目前,在电压互感器设计中,虽有人进行过可靠性设计利优化设计方面的研究,但采用的方法仍为传统方法.本文采用现代设计方法,它将有限元分析、可靠性设计技术利优化设计技术有机的结合起来,因此采用现代设计方法得到的方案比利用传统设计方法设计出的方案更加经济合理.首先,本文简单介绍了电压互感器的原理,描述了电压互感器的分类、基本参数和误差分析.第二,本文研究了电磁场有限元分析原理,介绍了麦克斯韦方程和电磁场微分方程.本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS对电压互感器进行二维电磁场有限元分析,对电压互感器建立了有限元数学模型和网格剖分,对有限元模型加载了边界条件并进行了求解.研究了二维磁场分析单元PLANE53单元利电路模拟单元CIRCU124单元的特点及使用方法.第三,对电压互感器的瓷套部分进行了可靠性设计.瓷套所受的弯曲负荷应力很多,主要包括:风力负荷产生的弯曲应力,地震负荷产生的弯曲应力,产品运输中倾斜产生的弯曲应力.本文研究了瓷套的应力分布的确定方法,将多种应力叠加在一起,推出了应力分布参数的计算公式.瓷套的应力、强度利各设计变量均可认为服从正态分布,在设计时作为正态分布变量处理.本文应用应力-强度干涉理论,对电压互感器瓷套的可靠性设计方法进行了研究.第四,研究了ANSYS软件的优化设计模块,研究了采用ANSYS软件进行优化设计的步骤和优化工具及方法.利用ANSYS软件的参数化设计语言与其OPT模块,实现了有限元数值计算与优化设计的有机结合.并以额定一次电压35KV,额定二次电压100V,额定频率50HZ的电压互感器为例,进行了有限元分析计算利优化设计.根据电压互感器产品设计的实际情况,确定设计变量为绕组导线规格和铁心结构尺寸.优化循环结束以后,可以选择列出所有参数的数值,也可以只列出优化变量,可以用图显示指定的参数随序列号的变化情况,通过多方案的比较,得到最优方案.将现代设计方法应用于生产厂家,可节省研究开支,大大缩短开发周期,减少计算误差,减少试验费用,降低成本,提高产品的可靠性,因此本项目的研究具有良好的经济效益和社会效益.
上传时间： 2013-06-10
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该文介绍了一种新型高压发电机电力发生器,它无需升压变压器即可直接连接到电网,其定子采用多层同心式绕组,槽内导体为高压电缆,高压电缆的引入克服了传统发电机输出电压不能高于36kV的限制;并简要介绍了这种发电机的全新设计与应用前景;最后针对电力发生器不同于传统发电机的结构,借助有限元分析软件进行了端部的建模、端部磁场、端部漏抗与端部电磁力的求解.文中围绕一模型样机,首先介绍了三维涡流场计算与利用磁场储能进行参数计算的理论基础.之后进行了对定子端部区域的建模,由于电力发生器采用多层同心式绕组,其端部结构较为复杂,这对模型的建立、剖分都带来了相当大的难度.为了达到简化分析计算的目的,我们对所求解的实际模型进行了简化处理,并阐述了简化的理论根据.在此基础上,详细介绍了如何利用有限元分析软件ANSYS进行具体分析计算,包括网格剖分、电流加载及边界条件的处理.最后得出了端部磁场矢量分布图,端部漏抗值及端部绕组的电磁力分布规律.该文采用了简化模型的方法进行计算,为了验证简化的合理性,我们进行了实例计算验证.结果表明,文中所采用的简化方法是合理的.该文所进行端部磁场、端部漏抗及端部电磁力计算,为进一步分析其他工况下电力发生器端部电磁力及振动提供了参考.
上传时间： 2013-06-26
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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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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
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风能是可再生能源，世界各国越来越重视风能的开发和利用。国内外学者也开始研究高效率永磁电机在风力发电上的应用。在山东省科技厅资助下，本文研究了一种新型结构的双转子永磁发电机，其高运行效率和特殊的电机结构，使其在小型风力发电系统中存在着巨大优势。本文主要研究的内容如下： 第一部分首先给出了双转子永磁电机的基本结构、等效磁路、工作原理，然后对双转子永磁电机电枢反应电感参数进行计算。 第二部分对双转子永磁电机的空载感应电势进行解析计算和有限元分析验证。首先通过引入相对比磁导函数，给出了双转子永磁电机考虑齿槽效应时定子表面的磁场分布，并给出了相应的波形。然后采用矢量合成法推导了空载感应电势的表达式，为了验证空载电势解析法的正确性，本文采用有限元法对其分析计算。通过比较得出：解析法和有限元法吻合很好。最后，针对双转子电机的特殊结构，提出了三种改善电势波形的方法，并利用解析法对其进行分析，证明了这几种措施的可行性。 第三部分针对halbach磁体电机在风力发电系统中的潜在优势，主要研究了halbach磁体结构双转子电机的电势和齿槽转矩。首先给出了halbach阵列的基本原理，采用有限元法分析了halbach磁体结构双转子电机的磁场分布及空载电势波形，并对其进行了谐波分析。最后利用能量的虚位移法推导了双转子电机的齿槽转矩，对于halbach磁体双转子电机，提出了三种减小转矩脉动的方法，并通过有限元分析进行了比较，证明了这几种措施的可行性。 第四部分对双转子电机的设计进行了分析，提出了先分别设计内外电机再统一调整的设计方法，最后设计制作了样机，给出了样机图片。并对样机进行试验，测量不同转速下电机的空载电势波形，电机的电势-转速曲线，电机的负载电压-电流特性曲线，并测量了电枢反应电感数值，通过对比可以得出：试验值、解析值和有限元值吻合很好。
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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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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在永磁无刷直流电机中，即使电枢绕组不通电，由于水磁体产生的磁场同定子铁芯的齿槽相互作用而产生转矩，即齿槽定位力矩。定位力矩使电机输出转矩波动，产生振动和噪声。影响齿槽转矩的因素很多，如齿槽的数量、齿槽形状、斜槽角度、磁钢的极弧系数以及辅助凹槽等等，因此，准确计算定位力矩较为复杂。本文利用麦克斯韦张量法来分析定位力矩，为电机设计提供理论参考。文中阐述了齿槽力矩产生机理，综述了抑制齿槽转矩的方法，探讨了抑制齿槽转矩的发展趋势。 本文以永磁无刷直流电机为对象，利用Ansoft有限元仿真软件，通过有限元分析对改变槽口宽度、定子斜槽、改变极弧系数和定子冲片增加辅助凹槽对定位力矩的影响进行了研究。深入分析了冲片辅助凹槽对抑制永磁无刷直流电机定位力矩的作用，因为冲片面加辅助凹槽的方法，生产中便于加工，对电机性能影响很小。结果表明，同一冲片上在对称位置上排布辅助凹槽能取得很好的效果，而以冲片中心线对称地加两个辅助凹槽时，辅助凹槽角度不同作用不同。对不同冲片，适合的辅助凹槽角度也是不同的。 最后对这几种抑制定位力矩的方法进行优化组合，找出了一个最优的抑制永磁无刷直流电机定位力矩的方案。
上传时间： 2013-06-18
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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永磁同步电动机交流伺服系统作为交流伺服系统的主流，在工业生产自动化领域中应用广泛、前景广阔。永磁同步伺服电动机作为伺服系统的执行机构，其性能的优劣在很大程度上决定了整个伺服系统的性能。因此，精心设计性能优异的永磁同步伺服电动机具有重要的理论意义和应用价值。本课题系统研究了永磁同步伺服电动机的本体设计，包括设计方法、性能计算、有限元分析、参数计算、控制仿真、实验测试等。 首先，综述和分析了永磁同步伺服电动机的研究现状、存在问题和发展前景，研究了永磁同步伺服电动机的设计特点和方法。开发了永磁同步伺服电动机的电磁计算程序，结合有限元计算数值的校正，完成对样机的性能计算，计算结果较为准确。 接着，深入分析永磁同步伺服电动机的气隙磁场，得到充磁方式、极弧系数、不均匀气隙、永磁体厚度等因素对气隙磁场的影响，绘制了各因素对气隙磁场基波和谐波总量影响的曲线，通过优化设计，得到了明显改善的正弦气隙磁场。并拓展研究总结了不同永磁体形状和尺寸对永磁直流电动机在换向和性能上的影响，取得有实用价值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet电磁分析软件建立了永磁同步伺服电动机的有限元分析模型，深入研究了电机的反电势波形、稳态运行性能和齿槽转矩，计算了直、交轴同步电抗等重要参数。建立了永磁同步伺服电动机Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并进行了仿真研究。 最后，对永磁同步伺服电动机进行了实验测试和分析，包括反电势波形与磁场波形测试、性能曲线测试、直交轴同步电抗的测量。对测试结果与设计结果进行了比较分析，验证了设计方法的正确性。
上传时间： 2013-08-04
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