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为设计高性能、低损耗的电机，需要准确地分析电机铁耗。本文从铁磁材料的磁化特点出发，以分离铁耗模型为基础，对交变磁化以及旋转磁化条件下铁磁材料和电机的铁耗进行分析和计算，分别从理论和实践角度着重就电机铁耗计算和测量中的一些相关问题作了深入研究。 按照分离铁耗模型，铁心损耗可以分成磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗。本文首先从交流磁滞回线的产生机理出发，在Preisach静态磁滞模型的基础上，利用极限磁滞回线的对称性，采用人工神经网络技术，建立了Preisach人工神经网络磁滞仿真模型，实现了对铁磁材料交流磁滞回线的理论计算，为磁滞损耗的理论分析和计算奠定了基础；为对交流磁滞回线进行实测，本文给出了一种采用爱泼斯坦方圈测量铁磁材料交流磁滞回线与磁滞损耗的新方法，该方法克服了环形样片测量法的不足，操作简单，且测量精度高，具有较好的实用价值。利用该方法得到的实验数据很好地验证了理论计算结果。 对涡流损耗以及异常损耗的计算模型，本文系统地给出了其推导过程，对模型中的参数进一步加以明确，并对模型的特点进行了分析。铁磁材料异常损耗计算模型是基于统计学原理推导而来的，模型中参数的确定涉及到铁磁材料的微观特性，本文给出了通过实验确定其参数的具体方法；考虑到工程中异常损耗计算模型是其理论模型的简化形式，文中对两者的差别进行了分析。 在分析电机铁耗时，既要考虑铁心材料本身的损耗特性，也要考虑电机供电方式以及铁心中磁场变化等因素对铁耗的影响。在对铁磁材料损耗特性分析的基础上，本文考虑到局部磁滞回环对电机铁耗的影响，推导了计及局部磁滞作用的电机铁耗模型，并从理论上对C.P.Steinmetz的磁滞损耗经验公式进行了验证，从而明确了公式中经验系数的物理意义；同时通过实验研究，分析了磁化频率对磁滞损耗系数的影响，提出了在磁化频率较高时分段确定磁滞损耗系数的方法；考虑到现代电机控制策略以及供电方式的多样性，本文对正弦波、方波以及三角波电压供电时铁心材料的交变铁耗模型分别进行了推导，给出了其解析表达式，并通过实测证明了模型的有效性；对SPWM这类应用较为广泛的非正弦供电方式，推导了电机交变损耗的一般计算模型，分析了SPWM变频器供电时电机铁耗与变频器参数的关系，给出了其关系的数量表达式; 同时采用改进的爱泼斯坦方圈试验平台对非正弦供电条件下的铁磁材料损耗和电机铁耗进行了实验研究。 考虑到电机铁心制造过程中冲压对铁心材料特性的影响，本文提出了一套简便的对铁磁材料进行冲压影响研究的实验方法，利用该方法，有效地对材料的冲压影响特性进行了分析。在实验研究的基础上，本文推导了考虑冲压影响时的铁磁材料损耗的修正系数，从而在传统交变铁耗分离模型的基础上，建立了计及冲压影响的电机铁耗计算模型。对模型中引入的冲压影响修正系数，给出了详细的推导过程和明确的计算方法，从而使传统的经验修正方法得到改善。 在旋转电机中，除交变磁化外，同时还存在大量的旋转磁化。本文对旋转磁化的物理机理进行了初步探讨，分析了旋转磁化条件下的损耗特点，系统介绍了当前铁磁材料旋转磁化性能以及旋转磁化损耗实验测量和理论计算的方法和手段。 在以上铁耗理论的基础上，充分考虑铁心的非线性及磁滞特性，本文建立了一般条件下的铁心动态电路模型，并将该模型应用于异步电动机铁心等效电路中，推导了异步电动机动态铁耗的分离等效电阻。以一台三相异步电动机为样机，采用以上铁耗的动态分离等效电阻，有效地对电机铁耗进行了分离，从而为深入研究电机的动态铁耗特性提供了便利。 论文最后以一台永磁无刷直流电机为例，对电机的运行特性以及铁心损耗进行了分析计算。分析中应用场路结合法，建立了永磁无刷电机换流等效电路模型，采用镜像法建立了深槽无刷电机电枢反应分析模型；在电机铁耗分析中，推导了考虑旋转磁化的电机铁耗工程计算模型，对样机铁耗进行了理论计算，并通过构建实验平台，对旋转磁化条件下的样机空载铁耗进行了测量，最终理论值与实测值吻合良好，证明了上述方法的有效性。
上传时间： 2013-07-01
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微机电系统（MEMS）器件的构成涉及微电子、微机械、微动力、微热力、微流体学、材料、物理、化学、生物等多个领域，形成了多能量域并交叉耦合。为其产品的建模、仿真以及优化设计带来了较大的难度。由于静电驱动的原理简单使其成为MEMS器件中机械动作的主要来源。而梳齿结构在MEMS器件中有广泛的应用：微谐振器、微机械加速度计、微机械陀螺仪、微镜、微镊、微泵等。所以做为MEMS的重要驱动方式和结构形式，静电驱动梳齿结构MEMS器件的耦合场仿真分析以及优化设计对MEMS的开发具有很重要的意义。本课题的研究对静电驱动梳齿结构MEMS器件的设计具有较大的理论研究意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1、采用降阶宏建模技术快速求解静电梳齿驱动器静电－结构耦合问题，降阶建模被用于表示微谐振器的静态动态特性。论文采用降阶建模方法详细分析了静电梳齿驱动器的各参数对所产生静电力以及驱动位移的关系；并对静电梳齿驱动器梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟，深入讨论了边缘效应的影响；还对微谐振器动态特性的各个模态进行仿真分析，并计算分析了前六阶模态的频率和谐振幅值。仿真结果表明降阶建模方法能够快速、准确地实现多耦合域的求解。 2、从系统角度出发考虑了各个子系统对叉指式微机械陀螺仪特性的影响，系统详细地分析了与叉指状微机械陀螺仪性能指标－灵敏度密切相关的结构特性、电子电路、加工工艺和空气阻尼，并在此分析的基础上建立了陀螺的统一多学科优化模型并对其进行多学科优化设计。将遗传算法和差分进化算法的全局寻优与陀螺仪系统级优化相结合，证实了遗传算法和差分进化算法在MEMS系统级优化中的可行性，并比较遗传算法和差分进化算法的优化结果，差分进化算法的优化结果较大地改善了器件的性能。 3、从系统角度出发考虑了各个子系统对梳齿式微加速度计特性的影响，在对梳齿式微加速度计各个学科的设计要素进行分析的基础上，对各个子系统分别建立相对独立的优化模型，采用差分进化算法和多目标遗传算法对其进行优化设计。证实了差分进化算法和多目标遗传算法对多个子系统耦合的系统级优化的可行性，并比较了将多目标转换为单目标进行优化和采用多目标进行优化的区别和结果，优化结果使器件的性能得到了改善。
上传时间： 2013-05-15
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