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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本课题的研究工作主要围绕机床用永磁交流伺服电动机设计展开，所做的主要工作包括以下几个部分： 首先，钕铁硼永磁材料导电率较高、耐热性能较差，当电机气隙磁场谐波含量较大时，永磁体中就会感应出涡流形成涡流损耗导致永磁体发热。因此，有必要对转子永磁体内的涡流进行计算和分析。本文分析了永磁同步电动机转子永磁体内涡流产生的原因，建立涡流的数学模型并推导出永磁体涡流损耗的计算公式。用ANSOFT有限元软件建立电动机的物理模型进行电磁场求解，结合路的计算公式算出永磁体的涡流损耗。 其次，运行平稳性是伺服电动机的一项重要的性能指标，而转矩波动的大小直接影响运行平稳性。本文分析了机床用永磁交流伺服电动机转矩波动产生的原因，运用转矩波动计算公式结合ANSOFT有限元软件，计算比较相同功率、相同极数不同槽数时，电动机的转矩波动情况。通过比较计算出的转矩波动百分比的大小，选择所设计电动机的极槽配合，以提高机床用永磁交流伺服电动机的运行性能。 最后，完成机床用永磁交流伺服电动机基本结构尺寸以及电磁参数的选取，利用有限元软件，分析计算气隙长度变化对失步转矩倍数和永磁体用量的影响，以及永磁体宽度对气隙磁密波形的影响，以此合理选择气隙长度和永磁体的宽度，使电动机的性能更优良。在上述研究的基础上，本文设计了一台0.9kW，8极36槽的机床用永磁交流伺服电动机样机，并对其性能进行了测试，测试结果表明，电机的性能指标达到了预期的要求，证明了电机设计过程理论分析计算的正确性。
上传时间： 2013-06-13
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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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永磁同步发电机由于一系列高效节能的优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，并且受到许多学者的关注，其研究领域主要涉及永磁同步发电机的设计、精确性能分析、控制等方面。 本课题作为国家自然科学基金项目《无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机的研究》的课题，主要研究永磁电机的电磁场空载和负载计算，求出永磁电机的电压波形和电压调整率，为分段式转子的混合励磁永磁电机的研究奠定基础，主要做了以下工作： 首先介绍了永磁同步发电机的基本原理，包括永磁同步发电机的结构形式和永磁同步发电机的运行性能，采用传统解析理论给出了电压调整率的计算方法及外特性的计算模型；然后用有限元ANSYS对永磁同步发电机样机进行实体建模，经过定义分配材料、划分网格、加边界条件和载荷、求解计算等，得到矢量磁位Az、磁场强度H、磁感应强度B等结果，直观地看出电机内部的磁场分布情况。 其次根据电磁场计算结果，应用齿磁通法对其进行后处理。该方法求解转子在一个齿距内不同位置处的磁场，以定子齿的磁通为计算单位，根据绕组与齿的匝链关系，计算出磁链随时间的变化，进而得到永磁同步发电机空、负载时电压大小及波形。通过计算结果写实验结果对比，验证了齿磁通法的正确性，为计算永磁同步发电机各种性能特性提供有力工具。 最后，基于齿磁通法对永磁同步发电机的外特性进行了深入研究，定量分析了结构参数对外特性的影响规律，提出了有效降低电压调整率的方法的是：增加气隙长度g的同时，适当增加永磁体的磁化方向的长度hm；此外，要尽量的减少每相串联匝数N和增大导线面积以减小阻抗参数。通过改变电机的结构参数，对其电磁场进行计算，找到永磁电机电压调整率的变化规律，为加电励磁的混合励磁永磁电机做准备，达到稳定输出电压的目的。
上传时间： 2013-04-24
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电机是现代工业生产和日常生活最主要的原动力和驱动装置。电机一旦发生故障，会造成不同程度的经济损失和社会影响。因此研究不同场合、不同运行状态下电机故障诊断理论和相关技术具有很高的实用价值。 电机出现故障时，故障信号中往往含有大量的时变、短时突发性质的成分。因此可以通过检测、分析故障信号，获得电机的故障信息。传统的信号分析方法，如傅立叶变换，是一种纯频域分析，缺乏空间局部性，不能满足故障信号分析的要求。而小波分析和小波包分析法具有良好的时频局部性，能够将信号在任意频段进行划分，从而使在不同频段的各种故障特征信号更加容易被识别和提取。基于小波包分析处理非平稳信号的优越性，本文选用小波包分析对电机故障信号进行分析检测。 本文在研究了异步电机常见故障类型和诊断方法的基础上，详细分析了电机滚动轴承异常、转子断条、气隙偏心等故障原因，采用基于信号分析法中的振动诊断法和定子电流检测法，对电机滚动轴承故障、转子断条故障进行诊断。对于存在已知轴承故障的电机，在故障状态下采集到振动信号，利用峭度值计算和小波包分析相结合的方法，选用db3作为小波基，进行小波包分析，对包含有故障特征频率信息的信号进行重构，获得轴承故障特征频率，根据故障特征频率的数值和能量，确定出轴承故障的类型。应用小波包分析和FFT相结合的方法，选用Coif5为小波包基，检测转子断条故障特征频率。在此基础上，采集故障电机的振动信号和电流信号，并分别应用上述方法进行了仿真模拟实验，结果表明这些方法是准确可行的。 论文以DSP为核心，完成了电机故障诊断系统的硬件电路的设计，包括信号检测电路、调理电路，A/D转换电路等，并给出了主要的软件流程图。
上传时间： 2013-04-24
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20世纪90年代以来，为了缓解能源和环境对人类生活和社会发展的压力，世界各国都投入了大量资金开发电动汽车。在日本、美国、法国等汽车强国已经开发出一些商品化的电动汽车。我国在“十五”期间，国家电动汽车重大科技专项确立以燃料电池汽车、混合电动汽车、纯电动汽车以及相关的多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池及燃料电池等关键零部件研发。 与其它驱动电机相比，永磁同步电动机具有高效率、高功率密度和良好的控制特性，受到人们的普遍关注，越来越多地应用于电动汽车的驱动装置中。本文课题以印度REVA公司小型纯电动汽车驱动用永磁同步电动机及其控制器为研究对象，对永磁同步电动机本体及控制器硬件进行了比较深入的研究，设计并制作了永磁同步电动机试验样机以及基于TMS320LF2407A DSP的永磁同步电动机控制器，在此基础上展开了初步试验研究。 本文首先比较了当前常用电动汽车驱动电机的特点，并综述了电力电子和计算机控制技术在汽车驱动中的应用；然后分析永磁同步电机气隙磁场对电机性能的影响，针对电动汽车驱动电机的特点，提出了T形转子永磁同步电动机，不仅使永磁同步电动机的气隙磁场接近正弦同时解决了高速运行时磁钢的固定问题；同时，制作了基于TMS320LF2407A DSP和IPM模块的永磁同步电动机矢量控制器，并对控制器进行了驱动无刷直流电动机的负载实验和永磁同步电机的空载实验；最后，分析永磁同步电机矢量控制的数学模型，并建立了永磁同步电机的SVPWM驱动的仿真模型，进行了id=0的矢量控制系统仿真，研究了永磁同步电机参数对系统动态响应的影响。
上传时间： 2013-07-23
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高温超导（High Temperature Superconductor,HTS）磁阴电动机与传统磁阴电动机相比，能够以更小的体积和重量实现更大的输出功率、更高的功率因数和效率.国外有关超导磁阻电动机的研究目前还处于初级阶段，国内在这一领域更为滞后.论文以普通磁阻电动机的电磁关系为基础，结合超导材料特殊的电磁特性，初步提出了超导磁阻电动机电磁设计的一般原则;并尝试进行了一台额定功率为150W的内反应式HTS磁阻电动机的电磁设计.论文以实际设计的一台内反应式HTS磁阻电动机样机作为分析实例，基于第二类超导体临界态Kim模型和电磁场的有限元方法，提出了一般HTS磁阻电动机的内部磁场及交、直轴同步电抗的分析与计算方法.并在此基础上进一步研究了如何借助HTS磁阻电动机的电抗曲线分析HTS磁阻电动机的稳态工作特性.论文对常规磁阻电动机与HTS磁阻电动机进行了比较.计算结果表明，在电机尺寸、结构不变的前提下，超导磁阻电动机比常规磁阻电动机明显地提高了电机X/X值，因而以更小的尺寸获得了更大的输出转矩、更高的效率和功率因数，同时电机的稳定运行区间也有所增大.计算结果还表明，采用抗磁性更强的YBCO块材作为交轴阻磁介质，能够保证转子在获得较大的直、交轴磁阻差异的同时不必牺牲较大的极孤系数和气隙宽度，从而气隙磁密有较好的波形，电机具有较好的同步性能.论文也对几种具有相同定子但转子结构不同的HTS磁阻电动机做了比较，比较结果显示，ALA式HTS磁阻电动机比内反应式HTS磁阻电动机具有更大的输出转矩;当输出功率较大时，ALA结构的HTS磁阻电动机还比内反应结构具有更好的稳态工作特性.另外发现，thin-zebra ALA式HTS磁阻电动机的同步性能比thick-zebra ALA式HTS磁阻电动机更好.在进行内反应式HTS磁阻电动机的设计时，内反应槽既要尽量阻隔交轴磁通，又要分布的比较均匀，这样才能既获得足够的直、交轴同步电抗比，又削弱转矩脉动，从而最终改善电机的同步性能.
上传时间： 2013-04-24
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盘式永磁同步电动机属于轴向磁场电机，目前，该类电机在国外已经得到了迅速发展，作为一种现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机己广泛应用于机器人等机电一体化产品中。由于该类电机具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子无损耗、转子的转动惯量小、机电时间常数小、转矩/重量比大、低速运行平稳、可以制成多气隙组合式结构进一步提高转矩等特点，其在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合具有广阔的应用前景，是一种理想的驱动装置。 本课题作为国家863计划项目《新型稀土永磁电机设计及集成技术》2002AA324020中的一部分，该项目的主要工作是进行新型结构钕铁硼永磁电机——盘式无铁心永磁同步电动机的设计与集成技术研究，开发出一种新型钕铁硼永磁电机，解决相应的整机设计和集成技术问题。本文中提出的基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机是在盘式永磁同步电动机的基础上，将无铁心结构和Halbach型永磁体阵列应用到其中，从而使得电机的质量大为减轻，功率密度提高，振动噪声降低，效率提高。 基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机其磁路结构和电磁负荷分布与传统电机完全不同，常规电机的某些设计规则不能直接应用到该结构电机的设计当中，本文主要针对这种结构的电机进行了分析与计算。分析了不同结构Halbach阵列下的气隙磁场，以及相关参数的计算，给出了初步的样机设计数据，并对样机的加工工艺进行了探讨，在总结、借鉴相关电机设计方法的基础上，针对盘式无铁心永磁同步电动机自身的特点，编制了一套电磁计算程序，该程序还有待通过大量样机的试验，来总结和完善。 我国稀土资源丰富，然而，由于技术经济上的问题，国产永磁交流伺服电动机至今未能大量应用。与此同时，高性能的永磁交流伺服电动机及系统大量依靠进口，我国每年进口的工程装备当中，仅数控机床因国产电机和系统不能满足要求而每年需要进口的就达22亿美元以上。本项目的完成将改变这类产品主要依靠进口的局面，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，其经济效益和社会效益是十分巨大的。
上传时间： 2013-04-24
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盘式永磁同步电动机是一种性能优越、但结构特殊的电动机。作为一种理想的驱动装置，其应用范围遍及航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。本文利用稀土永磁材料钕铁硼的高矫顽力，提出了一种省却了铁心的双转子、单定子结构盘式无铁心永磁同步电机，进一步减轻了电机的质量并消除转矩脉动。 对电机的设计、性能预测都离不开电机电磁场的计算。不同于传统的圆柱式径向磁通电机，盘式无铁心电机是轴向磁通电机，外加其无铁心的结构，决定了该电机的磁场呈三维、开域分布。对它的电磁场分析，不能采用对待径向磁通电机的化为二维磁场的分析方法。 本文研究的重点内容分为两部分：(1)在盘式无铁心永磁同步电机的结构上，建立其磁场三维模型，由三维有限元法计算三维电磁场，分析计算结果，并总结出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布规律。 (2)在磁场计算的基础上，将Halbach型永磁体阵列的理论应用到磁钢设计中来，提出磁钢结构优化方案，研究出适合于盘式无铁心永磁同步电机的磁钢结构，以获得理想的磁场波形和磁密值。 本文首先从磁路计算的方法入手，通过磁路计算分析出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布特点。其后直接运用三维有限元法求解该电机的电磁场，分析计算结果。为了获得低漏磁、高气隙磁密值、正弦形的气隙磁场分布，本文先后提出普通轴向充磁磁钢结构、不等厚轴向充磁磁钢结构并将Halbach阵列的理论应用到盘式无铁心永磁同步电机的磁刚结构优化中，讨论了三种不同角度的Halbach型永磁体阵列。最后为了简化磁钢的加工工艺，将不等厚永磁体阵列与Halbach永磁体阵列相结合，提出了最经济、有效的改进型Halbach永磁体阵列，给出具体磁钢尺寸，并运用ANSYS软件对各种磁钢结构产生的磁场进行结果仿真。
上传时间： 2013-06-23
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