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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本文论述了基于ST7FMC的电动摩托车控制系统的研究。 近年来,由于燃油交通工具尾气排放对城市空气造成的严重污染，以及人们生活水平、环保意识的逐渐提高，绿色交通工具己成为时代发展的重要课题。考虑到我国目前的国情，发展电动车具有重要的环保意义。 随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动车的控制器发展迅速。但是目前市场上大多数的电动车产品均采用低集成度元件控制装置，功能过于简单，不能充分发挥系统潜力及处理一些特殊的控制问题。 提出了基于意法半导体芯片ST7FMC的永磁无刷直流电动机的控制系统设计方案，进行了低成本、高智能的无刷直流电机控制系统设计，能满足更多应用场合的需要。主要从以下几个方面进行了分析与研究: 首先，建立无刷直流电机的数学模型，并分析其电机运行特性。 其次，根据ST专用单片机的特点详细设计了系统的控制策略：将调速系统设计为电流、速度双闭环的PI算法控制，以保证调速性能和电流控制精度；采用ST芯片固有的寄存器进行速度的检测，比较精确；将相电流检测设计成母线电流PWM On中点检测；采用了高性能的驱动集成电路IR2136来驱动MOSFET组成的全桥逆变电路；驱动方式采用新型的凸形波驱动控制方法。 最后，组装了试验样车，通过实验室观测及实地运行，验证了系统运行的可靠性。 由此得出结论：本课题设计的基于ST7FMC的电动摩托车控制系统具有运行性能良好、可靠性高的特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。
上传时间： 2013-05-17
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励磁调节系统是同步发电机的重要组成部分，对同步发电机乃至电力系统的安全稳定运行有着重要影响。随着电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式日趋复杂，对同步发电机励磁控制系统运行的可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高的要求。本文根据励磁调节器的国内外发展趋势，研究开发了以TMS320F2812芯片为控制核心的同步发电机DSP励磁调节器。 本文首先介绍了数字励磁的发展历程、特点及应用范围，然后介绍了同步发电机励磁控制系统的国内外发展状况及趋势，提出了基于数字信号处理器 TMS320F2812 控制的绝缘栅双极晶体管(IGBT)微机励磁系统的结构和设计方案。 在详细解释功率器件 IGBT 和控制器件TMS320F2812芯片基础上，提出了励磁系统的主要硬件设计及软件实现方法；完成了IGBT励磁装置主回路和 IGBT 保护及驱动单元的设计；进行调节器硬件设计，给出了硬件原理图和软件流程图；利用TMS320F2812芯片强大的数据处理能力和丰富的片内外设和高速的实时处理能力，用单片系统结构实现了交流采样、变速积分 PID控制算法、PWM功率调节和系统保护等功能。TMS320F2812芯片的引入，大大简化了励磁控制器的硬件结构，提高了励磁系统的抗干扰能力和可靠性。 最后，为验证所设计的励磁调节器的有效性和控制效果，采用 MATLAB 中 SIMULINK 仿真平台，设计了励磁控制系统各环节的仿真模型。仿真结果表明，采用 TMS320F2812的同步发电机IGBT励磁系统具有响应快速、调节灵敏、控制性能优良等特点。
上传时间： 2013-07-29
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随着我国电力系统不断发展，高压开关柜以其结构简单、维护工作量小、适合于频繁操作等特点，受到广大用户欢迎，并成为高压开关向无油化发展的一大主流。近年来，随着电力系统不断向大容量、高电压、小型化发展，40.5kV高压开关柜在电力系统中也得到普遍的采用。绝缘问题是电力设备稳定、可靠运行的重要影响因素之一，并且绝缘也是高压电器设备中的薄弱环节，高压开关柜故障中很大一部分就是由于绝缘破坏而造成的。因此如何能够合理的配置母线、真空断路器及其它电器元件，得到较佳的绝缘配合和设计，达到具有高度可靠的绝缘性能，保证高压开关柜在配电系统中安全运行，且有较小的安装空间，是开关柜设计中一个值得研究的重要问题。 在计算机模拟电场分布的求解中，有限元方法以其剖分简便易行、可适用于多种介质和较高的计算效率，已成为电磁场问题求解的主要方法之一。ANSYS是有限元计算方法的代表软件，通过对模型特征参数化，使用用户参数化设计语言(APDL)，可以进一步提高分析效率，使得整个分析过程自动、通用。 本文从实际产品设计入手，根据开关柜的结构特点，建立了三维电场数值计算模型，在满足技术条件要求的基础上，通过采用电场的数值仿真分析及相应实验研究，描述了40．5kv高压开关柜配电系统接地开关相间及接地柜中全场域电场分布情况，确定了接地开关在不同情况下的电场分布、变化情况，通过理论的计算和分析，对产品的绝缘进行了校核与验证，进而得到合理的布置结构和达到最佳的绝缘配合，为实际产品的开发和设计提供了理论依据。
上传时间： 2013-07-27
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随国民经济的飞速发展，用电量的日益增加，电网的经济运行已是一个不可忽视的问题。因此，如何降低网损，提高电力系统的输电效率，保证电力系统的经济运行是电力系统面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。 电力系统在运行过程中，由于感性负载的存在，使电网无功功率大量增加。另外，近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，他们在减少能量耗损的同时，也带来了功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问题。其最终结果都是使配电设备的使用效能得不到充分发挥，设备的附加功耗增加。因此，进行有效的无功功率补偿，提高功率因数是电网及电力系统安全经济运行的重要保证。毫无疑问，无功功率补偿的研究势在必行。 我国与世界上发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为迫切。 对于实际应用的MCR，要求能够自动控制。本文采用以单片机为核心的控制器方案，包括检测电路、控制电路、触发电路、键盘显示电路和通信电路等。检测电路用于检测变压器二次侧的电压和电流并获耿同步信号；控制电路根据相应的控制策略，对检测信号和给定输入量进行计算，给出控制信号；触发电路根据控制信号输出的控制信号产生相应触发角的晶闸管触发脉冲；键盘可用来输入各种控制指令，显示电路可以直观的输出系统的各种状态；通信电路提供与控制站的数据交换，以便实现电力系统的集中控制。 文中对补偿器模型进行了实验验证，实验结果与文中分析一致，说明了本文补偿理论的正确性和可行性。
上传时间： 2013-06-22
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直接转矩控制技术，是继矢量控制技术之后出现的又一种新的控制思想，其控制手段直接，系统响应迅速，具有优良的静、动态特性，系统鲁棒性好，因而受到了普遍关注并得到了迅速发展。 本论文从交流调速技术的发展开始，分析了异步电机直接转矩控制的基本原理，推导了u-l、i-n两种磁链模型，并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析，然后推导了在全速范围都适用的u-n模型。u-n模型的特点是：低速下工作于i-n模型，高速下工作于u-i模型，高低速之间自然过渡，加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿，大大提高了模型的观测精度。 然后以交流电力机车为例，介绍了直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用，并根据电力机车的牵引特性，设计了不同的控制策略： (1)低速区：采用圆形磁链的直接转矩控制； (2)高速区：采用六边形磁链的直接转矩控制； (3)弱磁区：通过改变磁链给定值来调节转矩，实现恒功率调节。 同时应用MATLAB/SIMULINK软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果，验证了该方法的正确性。 最后介绍了无速度传感器的直接转矩控制方法，推导了基于模型参考自适应(MRAS)理论的转子转速的辨识方法，建立了转子转速的辨识模型，并得到了仿真结果。
上传时间： 2013-04-24
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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
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无刷直流电机(BLDCM)是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机。它是在有刷直流电机的基础上发展起来的。无刷直流电机具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，在很多场合有广泛的应用前景，成为了国内外研究的热点。无刷直流电机传统的理论部分分析和设计方法已经比较成熟，因此对无刷直流电机控制策略的研究就显得十分重要。 PID控制以其结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点至今仍被广泛应用。在系统模型参数变化不大的情况下，PID控制性能优良。但在工业上有许多无法建立精确数学模型的复杂控制对象和非线性控制对象，若采用传统的PID进行控制的话，那么很难获得比较理想的控制效果。 对于无刷直流电机而言，它是一个多变量、强耦合的非线性系统，固定参数的PID调节器无法得到很理想的控制性能指标。基于以上原因，本文以无刷直流电机为控制对象，通过分析无刷直流电机的数学模型，以BP神经网络为基础，设计了应用于无刷直流电机的神经网络PID控制器。 在MATLAB平台上，先利用神经网络PID控制器，给出相应的控制算法，对典型的参数时变非线性系统的控制进行了仿真研究。仿真结果表明，同传统PID控制器相比，神经网络PID控制器对模型、环境具有较好的适应能力与较强的鲁棒性，有效的改善了系统的控制结果，达到了预期的目的。随后利用SIMULNK建立了无刷直流电机控制系统的仿真模型。分别采用普通PID控制器和神经网络PID控制器对电机的不同运行状况进行了仿真分析。仿真结果验证了所建模型的正确性，并证明了神经网络控制的优越性。
上传时间： 2013-08-04
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自上世纪初以来，电力发电、输配电系统都是三相系统。因此，大多数电机调速系统都是由三相电机与三相变频器构成的。但是目前三相电机的地位已经受到一定的挑战，一是在低压大功率的传动场合，二是在对系统可靠性要求很高的场合。而多相电机调速系统除了可以用低压功率器件实现大功率等级外，具有多相冗余结构使调速系统的可靠性得以改善。因此，多相电机调速系统的研究受到日益广泛的关注。 和常规的三相感应电机相比多相感应电机有着许多优点，例如多相感应电机在一相或多相定子绕组开路和短路时仍然可以起动或继续运行，转矩脉动小，转子损耗小，运行性能好，可以在不提高相电压的情况下增加电机的容量，比较适合应用于舰艇推进系统等方面。 本文在传统的三相电机调速系统的基础上，致力于研究多相电机调速系统，以多相感应电机为主要研究对象，进行了深入的研究，主要包括以下几个方面： 1、对多相电机调速系统作了较为全面的综述，介绍了多相电机调速系统的特点和国内外研究现状。 2、研究了多相感应电机的基本结构。从电机的绕组连接方式入手，对多相感应电机进行了谐波分析，从理论上证明了多相电机相对于三相电机在减小谐波含量方面的优越性，同时探讨了多相感应电机的数学模型。 3、在三相感应电机电磁设计程序的基础上整理推导了多相感应电机的电磁设计程序，并用Visual C＋＋编程语言开发了多相感应电机的电磁设计软件。 4、对多相感应电机的电磁场进行了详细的分析，运用电磁场有限元分析软件Maxwell 2D对本论文中的样机的瞬态磁场进行分析，分析结果同用VC所编写的电磁设计程序的计算结果进行比较，验证了所设计样机数据的合理性。
上传时间： 2013-07-30
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