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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直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，是指在变压器的励磁电流中出现了直流分量。在直流输电系统中，由于换流站的工作特性，有直流电流分量流过换流变压器的绕组，产生直流偏磁现象，这一现象将对换流变压器的正常运行产生不利的影响，如励磁电流发生畸变、变压器铁心损耗增加及铁心高度饱和引起的漏磁通增加。因此，从电磁场的角度分析这一现象是必要的。 由于铁磁材料的非线性，不能应用叠加原理分析直流偏磁时的励磁情况。为此，本文应用了二维瞬态场路直接耦合有限元法，借助大型有限元分析软件Ansoft，定量分析了在不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器空载运行状态下的励磁电流波形情况，结果表明，直流偏磁使铁心中的磁通密度发生偏移，对应的励磁电流波形呈现正负半波极不对称的形状，并且直流偏磁量越大励磁电流的畸变越严重。 在求出直流偏磁量与励磁电流峰值关系的基础上，应用一种基于铁心空载损耗数据的方法，定量分析了在不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器铁心损耗情况，结果表明，随着直流偏磁电流的增加，铁心损耗也会随之增加，这会导致铁心温升上升，严重时会导致铁心局部过热，影响变压器的正常运行。 在漏磁场分析中，讨论了变压器漏磁场的类型和作用，经过合理简化，建立了换流变压器二维漏磁场计算模型，应用二维瞬态场路直接耦合有限元法，分析了不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器漏磁场分布情况，结果表明，随着直流偏磁量的增加，不同位置处漏磁场分量的变化规律基本不变，但漏磁在增加，且不同位置漏磁分量增加的速率不同。
上传时间： 2013-06-25
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准确计算电机铁耗一直是困扰电机设计者的一个难题。传统方法是假设电机内部磁场仅是交变磁化的，根据铁磁材料在交变磁化条件下测量的数据，计算电机齿部和轭部由基波磁场造成的损耗，对于计算值与实测值之间的误差通过经验系数来修正。这种方法对于已经长期制造和使用的电机而言勉强适用，对于近年来发展很快的永磁电机、高速电机和其他新结构电机，由于缺乏合适的经验系数，导致此方法难以适用。众多研究人员的成果已经证明电机的铁耗有相当一部分是由旋转磁化导致的，因此顾及旋转磁化的电机铁耗计算模型是本文的一个重要内容。 本文从铁磁材料的铁耗入手，先研究铁磁材料在交变磁化和旋转磁化方式下的计算和测量方法，目的是得到铁耗分立模型中磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗的计算系数。本文提出并实现了数字式的25cm爱泼斯坦方圈测试系统，它可以测量在任何频率和波形电源供电下硅钢片的损耗，本文还在二维铁耗测试系统中对硅钢片在圆形旋转磁化条件下的损耗进行了测量。结果表明，在同样频率和磁密的条件下，旋转磁化下的损耗要比交变磁化下的损耗大。本文提出了基于磁密轨迹的电机铁耗计算模型，它只采用较容易获得的交变磁化损耗系数，但又能顾及到旋转磁化带来的影响。通过实际电机的计算和测试，表明轨迹法的计算结果在未经任何系数修正的情况下就具有很好的精度，适合推广使用。 软磁复合材料是一种新型的粉末金属材料，它具有涡流损耗小和易制造成具有复杂结构电机等特点。为了探索这种材料在高频领域中的应用和验证本文提出的铁耗计算模型，本文成功地设计和制造了一台采用软磁复合材料的爪极式永磁电机，由于结构复杂，本文通过三维有限元分析，对该电机的磁通、磁链、电感、转矩和铁耗等参数和性能的计算提出了计算方法。对该种电机的热分析，本文提出了热网络法和磁热耦合有限元法。由于铁耗在高速电机总损耗中占有很大比例，因此在有限元方法中，本文通过映射剖分法，使磁场和热场模型中的单元总数、大小和顺序保持完全一致，轨迹法计算得到的各单元铁耗直接耦合进热场进行计算，得到了电机准确的温度分布。本文还进行了高速电机转子的模态分析，合理地调整转子的直径、长度和轴承位置，使转子的自然共振频率远离电机的工作频率范围。本文构建了一测试平台对样机进行了发电机状态测试，并通过假转子法测量了电机铁耗，实验结果证明了本文所用方法的可行性，得到的结论对软磁复合材料的应用及爪极式电机的设计与分析都具有很好的参考价值。
上传时间： 2013-06-27
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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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混合动力电动汽车(HEV)作为降低城市汽车尾气污染、减少油耗和调整能源结构的行业新技术，前景十分广阔，日益受到人们的关注，其开发也成为新的热点。驱动电机及其控制系统是HEV的核心部分，其性能的优劣很大程度上决定了车辆的动态性能，因此对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文主要研究混合动力车用交流驱动电机控制系统，以高性能的数字信号处理器(DSP)为核心，采用转子磁链定向矢量控制(FOC)算法，设计了一种基于DSP的交流驱动电机控制器。主要研究内容如下： 首先，在分析国内外研究状况和比较几种常用驱动电机的基础上，结合HEV对驱动电机的特性要求，选择交流异步电机作为HEV的驱动电机和基于转子磁链定向的矢量控制技术作为系统开发方案。 其次，以交流异步电机的动态数学模型为基础建立了转子磁链位置的电流计算模型，实现交流电机转矩和励磁电流分量的有效解耦。结合矢量控制理论及电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术给出了混合动力车用驱动电机矢量控制系统结构框图。 最后，以一台5kw异步电机作为控制对象，搭建了系统主电路。系统控制电路以TMS32OLF2407A DSP为核心，由电流、电压及速度等检测模块和CAN总线通信模块组成。系统以CCS2集成开发环境为平台，采用汇编语言编程，设计了基于DSP的矢量控制具体的软件实现方法，实现了全数字化的HEV驱动电机矢量控制系统。论文给出了驱动电机运行的调试结果并进行了分析。 实验表明该控制系统响应速度快，电压利用率高，动态性能好，能够满足HEV对驱动电机动态和静态性能的要求，对开发出低成本、高性能的电机驱动控制系统具有实用价值。
上传时间： 2013-07-06
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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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我国电网无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。冲击性负荷更会使得电网无功功率不平衡，将导致系统电压的巨大波动、善变，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定性被破坏事故。 FC+TCR型静止无功补偿装置响应速度快，可以动态补偿无功功率，提高系统功率因数，抑制系统电压波动和闪变，因此在电气化铁路、电弧炉、轧机等的负荷无功补偿上得到广泛应用。中小用户由于成本高较少使用，但中小用户无功补偿容量及市场巨大，研制适合中小用户的FC+TCR型静止无功补偿装置很有必要。基于此目的，本文研制一台10kV FC+TCR型静止无功补偿装置，并以此为研究对象进行设计理论研究工作。 本文根据负荷无功功率的变化情况，计算了静止无功补偿装置的主电路参数，设计配备了高电位取能触发板和BOD过电压保护板。选择以TMS320F2812为核心的嵌入式控制板为主要部件，设计信号接入电路和晶闸管触发脉冲形成电路，构成最基本的静止无功补偿控制器。 基于瞬时无功补偿理论和不平衡负荷的平衡化原理（Steinmetz原理），建立补偿电纳计算模型，通过电压电流瞬时值采样计算需要补偿的瞬时无功功率和电纳，根据补偿电纳通过查表方法求得晶闸管的控制角，并将其应用到静止无功补偿装置样机中。仿真结果表明，算法是快速有效和准确的，主电路的参数是合理的，具有实际工程应用价值。
上传时间： 2013-08-02
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本论文围绕大容量汽轮发电机的进相运行展开了研究工作。全文共分七章。第一章首先阐述了发电机进相运行的重要性和迫切性，对国内外相关方面的研究概况作了较为系统全面的综述，并对本论文的研究内容作了简单介绍。第二章给出了低频三维涡流电磁场的复边值问题，并介绍了复矢量场的一些理论基础。然后分别利用伴随算子和伴随场函数(广义相互作用原理)、最小作用原理和拉格朗日乘子法(广义变分原理)，建立了低频三维涡流电磁场中非自伴算子问题的变分描述。上述三种方法所得的结果与Galerkin法的结果完全一致。第三章介绍了圆柱坐标系下基于拱形体单元的三维稳态温度场有限元计算模型，并将变分法的结果与Galerkin法的结果进行了对比。第四章建立了汽轮发电机端部三维行波涡流电磁场的数学模型，在涡流控制方程中引入了罚函数项以使库伦规范自动满足，并应用广义相互作用原理导出了对应的泛函变分及其有限元计算格式。然后对多台大容量汽轮发电机端部的涡流电磁场进行了实例计算，并分析了罚函数项对数值解稳定性的影响以及影响端部电磁场的各种因素。第五章建立了大型汽轮发电机端部三维温度场的有限元计算模型，并应用传热学理论研究了散热系数、等效热传导系数等问题。然后求解了QFSS-300-2型汽轮发电机端部大压圈上的三维温度场分布，并与两台机组多种工况下的实测数据进行了对比。第六章介绍了二维稳态温度场的边值问题及其等价变分，导出了其有限元计算格式。然后求解了QFQS-200-2型汽轮发电机端部压圈上的温度分布，并与实测数据进行了对比。第七章首先定性研究了汽轮发电机从迟相运行到进相运行过程中不同区域上磁场强度的变化规律。然后介绍了发电机变参数数学模型，结合实测数据以及最小二乘回归分析计算了发电机稳态运行时的相关电气参数，并分析了发电机各物理量之间的相互关系。随后分析了不同工况下发电机端部结构件上的涡流损耗及温升的变化趋势。最后，利用发电机变参数模型给出了发电机的饱和功角特性、静稳极限以及运行极限图。
上传时间： 2013-07-10
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现场可编程门阵列(FPGA)能够减少电子系统的开发风险和开发成本，缩短上市时间，降低维护升级成本，故广泛地应用在电子系统中。最新的FPGA都采用了层次化的布线资源结构，与以前的结构发生了很大的变化。由于FPGA布线资源的固定性和有限性，因此需要开发适用于这种层次化的FPGA结构并提高布线资源有效利用率的布线算法。同时由于晶体管尺寸的不断减小，有必要在FPGA布线算法中考虑功耗和时序问题。 本论文所作的研究工作主要包括：提出一种基于Tile的FPGA结构描述方法，对FPGA功耗模型和时序模型进行了研究，实现了考虑FPGA功耗、布线资源利用率的布线算法。 在FPGA结构描述方面，本文在分析现代商用FPGA层次化结构及学术上对FPGA描述方法的基础上，提出一种基于Tile的FPGA结构描述。由于基本Tile的重复性，采用该方法可以简化FPGA结构的描述，同时由于该方法是以硬件结构为根据，为FPGA软硬件提供了简单而灵活的接口，该方法在原型系统中测试证明是正确的。 在FPGA功耗模型方面，本文研究了ASIC中关于电路功耗计算的基本方法，并将其应用到FPGA功耗分析中。在模型中的采用了混合的功耗模型，包括动态功耗模型和静态功耗模型。动态功耗的计算采用基于节点状态转换率的开关级动态功耗计算和逻辑块宏模型，静态功耗则采用基于公式计算的晶体管漏电功耗模型和逻辑块基于仿真的LUT/MUX表达式计算模型。这些功耗模型将运用到我们后面的功耗计算和基于功耗驱动的布线算法中。 在FPGA布线算法研究和实现方面，本文在介绍基本的搜索算法之后，介绍了将FPGA硬件结构转变为FPGA布线程序可识别的布线资源图的方法，并将基本的搜索算法运用的FPGA布线资源图上，实现FPGA的基于布通率的布线算法。在此基础上，借鉴了FPGA时序分析方法，将时序分析作为布线算法的一子模块，对基于时序的布线算法进行了研究；同时采用了FPGA功耗模型，在布线算法实现中考虑了动态功耗的问题。最后在布线算法中实现两种启发式策略以提高可布线资源有效利用率。
上传时间： 2013-04-24
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整流滤波电路是直流稳压电源设备中常用电路，其中滤波电容的设计选取，直接影响到纹波电压的大小，关系到输出直流电压的质量。本文通过在设定条件下，依据整流滤波电路原理，阐述了纹波电压产生的过程，给出了一种滤波电容设计与选取计算方法，建立了电容选取的计算模型，描绘出了纹波电压、负载电阻与滤波电容之间关系曲线，并通过实验验证其科学性，有利于滤波电容的设计与选用。
上传时间： 2013-11-11
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