随着电力电子技术进一步发展,交流电动机的变频调速系统已被公认为近代交流调速中性能最优越的一种电力拖动系统.然而,随着电动机变频调速技术的发展,谐波污染问题也逐步显现.为了消除谐波,节能降耗,研究者做了大量的研究和分析.目前,在三相感应电动机变频调速系统中,对于整流过程所产生的谐波,已有过大量的分析和计算,并且研究出了精确的滤波方法,使整流部分输出电压近似为直流电压.而对于逆变过程产生的谐波,大多只是定性分析,很少有定量计算的文献出现.该文首先对SPWM控制技术从原理上进行了详细的描述,指出了谐波问题的研究方向和谐波研究的意义.然后针对逆变器-电动机系统,利用贝塞尔函数和傅里叶级数理论,分别对单相二阶SPWM逆变器和三相SPWM逆变器的输出电压谐波的产生、大小和分布进行了细致而具体的分析和计算.通过计算所得到的结果,以图文的形式对谐波问题进行了分析,得出了相应的结论,并且对影响SPWM输出电压谐波频谱分布的因素进行了详细的讨论.该文还讨论了谐波对感应电动机绕组磁动势、旋转磁场的转差率、转矩以及铜耗的影响,为感应电动机变频调速系统的设计、电机供电电压谐波分析及附加损耗计算提供了参考.该文最后利用MATLAB软件的SIMULINK中的电力系统库,建立SPWM逆变电路的仿真模型.通过仿真,不但验证了数学理论推导的正确性,而且为电力电子电路和电机变频调速系统的设计提供了一种很好的仿真方法.
上传时间： 2013-06-28
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直流电动机具有运动效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而存在致命弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了它的应用范围.近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机(Brushless Direct Current Motor-BIDCM)具有体积小、重量轻、效率高、噪音低且可靠性高的特点,因而得到了广泛的应用.该文研究的对象是由两套三相无刷直流电动机组成的六相无刷直流电动机,每套绕组三相对称,两套绕组对应相之间相差30°电角度.重点研究六相无刷直流电机的转矩特性和系统的可靠性.在分析无刷直流电动机电磁转矩产生原理的基础上,阐述了三相无刷直流电动机转矩脉动的原因,在此基础上提出六相无刷直流电动机.分析结果表明,六相无刷直流电动机的转矩特性优于三相无刷直流电机,并且系统的可靠性也较高.该文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析,建立了三相和六相无刷直流电动机的数学模型.并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了三相和六相无刷直流电动机的系统仿真模型.该系统仿真模型采用双闭环控制,内环为电流环(采用滞环调节),外环为速度环(采用PI调节).对所得的仿真结果进行分析,表明与理论分析相吻合,证明了六相无刷直流电动机仿真模型的正确性.对两套绕组可能出现的故障进行仿真分析,结果表明六相无刷直流电动机具有较强的容错能力.由此得出结论,该文提出的六相无刷直流电动机方案是可行的.由于绕组在电机的结构中占有相当重要的位置,该文利用槽号相位表,设计了三相和六相无刷直流电动机的绕组.对槽号的分配,线圈的连接作了详细地说明.该文还对三相和六相无刷直流电动机定子绕组的磁势进行了谐波分析,分析结果表明了六相无刷直流电动机定子绕组的磁势高次谐波含量要少于三相无刷直流电动机.
上传时间： 2013-07-13
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舰船、飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立系统中有许多交直流电力并存的场合，需要实现发供电系统的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品质。常规的电励磁发电机因为带有电刷使供电系统的运行安全存在隐患，并且励磁机的使用增加了电机的体积和损耗。为使系统节能高效，本文设计并制作了应用于独立交直流电力系统的交直流永磁同步发电机。永磁电机定子上带有三套三相绕组，一套绕组用于提供交流电力，其余的两套绕组相位互差30度电角度，接整流器为直流负载供电。文中对电机的设计以及电机的基本性能进行探讨。为了减小永磁发电机的电压调整率，在电机的交轴与电机的永磁磁极尾部之间加一软磁材料，通过增加电机负载时的交轴电抗压降，来改善电机的电压调整率。 首先，针对永磁电机设计的特殊性，应用二维有限元法计算电机的电磁场以确定电机的主要尺寸，并讨论了不同软磁材料尺寸对电机的影响。文中还根据电磁场的计算结果，应用傅立叶级数计算了电机的空载感应电动势以用于预测电机的性能，使用能量摄动法计算了计及饱和、槽影响下的电机电感参数。考虑到永磁材料的温度性能问题，应用电磁场和温度场耦合的方式计算了电机稳态时的温度场。 然后，为了了解永磁同步发电机的主要电磁关系，研究了电机的数学模型，推导了考虑漏磁时具有三套互差一定电角度三相绕组的永磁发电机在dq0坐标系下的方程，可以看到，在dq0坐标系下电机的电感参数为常数。这样，利用这个特性，在对电机运行性能进行研究时，可以得到简化电磁方程。根据电机稳态运行时的方程，得到了电机的向量图。 因为带有多套绕组的永磁电机中含有较多的谐波，而采用dq0坐标系下的方程会忽略掉气隙磁场中的谐波分量，为了对电机的仿真更加精确，电机仿真时采用电机在ABC坐标系下的基本电磁方程。应用Matlab/SimPowerSystems中的模块搭建电机的仿真模型，永磁体的影响用感应电动势来表示。根据仿真结果与样机试验结果的比较发现，两者吻合良好。 另外，本文还设计了一台电励磁的交直流发电机，电磁设计结果表明，永磁电机在体积、重量、效率方面都很有优势。
上传时间： 2013-04-24
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动力传动中的直线往复运动往往是通过旋转运动在传动装置的作用下实现的。因此，频繁的高速和低速的传递运动装置的较好选择是直线开关磁阻电机(LSRM)。但是，这种电机很少得到运用，这是因为LSRM的数学模型很难准确建立，它的固有的牵引力脉动(类似于旋转开关磁阻电机的转矩脉动)也很难克服，因而控制起来比较困难。随着电力电子技术和数字技术的发展，直线开关磁阻电机以其简单结实的电机结构、优越的性能和经济指标，近年来受到学术界的极大关注，不少大学和研究机构都开展了研究工作，取得了一定的成就。本文在“通过先进的控制策略简化机械装置”的指导思想下，结合目前国际学术界的最新研究成果，对直线开关磁阻电机的理论、结构设计和系统仿真进行了一系列的研究。 本文从最基本的理论公式推导出直线开关磁阻电机的数学模型，并在此基础上结合具体参数进行电机的结构设计，分析了各参数的静态特性，推导出动态方程和传递函数，建立了非线性动态模型，利用该模型进行系统的动态特性分析，给出仿真结果；对系统进行优化，提出了一种简单可行的参数选择方法。仿真结果表明，其动态响应性能明显提高。在分析常用功率变换器的基础上，引进软开关技术，用来降低电机的损耗和脉动。采用TMS320VC33进行数据处理，给出了与DSP相连接的相关检测电路。 为了降低和消除开关磁阻电机的脉动和噪声，本文利用滑模变结构控制具有快速响应和对外部变化不灵敏等优点，设计了LSRM滑模变结构控制系统。仿真结果表明，其效果明显。 本文研究的目的在于把直线电机的结构和开关磁阻电机的原理和控制方式结合起来，对直线开关磁阻电机进行深入的分析，并在动态特性上进行较多的理论和仿真分析，在保持开关磁阻电机固有的优点上，进一步简化电机的结构，使之能在一些特殊场合使用，以提高整个传动系统的效率。 研究结果表明，直线开关磁阻电机的结构十分简单，控制策略相对成熟，因而直线开关磁阻电机的研究和推广运用是很有前途的。
上传时间： 2013-06-20
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开关磁阻电机（SR电机）驱动系统（SRD）是一种先进的机电一体化装置，但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有：由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源，因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理，推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算，不但减小了计算量，同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法，求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时，传统的非线性插值不但耗时，而且对有限元计算数据量要求高的问题，本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力，成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练，最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定；接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发，导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解；然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解，定性分析了影响振动振幅的各种因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型，分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果，证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上，对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真，综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标，对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真，通过非线性插值得到径向力的波形，然后对径向力波形进行了频谱分析，从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况，利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化，使得减振效果整体最佳，所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上，针对其不足之处，提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的，达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法，和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声，并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法，最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求，选用了不对称半桥功率电路拓扑结构；出于降低成本以及提高可靠性考虑，采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验，对比转矩测量值与转矩有限元计算值，验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验，对比各种实验结果，充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项：“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”（2001AA501421）。本文的研究是在该项目的资助下完成，并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间： 2013-07-05
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以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”和“电动座椅控制系统设计”作为实际应用背景，分析了两种不同种类电动机的原理特性和控制方法，阐述了这两个系统的开发过程，研究了单片机在这两个系统中的应用，进一步挖掘了单片机在电机运动控制领域中的应用潜力。 文中分两个部分分别对这两个系统进行了介绍。在混合式步进电动机驱动控制系统部分，介绍了步进电动机的运行特性和控制方法，建立了仿真模型并对步进电动机各主要的运行特性进行了仿真研究，着重叙述了步进电动机多步距角控制、斩波恒流控制和升降频控制等控制功能，以及上位机控制软件的实现过程。电动座椅控制系统部分，首先阐述了无刷直流电动机的运行特性，建立了仿真模型并对先进PID控制方法在无刷直流电动机中的应用进行了仿真研究，着重阐述了位置记忆功能的实现过程。 实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，圆满的完成了既定的开发任务，实现了所有的预定功能，且运行性能良好。混合式步进电动机驱动控制系统可以通过上位机和控制面板分别控制，可以驱动不同种类的步进电动机且具备多种控制功能。电动座椅控制系统将无刷直流电动机应用到了电动座椅领域，且实现了电动座椅的智能化。这些也正是本文的创新之处。另外，结构化的硬件设计方法及模块化的软件设计法使得系统具有较好的通用性和可扩展性。
上传时间： 2013-05-26
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稀土永磁无刷直流电动机采用高磁能积的稀土永磁材料，同时采用电子换向技术去掉了电刷，使得它具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、运行特性优良等特点，从而广泛应用于航空航天、精密仪器、工业控制等许多对电机运行性能要求较高的场合。因此，对稀土永磁无刷直流电机的研究具有重要的意义。本文对稀土永磁无刷直流电动机设计方法和分析方法进行了研究： 永磁电机设计计算中传统的一般采用比较简单的磁路法，用磁钢工作图计算静态及动态的工作点，这显然不能满足精确性的要求。本文采用了场路结合的方法，首先利用磁路法对电机进行初步设计，然后建立有限元分析模型对电机的参数和性能进行精确分析，采用这样的方法不但可以满足精确性要求，同时可以缩短设计周期。 本文把有限元方法引入到了对电机性能影响较大的重要系数(如空载漏磁系数、电枢计算长度、计算极弧系数和气隙系数等)及性能参数反电动势、电磁转矩、电感的计算中。以电机内磁场有限元分析为基础的设计结果体现了较高的精确度；同时，由于在大功率、高转速的永磁无刷直流电动机中，电流受漏感的影响从而改变了电机的性能，因此漏感的作用不容忽视。本文推导了稀土永磁无刷直流电动机漏电感计算的有限元方法，引入了电机等效电阻系数，并针对电磁转矩脉动和齿槽转矩脉动的产生的原因，给出了多种有效的抑制方法，使电机设计更为合理。最后介绍了电机测试平台的搭建和具体的测试方法，以验证用户关心的电机性能参数在电机设计中的正确性。
上传时间： 2013-06-09
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电机是现代生产中的重要电气设备，电机的故障会对生产造成重大影响，因此需要监测电机的运行状态。同时，不断提高的环保标准要求控制电机的噪声。测试和分析电机的振动为电机的故障诊断和电机的噪声控制提供了途径，因此有必要建立一个电机振动测试分析系统。 过去20多年来，虚拟仪器技术取得了长足发展，在工程测试等领域得到了广泛的应用。相比于传统仪器，虚拟仪器技术具有性能高，扩展性强等诸多优势。LabVIEW是虚拟仪器软件开发平台中最常用的一个。 本文在虚拟仪器的基础上开发了电机振动测试分析系统，主要内容包括以下几个方面： 1．电机振动测试分析平台的建立，以LabVIEW为软件开发平台，配合数据采集卡，加速度传感器等硬件设备建立了电机振动信号采集与处理的虚拟仪器系统，完成振动信号的采集、显示、处理、数据管理等一系列功能； 2．电机振动信号处理方法的研究，深入分析了傅里叶变换、时频分析、小波分析等在电机振动信号处理中的优缺点，着重研究了独立分量分析等新技术在电机内部振动信号处理上的应用，针对电机振动的特性，给出了各种信号处理方法的参数优化： 3．电机故障诊断的研究，针对电机故障特征量的提取和选择提出了作者自己的见解，建立了基于振动的最小二乘支持向量机电机故障诊断，实例证明了支持向量机在电机故障诊断上的有效性； 4．针对电机故障诊断中故障样本不易获得的特点，提出了基于支持向量数据描述的多层分类器，是一种较有应用价值的新方法。
上传时间： 2013-06-24
上传用户：黄华强
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
上传用户：woshiayin
永磁无刷直流电动机具有惯量小、控制简单、动态性能好等优良特性，因此在航天、机器人、数控机床等许多领域得到了广泛应用。无刷直流电机在国外已经成功应用于对系统要求较高的场合，近年来在国内也引起了广泛的兴趣。本课题针对轮式机器人，设计了无刷直流电动机并设计相应控制系统。 首先，本课题分析了机器人用无刷直流电动机的组成结构、绕组连接，并对三相无刷直流电动机星角接工作方式进行比较，按照无刷直流电动机两种模式运行、多极分数槽等特点进行局部设计。最终以爬坡时状态为参考，经过多次计算得到无刷直流电动机的初始设计方案。 其次，为了提高设计的可靠性及设计成本，本课题用MaxwellRMxprt和Maxwell 2D有限元分析软件来对所设计的电磁设计方案进行验证。应用Maxwell 2D软件进一步对设计方案进行分析和校验，以校核仿真结果参数能否与设计方案相吻合。 最后设计了无刷直流电动机的PIC单片机控制系统并对无刷直流电动机进行系统仿真。控制系统CPU采用PIC16F877单片机，它能够提供最佳的性能价格比。系统采用IGBT 专用栅极驱动集成电路IR2130，来控制系统主电路。系统仿真采用MATLAB/SIMULINK软件，检验所设计电机在系统中的性能。 结论，本课题主要包括五部分：无刷直流电动机绕组连接分析，初始数据方案设计，Maxwell对电磁设计方案进行验证，设计PIC单片机控制系统，应用MATLAB对电机控制系统进行仿真。通过这五部，本文完成了轮式机器人用无刷直流电动机进行设计及相应控制系统的设计。
上传时间： 2013-07-28
上传用户：long14578
