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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永磁同步电动机交流伺服系统作为交流伺服系统的主流，在工业生产自动化领域中应用广泛、前景广阔。永磁同步伺服电动机作为伺服系统的执行机构，其性能的优劣在很大程度上决定了整个伺服系统的性能。因此，精心设计性能优异的永磁同步伺服电动机具有重要的理论意义和应用价值。本课题系统研究了永磁同步伺服电动机的本体设计，包括设计方法、性能计算、有限元分析、参数计算、控制仿真、实验测试等。 首先，综述和分析了永磁同步伺服电动机的研究现状、存在问题和发展前景，研究了永磁同步伺服电动机的设计特点和方法。开发了永磁同步伺服电动机的电磁计算程序，结合有限元计算数值的校正，完成对样机的性能计算，计算结果较为准确。 接着，深入分析永磁同步伺服电动机的气隙磁场，得到充磁方式、极弧系数、不均匀气隙、永磁体厚度等因素对气隙磁场的影响，绘制了各因素对气隙磁场基波和谐波总量影响的曲线，通过优化设计，得到了明显改善的正弦气隙磁场。并拓展研究总结了不同永磁体形状和尺寸对永磁直流电动机在换向和性能上的影响，取得有实用价值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet电磁分析软件建立了永磁同步伺服电动机的有限元分析模型，深入研究了电机的反电势波形、稳态运行性能和齿槽转矩，计算了直、交轴同步电抗等重要参数。建立了永磁同步伺服电动机Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并进行了仿真研究。 最后，对永磁同步伺服电动机进行了实验测试和分析，包括反电势波形与磁场波形测试、性能曲线测试、直交轴同步电抗的测量。对测试结果与设计结果进行了比较分析，验证了设计方法的正确性。
上传时间： 2013-08-04
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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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本文主要的研究为对转永磁无刷直流电动机控制问题，对转永磁无刷直流电动机在舰船、水下航行器等对转推进系统中有着广泛的应用前景。它具有无刷直流电动机的一切优点：功率密度大、调速性能好、运行效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等等。其与普通的永磁无刷直流电动机的差别仅仅在于原来静止的电枢部分和旋转的永磁体部分都可以相对于静止部分旋转，即有两个转子，根据作用力与反作用力的原理，两个转子受到的电磁转矩在任意时刻都是大小相等、方向相反的。因此两个转子必将沿着相反的方向旋转。 论文主要工作和创新点如下： 1)介绍了对转永磁无刷直流电机与普通永磁无刷直流电机的区别、优点及应用，详细分析了其工作原理，并建立对转永磁无刷直流电机本体的数学模型，接着利用MATLAB/Simulink建立对转永磁无刷直流电机的仿真模型。 2)研究了无位置传感器对转永磁无刷直流电机的控制方法。采用基于DSP的三次谐波过零点检测方法来检测电机转子的位置与转速，采用数字锁相环对三次谐波过零点进行90°延迟： 3)控制系统采用双闭环控制，即速度环与电流环来组成调速控制系统，其中速度环采用了基于改进的BP神经网络PID自适应控制，电流环采用滞环控制，并对整个系统进行仿真。 4)在仿真研究的基础上，本文进行了以TMS320I~F2407A的DSP芯片为控制核心的无位置传感器对转永磁无刷直流电机数字控制系统的软硬件设计。
上传时间： 2013-04-24
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磁通反向电机(FRM)是一种新型的双凸极永磁(DSPM)电机,它把高磁能的永磁体放在定子极的表面,永磁体易于安装.随着转子旋转,FRM定子绕组所交链的永磁磁通改变极性,这意味着比磁通脉振产生更大的磁通变化.由于FRM的绕组利用率高、结构简单、转动惯量小及适于高速运转等优点,可广泛应用于汽车制造业、航空航天等工业领域.本文将从模型建立、分析方法、性能分析等方面对该电机进行深入研究.首先,为了解FRM基本理论和掌握其基本规律,写出FRM的基本方程式;由于电机的双凸极结构以及饱和和非线性的影响,整个系统为一强非线性系统.对该电机作适当简化,建立其线性数学模型,这样有利于对FRM的定性分析,弄清其内部的基本电磁关系和基本特性.讨论了绕组电感、绕组磁链、感应电动势及绕组电流、电磁转矩等静态特性,推导出FRM的功率密度计算公式.其次,为准确计算FRM性能,要考虑磁路饱和、铁磁材料的非线性以及永磁磁场与电枢反应磁场之间的相互影响等因素,要建立FRM的非线性模型,提出用变网络等效磁路法进行分析.具体方法是建立FRM的非线性变网络等效磁路模型,推导等效磁路中各部分磁导的计算公式,用节点磁位法建立相应的方程,通过求解该非线性等效磁路方程,得到磁路各部分的磁通分布,进一步求得静态特性,计算出电磁参数.然后用FRM样机的实验结果验证理论分析的正确性.样机的理论分析结果同实验结果进行比较表明,本文所介绍的FRM变网络等效磁路模型具有较好的精度及通用性,基于等效磁网络模型的FRM电磁计算是可行的,计算结果是正确的.最后对磁通反向汽车发电机的功率密度进行分析.导出了磁通反向汽车发电机功率密度的计算公式,分析了影响电机功率密度的因素,并与电励磁汽车发电机进行了比较.
上传时间： 2013-07-30
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盘式永磁同步电动机属于轴向磁场电机，目前，该类电机在国外已经得到了迅速发展，作为一种现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机己广泛应用于机器人等机电一体化产品中。由于该类电机具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子无损耗、转子的转动惯量小、机电时间常数小、转矩/重量比大、低速运行平稳、可以制成多气隙组合式结构进一步提高转矩等特点，其在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合具有广阔的应用前景，是一种理想的驱动装置。 本课题作为国家863计划项目《新型稀土永磁电机设计及集成技术》2002AA324020中的一部分，该项目的主要工作是进行新型结构钕铁硼永磁电机——盘式无铁心永磁同步电动机的设计与集成技术研究，开发出一种新型钕铁硼永磁电机，解决相应的整机设计和集成技术问题。本文中提出的基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机是在盘式永磁同步电动机的基础上，将无铁心结构和Halbach型永磁体阵列应用到其中，从而使得电机的质量大为减轻，功率密度提高，振动噪声降低，效率提高。 基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机其磁路结构和电磁负荷分布与传统电机完全不同，常规电机的某些设计规则不能直接应用到该结构电机的设计当中，本文主要针对这种结构的电机进行了分析与计算。分析了不同结构Halbach阵列下的气隙磁场，以及相关参数的计算，给出了初步的样机设计数据，并对样机的加工工艺进行了探讨，在总结、借鉴相关电机设计方法的基础上，针对盘式无铁心永磁同步电动机自身的特点，编制了一套电磁计算程序，该程序还有待通过大量样机的试验，来总结和完善。 我国稀土资源丰富，然而，由于技术经济上的问题，国产永磁交流伺服电动机至今未能大量应用。与此同时，高性能的永磁交流伺服电动机及系统大量依靠进口，我国每年进口的工程装备当中，仅数控机床因国产电机和系统不能满足要求而每年需要进口的就达22亿美元以上。本项目的完成将改变这类产品主要依靠进口的局面，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，其经济效益和社会效益是十分巨大的。
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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音圈电机(VoiceCoilMotor，简称VCM)是特种直线电机，其工作原理与扬声器的音圈类似。其最突出的特点是体积小、重量轻，动作速度快，可以达到很高的定位精度，推力均匀。自从问世以来，广泛的应用在计算机存储设备、航天仪器(例如航天制冷机)、精密测距仪器(例如霍尔位移测量装置)、精密车床以及移动电话中。目前，生产出的VCM电机广泛应用于消费类和生产类市场，特别是高档家用电器和计算机中。 针对目前我国VCM结构设计的不足及工艺的落后，本文结合现有的加工工艺，研究永磁VCM的设计及结构优化，具体内容如下： 首先，介绍VCM工作原理，以及内磁式与外磁式、长音圈与短音圈、动圈式与动铁式、直线式与摇臂式等不同结构VCM及相应特点，阐述了力矩常数的意义及其对电机性能的影响，并详细介绍了VCM在光盘驱动器、硬盘驱动器，以及在电刷试验台(提供静压力)中的典型应用。 其次，从电机电磁场的基本理论出发，介绍有限元及其在电磁场仿真计算中的应用，并采用有限元软件ANSYS，结合实际算例，对VCM进行建模和仿真。 再次，文中详细介绍了永磁VCM的设计过程，提出了设计方法以供参考，其中包含了定量计算，包括了永磁体材料的选择、体积的计算，音圈的设计(匝数计算及选型)，以及电机整体的机械结构设计。 最后，结合设计VCM应当遵循的原则，提出了若干结构优化设计方案。在理论推导和分析的基础上，结合仿真软件ANSYS，对几种结构分别进行了电机电磁场以及电机性能的仿真分析，其中包括：采用钕铁硼永磁的单励磁结构VCM与传统铁氧体VCM的性能差异；增加极靴对VCM性能影响；增加短路环及变换结构对VCM动态响应速度的影响等。
上传时间： 2013-06-10
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盘式永磁同步电动机是一种性能优越、但结构特殊的电动机。作为一种理想的驱动装置，其应用范围遍及航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。本文利用稀土永磁材料钕铁硼的高矫顽力，提出了一种省却了铁心的双转子、单定子结构盘式无铁心永磁同步电机，进一步减轻了电机的质量并消除转矩脉动。 对电机的设计、性能预测都离不开电机电磁场的计算。不同于传统的圆柱式径向磁通电机，盘式无铁心电机是轴向磁通电机，外加其无铁心的结构，决定了该电机的磁场呈三维、开域分布。对它的电磁场分析，不能采用对待径向磁通电机的化为二维磁场的分析方法。 本文研究的重点内容分为两部分：(1)在盘式无铁心永磁同步电机的结构上，建立其磁场三维模型，由三维有限元法计算三维电磁场，分析计算结果，并总结出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布规律。 (2)在磁场计算的基础上，将Halbach型永磁体阵列的理论应用到磁钢设计中来，提出磁钢结构优化方案，研究出适合于盘式无铁心永磁同步电机的磁钢结构，以获得理想的磁场波形和磁密值。 本文首先从磁路计算的方法入手，通过磁路计算分析出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布特点。其后直接运用三维有限元法求解该电机的电磁场，分析计算结果。为了获得低漏磁、高气隙磁密值、正弦形的气隙磁场分布，本文先后提出普通轴向充磁磁钢结构、不等厚轴向充磁磁钢结构并将Halbach阵列的理论应用到盘式无铁心永磁同步电机的磁刚结构优化中，讨论了三种不同角度的Halbach型永磁体阵列。最后为了简化磁钢的加工工艺，将不等厚永磁体阵列与Halbach永磁体阵列相结合，提出了最经济、有效的改进型Halbach永磁体阵列，给出具体磁钢尺寸，并运用ANSYS软件对各种磁钢结构产生的磁场进行结果仿真。
上传时间： 2013-06-23
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在永磁直流电机中，即使电枢绕组不通电，由于永磁体产生的磁场同电枢铁芯的齿槽相互作用而产生转矩，即齿槽定位力矩(CoggingTorque)。定位力矩使电机输出转矩波动，产生振动及噪声。文中阐述了产生定位力矩的原理，综述了包括德昌电机公司的技术在内的抑制定位力矩的方法和研究现状。抑制定位力矩的方法，主要就是减小电枢旋转过程中气隙中磁场能量的变化。 文中以少槽永磁直流电机为例，通过有限元分析，以及DOE实验验证，对转子冲片增加辅助凹槽、充磁方式和转子冲片不同类型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少槽永磁直流电机定位力矩的作用，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。文中找出了一个较成熟的抑制少槽永磁直流电机定位力矩的系统方法，给出了生产中实用的抑制方法，同时通过实验给出了这些方法对电机性能的影响。 DOE方法能从不同因素中找出对定位力矩起主要作用的变异因素，并且寻找到各变异因素之间的影响作用，给出抑制定位力矩各变量的最佳组合，相比现时生产中的方法，该组合可将定位力矩降低70％。
上传时间： 2013-07-10
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