开发和研制无铁心永磁电机是当前电机领域的一项重要课题，无铁心永磁电机可以解决传统有铁心电机存在的重量重、损耗高、振动噪声大等问题。开发无铁心永磁电机需要准确计算电机的参数和性能，而实现这一任务的重要前提是获得正确的磁场分布。无铁心永磁电机气隙外没有铁磁材料，其自身的结构特点决定了无铁心永磁电机的气隙磁场属于三维开域磁场，开域磁场工程问题的计算是近年来计算电磁学的研究热点之一。 本文的研究内容是国家高技术研究发展(863)计划项目“新型稀土永磁电机设计与集成技术”的关键技术之一。针对无铁心永磁电机的实际工程问题，计算方法的选择力求既能保证一定的计算精度，又能节约计算机内存和CPU时间。根据对各种开域电磁场计算方法的分析比较，本文将渐近边界条件法和有限元法结合解决无铁心永磁电机三维开域磁场计算问题。 本文主要由以下几部分组成： 第一部分为无铁心永磁电机三维开域磁场计算方法的研究。首先提出了基于标量磁位的渐近边界条件，建立了球形边界的标量磁位渐近边界条件数学模型。为了尽可能减少节点的数量，结合无铁心永磁电机的具体结构，推导了适合于盒形截断边界和圆柱形截断边界上简便易行的一阶和二阶标量渐近边界条件算子，该算子具有简单、有限元实施容易的特点。其次研究并建立了标量渐近边界条件与有限元法结合的三维开域静磁场的数学模型，并提出具体的实施方法，推导出相应的离散方程。通过对具有解析解的长方永磁体三维开域磁场的实例计算，验证了方法和所编程序的正确性，并将渐近边界条件法与截断法在计算精度和人工外边界距离方面做了比较。结果表明：在相同人工外边界情况下，渐近边界条件与截断边界条件相比，计算精度明显提高，二阶渐近边界条件明显优于一阶渐近边界条件。与截断法相比，渐近边界条件法更节约计算机内存和CPU时间，比较好地处理了计算量与计算精度之间的矛盾。 第二部分针对Halbach阵列内转子无铁心永磁电机三维开域磁场问题进行深入研究。利用渐近边界条件法，定量地计算了在定转子均无铁心的情况下电机内部及周围磁场的大小，总结出了Halbach阵列无铁心永磁电机磁场的空间分布规律。 第三部分针对不同拓扑结构的Halbach磁体阵列电机磁场问题进行对比研究。通过大量的计算，探讨了Halbach阵列永磁电机在转子无铁心情况下影响气隙磁密的各种因素，分析了不同Halbach磁体轴向长度对端部漏磁的影响规律，给出了无铁心永磁电机漏磁系数、电枢计算长度等主要设计参数随电机结构尺寸的变化规律。 第四部分针对具有试验数据的三种结构的无铁心永磁电机样机进行了计算和分析，计算结果与试验数据吻合，从而验证了渐近边界条件法处理三维开域磁场问题的有效性和实用性。
上传时间： 2013-06-22
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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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直驱永磁同步风力发电机去掉了风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。它不同于电励磁的凸极同步发电机，而是采用高磁能积的永磁材料作为磁极，就省去了励磁绕组产生的损耗，使得电机的结构变得简单，效率也随之提高。 直驱永磁同步风力发电机运行转速低，一般定子外径都比较大。为了电机的运输方便和良好的冷却效果，本文选择内转子永磁同步发电机作为设计类型。首先提出了电机设计的目标，即在满足电机设计要求的基础上提高运行的可靠性和降低成本。然后根据等效磁路法编制了电磁计算程序，据此进行了电机的初始设计。然后使用有限元的方法分析了电机在各种运行状态下的性能，最后设计了电机的通风系统并进行了通风计算。
上传时间： 2013-07-06
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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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永磁电动机相比其他类型的电动机其性能指标突出，将广泛应用于各个行业。但是随着电机工业朝着大容量、高功率密度、小体积的趋势发展，永磁电动机温升与其它各项指标在配合上发生了分歧。为了解决这些问题，就要对永磁电机进行合理的冷却设计及温度计算。永磁电机的温升计算除了要考察定子绕组处的受热，同时也要兼顾永磁体的温度情况‰本文对永磁电机的温度计算及冷却系统进行了如下分析设计： 首先，通过电磁学与传热学、流体力学等边缘学科，对永磁电机进行温度场分析。其中对自冷径向永磁电机温度场进行详细地分析与计算。利用等效热网络法，即离散网格，使参数集中化，列出方程组，解出各剖分点的温度值。采用与其相对应的经验公式及实验结果确定永磁电机的散热系数。 其次对径向永磁电机的损耗分布进行说明，不仅从数量上对槽内绕组损耗和端部绕组损耗做出了区分，而且从理论上对定子轭部和定子齿部的损耗进行分析，以确保在损耗分布上尽量使误差减少。其次利用ANSYS、ANSOFT软件，采用有限元方法对永磁电机稳态、瞬态时的温度分布情况进行分析。利用上述方法对TYJS机床电机4.4kW-3000进行分析，比较其理论值与实验值之问的误差，结果比较满意。 最后，本文对5kW-450双定子-单转子盘式电机的温度场进行分析。由于径向电机与盘式电机在结构上的区别，分别对盘式电机的损耗分布、散热系数的求取等不同之处与径向电机进行比较。对盘式电动机外部冷却系统的设计上，采用假定系数法，反推风扇结构，合理地设计了该样机的冷却系统。通过以上的分析，能够较准确计算电机的温度值，从中得出其局部过热点。这样给电机的改进和研制都带来了方便。
上传时间： 2013-06-14
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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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近年来，随着永磁材料的发展，永磁同步电机应用日益广泛。永磁同步电机根据反电动势和电流波形的不同，可分为梯形波永磁同步电机(无刷直流电机)和正弦波永磁同步电机(永磁同步电机)。正弦波永磁同步电机为实现其正弦波驱动控制需要连续的转子位置信号，通常采用机械位置传感器(旋转变压器、光电编码器等)，机械位置传感器虽可以提供高精度的转子位置信息，但其体积大，价格高，增加了转子的惯量，且性能易受环境因素的影响，限制了永磁同步电机的应用场合。近年来受到广泛的关注的无位置传感器技术，是通过检测反电动势(电压)或电流等过零点获取转子的位置信号，此技术虽取消了机械位置传感器，但存在控制复杂，位置检测精度不高，运行转速范围受到限制等问题。为解决上述问题，本文研究采用低成本的低分辨率位置传感器取代机械位置传感器，通过位置估算法得到高分辨率的转子位置信号，以实现永磁同步电机的正弦波驱动控制问题。 首先，本文分析了传统的采用位置区间的平均速度和采用平均速度并引用平均加速度实现位置估算法的原理，针对其不足提出了一种改进的方法，该法通过对位置区间初始速度的估算，可以显著提高速度、位置的估算精度。本文建立上述三种位置估算法的Matlab仿真模型，并对其进行了仿真研究，仿真结果表明：改进位置估算方法即使在加减速等动态性能过程中也能保持较小的位置误差，性能明显优于传统的方法。 其次，完成了以TI公司的数子信号处理器(DSP)TMS320LF2407A为主控芯片，以IR公司IR2110为驱动芯片采用低分辨率位置传感器的正弦波永磁同步电机控制系统的硬件电路的设计和调试工作。探讨了正弦波永磁同步电机在采用无电流传感器的电流开环控制时的控制策略问题。在此情况下电压相位角φ对电机运行性能有重要的影响，为得到最佳的φ=f(ω)曲线，需根据负载特性进行优化。 最后，完成了基于TMS320LF2407A采用低分辨率位置传感器的正弦波永磁同步电机的软件设计，文中详细讨论了位置估算程序和实现SVPWM程序的设计和调试，并对其进行了实验验证。
上传时间： 2013-07-23
上传用户：shwjl
风能是可再生能源，世界各国越来越重视风能的开发和利用。国内外学者也开始研究高效率永磁电机在风力发电上的应用。在山东省科技厅资助下，本文研究了一种新型结构的双转子永磁发电机，其高运行效率和特殊的电机结构，使其在小型风力发电系统中存在着巨大优势。本文主要研究的内容如下： 第一部分首先给出了双转子永磁电机的基本结构、等效磁路、工作原理，然后对双转子永磁电机电枢反应电感参数进行计算。 第二部分对双转子永磁电机的空载感应电势进行解析计算和有限元分析验证。首先通过引入相对比磁导函数，给出了双转子永磁电机考虑齿槽效应时定子表面的磁场分布，并给出了相应的波形。然后采用矢量合成法推导了空载感应电势的表达式，为了验证空载电势解析法的正确性，本文采用有限元法对其分析计算。通过比较得出：解析法和有限元法吻合很好。最后，针对双转子电机的特殊结构，提出了三种改善电势波形的方法，并利用解析法对其进行分析，证明了这几种措施的可行性。 第三部分针对halbach磁体电机在风力发电系统中的潜在优势，主要研究了halbach磁体结构双转子电机的电势和齿槽转矩。首先给出了halbach阵列的基本原理，采用有限元法分析了halbach磁体结构双转子电机的磁场分布及空载电势波形，并对其进行了谐波分析。最后利用能量的虚位移法推导了双转子电机的齿槽转矩，对于halbach磁体双转子电机，提出了三种减小转矩脉动的方法，并通过有限元分析进行了比较，证明了这几种措施的可行性。 第四部分对双转子电机的设计进行了分析，提出了先分别设计内外电机再统一调整的设计方法，最后设计制作了样机，给出了样机图片。并对样机进行试验，测量不同转速下电机的空载电势波形，电机的电势-转速曲线，电机的负载电压-电流特性曲线，并测量了电枢反应电感数值，通过对比可以得出：试验值、解析值和有限元值吻合很好。
上传时间： 2013-08-04
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风机的耗电量占全国总发电量的40﹪左右，是全国耗电最大的工业装备，而且运行效率比国外低10﹪～30﹪。因此在风机(及水泵)上实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务，对缓解我国电能的供需矛盾、推进我国现代化建设、缩小我国和发达国家的差距具有非常现实和深远的意义。 小型风机(1～10千瓦)特点是：单台的耗电量很小，但是数量巨大，因此降低这些小型风机的耗电量同样具有十分深远的经济意义。但在这一领域的节能研究一直未能得到充分重视。 本论文提出一种用于驱动小功率风机的永磁无刷直流电机，通过调速调节风量从而达到节能的目的。永磁无刷直流电机是近年随着电力电子技术和永磁材料的进步而迅速发展起来的一种新型电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，即克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，因此在各个领域中得到了广泛应用。 本论文从永磁材料、磁体结构、充磁方式、绕组分布、极弧系数等方面分析了风机外转子永磁无刷直流电机的设计要求，给出永磁无刷直流电机结构、原理及一般设计要求；根据风机电机的驱动要求，设计制造外转子风机用铁氧体永磁无刷直流电机样机；针对风机用电机驱动系统的调速及各种保护要求，基于降低成本的原则，设计制造永磁无刷直流电机的驱动系统。这一设计为基于专用集成芯片的小功率无刷直流电机的调速控制系统，并进行了试制、调试及试验。实验表明了系统具有简单和优越的控制性能，适于小功率无刷直流电机的控制。 样机实测数据表明外转子永磁无刷直流电机用于驱动小功率风机具有良好的性能、较低的成本，具有进行产业化生产的优势。
上传时间： 2013-04-24
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随着现代化工业生产的不断发展，更高的调速精度、更大的调速范围和更快的响应速度成为永磁同步电机调速系统的迫切要求，数字化控制系统正代表着这一发展方向。高性能数字信号处理器(控制器)的出现、电机控制理论以及电力电子器件的发展都为数字化控制的实现创造了条件。本文采用Microchip公司专用于电机控制的dsPIC30F3011型数字信号控制器(DSC)为核心，开发了用于电梯门机控制的数字化永磁同步电机矢量控制系统，并在硬件实验平台上获得了验证。 本文首先在永磁同步电机数学模型的分析基础上，深入的研究了永磁同步电机的矢量控制的原理和常用控制策略。接着，经过比较各种矢量控制策略的优缺点，确定了i<,d>=0的控制策略和空间矢量脉宽调制(SVPWM)的电压调制方法。文中对空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理及实现方法进行了详细的阐述，并在此基础上提出利用查表实现SVPWM控制的算法。然后，论文详细论述了控制电路各部分及外围辅助电路的设计和调试。软件开发均在Microchip的MPLAB IDE集成开发环境下完成，软件采用C语言编写，实现了带位置传感器的速度闭环和位置闭环矢量控制，并给出了系统主程序及定时中断服务程序的流程图。永磁同步电机矢量控制的主要控制策略如转子初始位置检测、速度采样计算及PI调节、SVPWM查表实现方法等都在定时中断服务程序中完成。最后在硬件平台上，对软件进行系统调试，试验表明本矢量控制系统能够有效满足电梯门机的控制需求，从而证明了系统设计的可行性。 在论文的最后，对全文的工作做了总结，并提出了系统需要进一步完善的地方。
上传时间： 2013-06-27
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