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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超声波电机是上个世纪八十年代逐步发展起来的新型微电机。它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁马达相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作相应快、运行无噪声、无输入时能自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域要比传统的电磁电机性能优越得多。目前，旋转型超声波电机，尤其是环形行波型超声波电机，在工业、办公、过程自动化等领域的伺服系统中作为直接驱动执行器得到广泛的关注。 本论文主要研究并设计了用于超声波电机控制驱动的小型控制系统。其目的是针对市场需要，提供给用户一种价格较低、体积小、性能指标适中，操作简便，能够实现快速定位，速度可调节的标准的闭环控制器。 控制器的核心为MSP430F167。课题对外围检测、控制、驱动电路进行相关的研究和设计，并按照控制器的需求设计相应的软件。最后给出实验结果：系统运行稳定，速度曲线较为理想，达到了最初的设计要求。 系统总结了超声波电机的发展、特点、分类，通过与传统电磁电机的对比给出了超声波电机的广阔的应用前景。在此基础上，指出了超声波电机研究的发展方向，明确了本文的研究内容。 总结了环形行波型超声波电机的结构特点、运行机理，并在此基础上总结了环形行波型超声波电机调频、调相、调幅等控制方法以及推挽、半桥和全桥驱动逆变电路的优缺点。 本课题设计了基于超声波电机的控制驱动系统电路。首先，提出了本次设计的设计思想及目的；其次，介绍了本设计的控制器硬件电路具体设计过程以及调频调速的实现方式。然后，详细介绍了该控制系统的软件构成，包括上位机软件、下位机软件以及通讯部分。详细阐述了在本控制系统中的调速、定位原理。最后通过实验结果说明了该小型控制系统的有效性。
上传时间： 2013-07-18
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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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随着社会生产的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求也越来越高，电压是标志电能质量的一个基本技术指标，它与无功功率密切相关。本文阐述了电压无功综合控制对于电力系统运行及工农业生产的重大意义；综述了国内外在这一领域中的研究所取得的成果、面临的问题和发展的前景。针对目前我国应用最为广泛、性能价格比最佳的并联电容与有载调压变压器综合控制装置的研制开发中所涉及的问题进行了较全面的分析与研究，提出了一种符合当前变电站综合自动化发展需要的可靠性高、组态灵活、功能齐全的变电站电压无功综合控制方案。该方案主控单元选用抗干扰能力强、指令丰富、扩展灵活、通讯联网能力强的西门子S7-226PLC作为控制核心；参数检测单元选用可靠性高、具有通讯功能的智能型综合电量变送器；控制主机通过与参数检测单元通讯获得所需参数，同时还可与上位机或其他具有串口的设备通讯。采用的电压无功控制策略，从系统的实际需要出发，充分考虑了影响电压无功控制效果的主要因素，控制决策以实时计算数据为参考，控制精度高，并有效避免了无效调节对设备及系统造成的危害；控制软件根据已经确定的控制算法做出控制决策并能够完成系统运行方式的自动识别、电容器的循环投切，电容器及分接头的保护及通讯等功能。文中还阐述了电容器接线形式选择、串联电抗及高压真空开关的选择依据以及变压器调档控制原理。 理论分析和仿真计算均证明了本文中所提出的控制策略的精确性和严密性；试验证明了该设计方案先进、灵活、可靠、功能齐全，符合电力系统自动化对控制装置的要求。
上传时间： 2013-06-01
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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、微处理器技术以及新的电机控制技术的发展，交流调速性能日益提高。变频调速技术的出现使交流调速系统有取代直流调速系统的趋势。但是国民经济的快速发展要求交流变频调速系统具有更高的调速精度、更大的调速范围和更快的响应速度，一般的通用变频器已经不能满足工业应用的需求，而交流电机矢量控制调速系统能够很好的满足这个要求。矢量控制(Field Oriented Control)，能够实现交流电机电磁转矩的快速控制，本文对三相交流异步电机的矢量控制系统进行了研究和分析，以高性能数字信号处理器为硬件平台设计了基于DSP的三相交流异步电机的矢量控制系统，并分析了逆变器死区效应的产生，实现了逆变器死区的补偿。 本文介绍了交流调速及其相关技术的发展，变频调速的方案以及国内外对矢量控制的研究状况。以三相交流异步电机在三相静止坐标系下的数学模型为基础，通过Clarke变换和Parke变换得到三相交流异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型，并利用转子磁场定向的方法，对该模型进行分析，设计了转子磁链观测器，以实现交流电机电流量的有效解耦，得到定子电流的转矩分量和励磁分量。仿照直流电机的控制方法，设计了矢量控制算法的电流与速度双闭环控制系统。设计了以TMS320LF2407A为主控制器的硬件平台，在此基础上实现了矢量控制算法，论述了电压空间矢量调制(SVPWM)的原理和方法，并对其进行了改进。最后对逆变器的死区进行了补偿。 实验表明基于转子磁场定向的矢量控制(FOC)系统，结构简单，电流解耦方便，动态性能好，精度较高，能够基本满足现代交流电机控制系统的转矩和速度要求。
上传时间： 2013-05-24
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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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随着焊接技术、控制技术以及计算机信息技术的发展，对于数字化焊机系统的研究已经成为热点，本文开展了对数字化IGBT逆变焊机控制系统的研究工作，设计了数字化逆变焊机的主电路和控制系统的硬件部分。 本文首先介绍了“数字化焊机”的概念，分析了数字化焊机较传统的焊机的优势，然后结合当前数字化焊机的国内外发展形势，针对数字信号处理技术的特点，阐明了进行本课题研究的必要性和研究内容。文章随后列出了整个数字化逆变焊机的设计思路和方案，简要介绍了数字信号处理器(DSP-Digital SignalProcessing)的特点，较为详细地解释了以DSP为核心的控制系统设计过程。根据弧焊电源控制的要求，选择了控制器的DSP型号。 逆变焊机的主电路采用输出功率较大的IGBT全桥式逆变结构(逆变频率20KHz)，由输入整流滤波电路、逆变电路、中频变压器、输出整流电路和输出直流电抗器组成。文中简略介绍了主电路的设计要点及元件的选型和参数的计算，并对所设计的主电路进行了Matlab计算机仿真研究。 在控制系统的设计中，采用TI(美国德州仪器)公司的DSP(TMS320LF2407)芯片作为CPU，由于其速度快(40MHz)、精度高(16bits)等特点，为弧焊逆变器控制系统真正实现数字化提供了条件。在DSP最小系统、电压电流采样调理模块、保护模块、键盘与显示模块等主要模块的作用下对整个焊接电源进行了实时的闭环控制与焊接过程的实时监控。控制电路采用脉宽调制方式(PWM)进行输出控制，即：控制IGBT的导通时间来实现焊机输出功率与输出特性的控制。设计了专门的“分频电路”，DSP输出的控制脉冲经过“分频电路”分成两路后，再经IGBT专用驱动模块M57959L，进行功率放大后，触发IGBT。DSP对输出电流和电弧电压进行实时采样，采用离散的PI控制算法计算后，输出相应的控制量来实时调节IGBT驱动脉冲的脉宽，进而调制输出电流，达到控制焊机输出的目的。 经过实验，得到了相应的输出电压电流波形、PWM波形和IGBT门极驱动的实验波形，该控制系统基本符合逆变焊机的工作要求。 最后，在对本文做简要总结的基础上，对于本逆变焊机的进一步完善工作提出了建议，为数字化焊机控制系统今后更加深入的研究奠定了良好的基础。
上传时间： 2013-08-01
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本论文主要针对燃料电池电动轿车FCEV(Fuel Cell Electrical Vehicle)用DC/DC变换器主电路拓扑结构及电磁干扰产生与抑制问题进行研究.针对燃料电池偏软的输出特性和电动汽车对DC/DC变换器的体积小、重量轻和效率高的要求,本论文分析比较了带变压器的隔离式直流变换器和非隔离式直流变换器的主要优点和缺点,指出隔离式变换电路不适合于FCEV用DC/DC变换器主电路,非隔离式降压(Buck)电路是最佳的主电路方案.在此基础上,分析了非隔离式降压(Buck)电路的工作原理和特点,运用模拟仿真软件PSPICE仿真分析了Buck主电路参数,并在分析比较了各种磁性材料特性的基础上对电感器进行了优化设计.本论文深入讨论了DC/DC变换器中构成电磁干扰的三个主要因素:电磁干扰源、传播途径和敏感设备.分析了DC/DC变换器主电路中存在的主要干扰源及干扰产生的机理以及干扰传播途径,在此基础上,重点讨论了抑制各种干扰的方法及措施(包括传导干扰抑制与辐射干扰抑制等),并给出了具体方案.本论文还从电磁兼容(EMC)测试的目的、组成等方面出发,对整个EMC测试进行了详细的分析,提出了基于汽车电子EMC测试标准的DC/DC变换器EMC测试大纲,并对其中的试验项目、试验仪器、试验场地、试验设置、所应达到的等级进行了详细的分析和介绍.
上传时间： 2013-08-03
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电缆偏心严重影响电缆的质量，因此在电缆生产时必须要进行偏心检测。该文针对目前我国电缆偏心检测技术落后的现状，提出采用电涡流检测方法来研制可以对电缆进行在线实时偏心检测的自动化系统，并对此项检测技术进行了详细研究。 该文先从偏心传感器、数据采集器和上位机系统三大部分对电涡流式电缆偏心检测系统进行了整体设计。完成了偏心传感器探头的设计并解决了偏心传感器振荡电路的电源供应问题和信号从旋转部件到静止部件的传输问题。以TLC2543A/D转换器和AT89C52单片机为核心器件设计了数据采集器，完成模拟信号到数字信号的转换，并通过RS-232串行通讯把采样数据传输给PC机。利用VisualBasic语言开发了软件系统，对接收的数据进行了处理并对结果进行了输出显示。 为了提高检测系统的精度，系统中采用了模拟滤波器和数字滤波器。根据检测系统中信号的特点，分别确定了模拟滤波器和数字滤波器的性能指标，设计了抗混叠的3阶巴特沃思模拟滤波器和5阶椭圆型ⅡR低通数字滤波器，并采用适当的方法进行了实现。在静态的电缆偏心检测实验系统中对滤波器的性能进行了验证。 偏心传感器是检测系统中的关键部件，它的性能至关重要。该文通过构造的静态实验系统对偏心传感器的性能进行了研究，分析了被测电缆线芯直径、检测线圈的匝数和检测探头的尺寸对偏心传感器性能的影响。
上传时间： 2013-06-19
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