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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本文利用Maxwell 3D软件对交流接触器的电磁机构的静态、动态特性进行分析与仿真。Maxwell 3D是美国的Ansoft公司开发的专门用于三维电磁场仿真的软件。本文主要以CJ20-25交流接触器的电磁机构为例，对不同激励下交流接触器电磁机构的静态特性进行分析；编写电磁机构动态仿真程序，对其进行动态仿真，并进一步分析其动态特性；同时对电磁机构的设计参数对交流接触器特性的影响进行了分析。主要为以下几个方面: 首先，利用Maxwell 3D软件建立交流接触器电磁机构的三维有限元模型，对模型进行有限元分析，计算不同电流和气隙下的静态吸力，仿真电磁机构的静态特性。绘制出交流接触器的静态电磁场分布及吸力特性。 其次，用Visual C++编程语言编制程序，仿真交流接触器电磁机构运动过程。 再次，对交流接触器电磁机构进行瞬态分析。得出CJ20-25型交流接触器动态电流、吸力特性，并对动铁心末速度、静铁心迎击距离、动态吸力与反力特性的匹配、总动能和碰撞损失能量与合闸相角的关系特性进行了具体分析。同时，将迎击式与非迎击的两种类型的交流接触器的动态特性作了比较。 最后，利用Maxwell 3D软件分析接触器各个设计参数对交流接触器电磁机构静态吸力、动态特性的影响。 经过以上各方面的分析可知：采用Maxwell 3D软件的强大的电磁场有限元分析功能进行电磁机构的静态及动态特性的分析与仿真，模拟真实的工作环境，可以在样机制作前，精确掌握电器产品的性能，减少样机制作，降低试验费用，加快产品开发周期，提高产品性能指标，具有实际意义。
上传时间： 2013-07-15
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近年来，人们对环境保护越来越重视，SF<,6>气体的使用和排放受到限制，从而使电器领域内SF<,6>断路器的发展也受到限制。而真空断路器充分利用了真空优异的绝缘与熄弧特性，且对环境不造成污染，所以目前在中压领域已经占据了主导地位，而且不断向高电压、大容量方向发展。因此，未来高压真空断路器必然取代高压SF<,6>断路器。真空灭弧室是真空断路器的“心脏”，所以，开发高压真空断路器最关键的是灭弧室的设计。本文对110kV的真空灭弧室的内部电磁场进行了仿真分析，为我国开发110kV真空断路器提供一定的参考。 本文采用有限元软件对110kV真空断路器灭弧室内部静电场进行了仿真分析，得到了灭弧室内部各种屏蔽罩的大小、尺寸和位置对电场分布的影响；触头距离对灭弧室内部电场分布的影响；伞裙对灭弧室内部电场分布的影响。再根据等离子体和金属蒸气具有一定导电率的特点，从麦克斯韦基本方程出发，推导了灭弧室内部电场所满足的计算方程，然后用有限元法对二维电场进行了求解。考虑到弧后粒子消散过程中，电极和悬浮导体表面会有带电微粒的存在，又计算分析了带电微粒对真空灭弧室电场分布的影响，进而提出了使灭弧室内部电场更加均匀的措施。 根据大电流真空电弧的物理模型，基于磁场对电流的作用力理论，计算分析了真空电弧自生磁场的收缩效应以及对分断电弧的影响，得到了弧柱中自生磁场产生的电磁压强分布，最后分析了外加纵向磁场分量对减小自生磁场收缩效应的作用。 建立了110kV、1/2线圈以及1/3线圈纵向磁场触头三维电极模型，并利用有限元法进行了三维静磁场和涡流场仿真。得到了电流在峰值和过零时纵向磁场分别在触头片表面和触头间隙中心平面上的二维和三维分布，给出了这两种触头在电流过零时纵向磁场滞后时间沿径向路径和轴向路径的分布规律，最后还对这两种触头的性能进行了比较。
上传时间： 2013-07-09
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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
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带整流负载的同步发电机在一些需要高品质直流电源的场所，如舰船电力推进、邮电通讯、飞机等电源系统得到了广泛应用，并且受到了许多学者的关注，其研究领域主要涉及数字仿真、数学模型、稳态分析以及运行稳定性等方面。 本文对MATLAB/Simulink中的电机模型进行了深入的研究。针对MATTAB中电机仿真模型的不足和本文研究的需要，提出了同步发电机定、转子分解的状态方程，利用MATLAB工具箱建立了新的同步电机仿真模型并进行了封装，为进行带整流桥负载同步电机系统的分析与研究打下了很好的基础。 对带整流桥负载同步发电机整流系统稳态运行特性进行了分析，采用定、转子分解模型建立了整流系统仿真模型。证明了在假定转子磁链守恒，即忽略转子电阻影响的条件下，定、转子分解模型很容易转变为带三相对称非线性负载的同步电机稳态分析模型。介绍了根据这一模型推导出的解析计算公式，给出了计算方法和步骤，并编写了计算程序，便于工程上直接使用。与仿真结果的对比验证了该解析计算的正确性。同时，仿真证实了忽略转子电阻影响会给计算结果带来一定的误差，但是，在转子电阻正常值范围内，忽略其影响是允许的。 对带有反电动势负载的同步发电机整流系统的稳定性进行了仿真研究，将系统中的各个参数对系统稳定性的影响进行了仿真。为了解决稳定性仿真计算量大、计算时间长的问题，利用同步电机换相计算的稳态公式，对同步电机分解模型的定子部分和整流桥部分进行了简化处理，得到了同步发电机整流系统稳定性分析简化模型。通过两种模型的仿真计算，证实了该简化模型与非简化模型的仿真结果相当一致。这样既解决了带有反电动势负载的同步发电机整流系统的稳定性仿真计算的计算速度问题，也证明了换相过程及其产生的谐波对系统的稳定性没有影响。
上传时间： 2013-06-19
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风光互补发电系统作为新能源技术应用的重要组成部分越来越受到人们的青睐，所以将此作为新能源研究的切入点，进行一些有益的尝试和探索。 本文从太阳能电池的光生伏打效应入手，推导出太阳能电池的U-I曲线，并以此作为最大功率跟踪(MPPT)技术的理论基础。针对小风机的发电技术也存在的MPPT技术，文章进行了统一性研究，给出了新的控制策略--变步长扰动观察控制。为了提高系统的充放电效率，文章还对三段式充放电、均衡充电、温度补偿等蓄电池充电理论进行了阐述。 根据上述理论，结合工程实际，设计了风光互补控制器的电路。利用电压霍尔和电流霍尔实现了风机电压、太阳能电池电压、蓄电池电压和充电电流的实时采样，利用TMS320F2812DSP的EVA与AD模块软件实现对蓄电池欠压、过压、运行等模式的智能充放电管理。针对风力发电机的输出电压波动大的问题，系统提供了硬件和软件的风机过速智能保护系统。本系统采用MPPT的控制策略提高了整个系统的效率，设计提供了一套LCD显示界面和一组LED指示灯增强系统管理的友好性。为了解决风光互补控制器芯片的供电问题，设计了一套以UC3843PWM芯片为核心的反激式辅助电源。该电源用硬件实现了电流内环、电压外环的双环控制策略，提高了系统供电的可靠性和稳定性。 研制出了一台风光互补控制器样机，进行了有关实验、检测与调试。实验波形和数据都显示该系统运行稳定可靠，达到了设计要求。该方案可为风光互补控制器的工程设计提供一定的参考。
上传时间： 2013-04-24
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无刷直流电动机利用电子换相器代替了直流电动机的机械电刷和换向器，不但具有直流电机的调速性能，而且体积小、效率高，在许多领域已得到了广泛应用。采用无位置传感器控制技术，不但可以克服有位置传感器的诸多弊端，而且还进一步拓展了无刷直流电动机的应用领域。近些年来，无位置传感器无刷直流电动机控制技术成为大家研究的热点之一。 本课题紧扣研究热点，以方波无刷直流电动机为控制对象，设计了一套无位置传感器无刷直流电动机控制系统。该系统采用TMS320LF2407ADSP芯片作为控制核心，运用反电动势过零点检测原理和预定位与升频升压相结合的启动方法，实现无位置传感器无刷直流电动机的控制。为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环控制。 首先，本文研究了无刷直流电动机的基本结构、性能、工作原理及数学模型，利用数学模型在Matlab/Simulink环境中建立无刷直流电动机的仿真模型。接着，给出了系统总体的设计方案，对控制系统设计中的几个关键技术--反电动势过零点及其相位补偿原理、启动、单神经元PID转速控制器以及PWM产生电路进行了深入的研究。 然后，根据控制系统总体方案和系统功能要求，进行软硬件设计。在硬件设计中，主要进行了DSP最小系统、电流和转子位置检测电路、IR2130驱动电路等方面电路的设计。在软件设计中，主要设计出了主程序和A/D中断程序。其中，主程序包括DSP系统设置、变量初始化、电机正反转选择、电机启动、速度计算及显示等方面程序；A/D中断程序包括反电动势计算、换相时刻计算、电流转速调节子程序等方面程序。 最后，经实验结果表明，电机启动快速、稳定，具有较宽的调速范围。同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。
上传时间： 2013-07-08
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蓄电池作为一种储能设备，广泛应用于国民经济的各个部门。近几年来，电动汽车行业迅速发展，对于纯电动汽车蓄电池是唯一的动力源，需要定期的满充满放的维护来提高电池性能，同时测量电池实际安时数。蓄电池的充放电技术与蓄电池相伴而生，与蓄电池的发展和应用有着密切的关系。充放电系统性能直接影响着蓄电池的技术状态，使用寿命，并决定着放电时对电网污染的程度。 目前，大功率蓄电池充放电系统仍大量采用晶闸管移相控制技术，该技术具有技术成熟，价格低廉的优点，但网侧功率因数低，对电网的污染大。而消除电网谐波污染、提高功率因数是电力电子领域研究的重大课题之一。本文为大功率锂离子蓄电池充放电设计的系统采用电压型PWM整流器和双向DC/DC变换器的结构，在实现能量双向流动的同时，实现网侧电流波形的正弦化控制，具有节能，对电网污染小等优点。 本文设计了主电路参数并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真。本文还提出了以MC9S12D64为核心的双向DC/DC变换器控制板和控制器的硬件、软件的完整的设计方案。充电采用恒流充电和恒压充电相结合的控制策略，实现单体电池电压控制，提高了充放电控制性能和安全性。充放电系统样机测试结果表明：满载时，系统效率80％以上，功率因数99％以上，谐波含量5％以下，满足设计要求，验证了系统设计的可行性。
上传时间： 2013-06-27
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无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高和转动惯量小等优点，另外它还具有和直流电机一样的调速特性，而没有直流电机复杂的机械换相设备，所以被广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等工业领域，现代工业的快速发展对无刷直流电机控制系统的性能提出了更高的要求。因此，研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电机控制系统具有十分重要的意义。 直接转矩控制是一种高性能的电机控制方法，它已经成熟的应用在感应电机和永磁同步电机上，实现了优良的稳态性能和动态响应特性。本文通过大量的文献资料阅读，对无刷直流电机及其相关技术的发展、现状和趋势有了一个比较全面的理解，在此基础上，详细分析了无刷直流电机的数学模型，并提出了一套相应的直接转矩控制方案，建立了仿真和试验平台，进行了仿真分析和实验研究，获得了有价值的研究成果。 本文的主要研究内容包括： (1)详细分析了无刷直流电机的运行机理和数学模型，在此基础上阐述无刷直流电机直接转矩控制的基本控制机理，包括基于逆变器二二导通模式的空间电压矢量的定义和针对无刷直流电机具有非正弦波反电动势这一特点而推导的转矩计算公式等。 (2)提出了一套无刷直流电机直接转矩控制的具体实施方案，并根据这套方案建立了基于Simulink(Matlab)的无刷直流电机直接转矩控制的仿真模型，对所提出的控制方案进行了仿真分析。仿真结果验证了该方案在理论上的可行性。 (3)在理论研究的基础之上，设计研制了一套基于DSP+IPM的无刷直流电机直接转矩控制实验系统，编写了控制程序软件，进行了无刷直流电机直接转矩控制的实验。实验结果达到了预期的要求，证实了直接转矩控制在改善无刷直流电机动态调速性能上的优势。 本论文开展了继异步电机和永磁同步电机之后对无刷直流电机实现直接转矩控制的探索性研究工作。通过理论分析、计算机仿真和实验得出了一些有意义的经验和结论，为课题的进一步深入开展奠定了基础。
上传时间： 2013-07-11
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