性。
上传时间： 2013-07-29
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盘式永磁电机因其较高的转矩密度和良好的动态响应特性，在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速的推广和应用。本文针对盘式永磁同步电动机的设计展开研究，所做工作主要包括以下几个部分： 首先，从电机的主要尺寸方程入手将盘式永磁电机和径向永磁电机的转矩密度进行了比较，得到了两种电机转矩密度的变化关系。推导了六相盘式永磁同步电动机的电枢反应电抗、槽漏抗等的计算公式，同时也给出了这些参数相应的有限元计算方法，两种计算结果基本一致。并且在对多极少齿结构电机的漏磁系数进行研究的基础上，总结了该类电机的漏磁系数的计算方法。 其次，采用了针对六相电机的22极24槽结构，使得电机的主要尺寸减小，电机定子冲槽、电枢下线等工艺要求降低。利用有限元法和傅立叶分析求解对永磁体的形状进行优化，可使得永磁电机气隙磁密波形畸变率减小，进而降低的转矩波动。定量分析了不同定子槽口宽度对空载反电动势波形和齿槽转矩的影响规律。 通过对盘式永磁电机的磁场分布特点的研究，编写了分环法盘式永磁电机电磁设计程序。通过对样机设计值与实验值比较，不断对盘式永磁电动机的电磁程序进行完善和修正，目前已经形成了一个比较实用可靠的CAD软件。 对盘式永磁电机转子盘体进行刚度计算，并且也对电机的定子进行了固有频率的计算，保证了电机的可靠运行。 最后，在上述研究的基础上，本文设计制造了一台5kW的双定子单转子结构的盘式永磁同步电动机样机并做了详细的实验，实验结果与理论分析基本一致。
上传时间： 2013-07-29
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本课题的研究工作主要围绕机床用永磁交流伺服电动机设计展开，所做的主要工作包括以下几个部分： 首先，钕铁硼永磁材料导电率较高、耐热性能较差，当电机气隙磁场谐波含量较大时，永磁体中就会感应出涡流形成涡流损耗导致永磁体发热。因此，有必要对转子永磁体内的涡流进行计算和分析。本文分析了永磁同步电动机转子永磁体内涡流产生的原因，建立涡流的数学模型并推导出永磁体涡流损耗的计算公式。用ANSOFT有限元软件建立电动机的物理模型进行电磁场求解，结合路的计算公式算出永磁体的涡流损耗。 其次，运行平稳性是伺服电动机的一项重要的性能指标，而转矩波动的大小直接影响运行平稳性。本文分析了机床用永磁交流伺服电动机转矩波动产生的原因，运用转矩波动计算公式结合ANSOFT有限元软件，计算比较相同功率、相同极数不同槽数时，电动机的转矩波动情况。通过比较计算出的转矩波动百分比的大小，选择所设计电动机的极槽配合，以提高机床用永磁交流伺服电动机的运行性能。 最后，完成机床用永磁交流伺服电动机基本结构尺寸以及电磁参数的选取，利用有限元软件，分析计算气隙长度变化对失步转矩倍数和永磁体用量的影响，以及永磁体宽度对气隙磁密波形的影响，以此合理选择气隙长度和永磁体的宽度，使电动机的性能更优良。在上述研究的基础上，本文设计了一台0.9kW，8极36槽的机床用永磁交流伺服电动机样机，并对其性能进行了测试，测试结果表明，电机的性能指标达到了预期的要求，证明了电机设计过程理论分析计算的正确性。
上传时间： 2013-06-13
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矿井高压电网多以6KV 供电为主，高压防爆开关成为了井下供电系统的最为关键的设备之一。近年来，由于煤矿开采中因电气保护失控而引发事故的增长，国家对井下供电系统的可靠性、安全性的要求越来越高，因而采用现代化新技术对矿井下高压控制设备进行技术改造和创新被提到了一个重要的高度。随着微机技术的应用与发展，以单片机为核心的高压开关智能综合保护技术，能够较好地完成对多路信号进行处理，增强和增加了保护的功能，其应用对于提高供电质量、保证人身安全、完善电网保护都具有很重要的现实意义。本文设计了一个双CPU 的保护控制系统，双CPU 结构就是采用16 位DSP(Digital SignalProcessing)芯片TMS320LF2407A 和增强型51 单片机STC89C58RD+进行分工合作并行处理，前者作为从CPU 完成各种保护功能，后者作为主CPU 完成参数的整定、显示、数据下放以及PROFIBUS 通讯扩展。既能充分利用DSP 的高速数据处理性能，提高保护动作特性； 同时，在不影响数据处理的情况下又扩展了人机界面和总线通讯功能。 本文从理论上分析了矿井高压电网中性点不接地系统的主要故障的电气特征，并有针对性地提出了零序电流方向型选择性漏电保护、相敏短路保护和绝缘监视保护，然后分析了采样原理和算法，确定了同步交流采样和全波傅立叶算法相结合的采样计算方法。此外，针对系统可能遇到的各种干扰，在硬件、软件两方面进行了抗干扰设计。最后通过试验数据验证了系统对线路故障具有可靠的动作特性。 该保护控制系统性能稳定、动作可靠，简单的按键操作和醒目的液晶显示给工作人员带来了极大方便，实现了检测、保护、控制和通讯的一体化。 本课题是围绕着天津市科技攻关立项项目“矿用高压隔爆开关智能控制系统的开发”来进行地研究。
上传时间： 2013-06-11
上传用户：xiangwuy
温度监控系统的设计 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。 本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。
标签： 温度监控系统
上传时间： 2013-07-18
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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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