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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论文分析了混合式步进电动机的工作原理和运行特性。采用简化的磁网络模型，推导了建立二相混合式步进电机数学模型的关系式。并对步进电机的多种驱动技术进行了详细的研究，着重分析和论述了正弦脉宽调制细分驱动技术。文中对整个系统的结构、硬件电路设计及驱动软件编程进行了研究和实现，并给出了系统性能实验结果。 步进电机的使用离不开步进电机驱动器，驱动器的优劣影响着步进电机的运行性能。传统的驱动方式侧重于使步进电机绕组电流以尽可能短的时间上升到额定值，以提高电机高速运行时的转矩，一般步距角较大，且造成低速运行时的振动和噪声加大。针对此问题，开发出一种新型的基于单片机的多细分二相混合式步进电机驱动器。该驱动器以二相混合式步进电动机的静态和动态运行特性为出发点，主要分为数字控制部分、GAL片逻辑综合信号处理单元、SG3525恒流控制电路、驱动功放电路、过流保护及反馈电路和系统供电电源模块等。采用专用集成芯片和可编程逻辑器件，以8位单片机AT89C51为控制核心，实现恒流控制、正／反转运行、过流保护和多档位细分等功能。在器件选型和软、硬件设计方面兼顾了性能与成本等因素，性价比较高且通用性强。 该驱动器样机已完成制作并进行了联调测试，文中给出了测试结果并对所测波形进行了分析。实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，各项技术指标均达到了设计要求。它与混合式步进电动机配套可以明显地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域。
上传时间： 2013-06-07
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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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电力变压器是电力系统中及其重要的电气设备，它的安全运行直接关系到电力系统的稳定。变压器长期在电网中运行会发生各种故障和事故，一旦遭到破坏，损失巨大。通过预防性试验和油中溶解气体的气相色谱分析结果判断变压器的绝缘状况，对防止事故的发生有很大作用，但定期的预防性试验可能出现过多的维修和不必要的停机，又不能及时发现故障；而变压器在线监测可以及早发现变压器故障，避免事故的发生，而且可以降低维护成本。 变压器中最常发生故障的部位是绕组，它的损坏率约占整个变压器故障的60％～70％。诊断绕组变形的方法中，频率响应法、阻抗分析法、低压脉冲法虽然有可取之处，但是都属于离线方法，不能及时发现变压器的故障，不适于在线测量；通过实时计算变压器绕组短路电抗来在线诊断变压器故障是一种有效的在线监测方法。 本文根据变压器绕组的短路电抗在正常运行时不发生变化，而在变压器内部故障时要发生变化的特性，应用辩识理论，利用变压器三相电压、电流的测量值来辨识绕组的短路电抗。把辨识结果对比正常时的三相绕组的短路电抗，可以发现绕组是否异常及故障发生的部位，保证变压器元件得到及时更换，防止变压器非正常退出运行。 本文采用傅立叶算法来计算变压器三相电压、电流采样信号的基波分量的幅值与相角，实现变压器绕组的参数辨识，此时并没有考虑衰减直流分量。经过分析，当采样信号中存在衰减直流分量时傅立叶算法就会产生误差，而递推最小二乘法和卡尔曼滤波效果很好。 最后本文介绍了变压器绕组参数辨识的实际应用与误差分析，分析了系统中软件、硬件方面的问题对测量短路电抗造成的影响；以及参数辨识的软件设计和运行试验，验证了方案的可行性。
上传时间： 2013-07-29
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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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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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选相控制开关又称同步开关或相控开关，其实质就是控制开关在电压或电流的期望相位完成合闸或分闸，以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高开关的开断能力。本论文以电力系统的无功补偿为背景，分析了随机投切电容器组的暂态过程所带来的各种危害，从而提出选相投切技术；本文以真空开关选相投切电容器组为研究对象，着重介绍了电容器组选相投切技术的相关理论，给出了电容器组选相投切的控制策略，为同步开关选相控制器的设计提供了理论依据。 双稳态永磁机构结构简单、动作稳定可靠，其出力特性能与真空开关良好匹配，在中压领域得到越来越广泛的应用。相控真空开关采用三相独立操动的双稳态永磁机构，其操作电源为由大功率电力电子器件控制的储能大容量电容器，通过多次的测试结果表明双稳态永磁机能很好地满足相控开关的要求，是相控开关的理想选择。 IPM(智能功率模块)作为一种新型的大功率开关器件，以其设计简单(内置驱动和保护电路)，低功耗，开关速度快等特点成为越来越多设计者的首选，得到了越来越广泛的应用。本文讨论了IPM在选相投切电容器组中的相关逻辑控制策略，光耦隔离驱动，IPM过流、过热相关保护等内容，设计了以DSP(TMS320LF2407A)为核心的永磁机构同步控制系统，实时采集电网信号，经过FIR数字滤波提取零点，通过IPM控制大容量电容器放电来驱动永磁机构，实现断路器在期望相位上分断或关合以减小暂态冲击，并保证储能电容器的一次储能完成一次完整的O-C-O操作。 通过相关试验测试，表明本系统已经初步达到了设计所要达到的预期效果，为以后的研究以及同步控制控制系统的完善和优化提供了有益的经验和参考。
上传时间： 2013-04-24
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v无刷直流电动机具有结构简单、可靠性高、维护方便、运行效率高和调速性能好等优点，随着微处理器技术、电力电子技术、控制理论，以及低成本、高磁能积永磁材料的发展，得到越来越广泛的应用。无刷直流电动机采用无位置传感器控制，电动机结构更加简单，应用范围扩大，相对于有位置传感器控制优势明显。本论文围绕无刷直流电动机的无位置传感器控制进行较为系统和深入的研究。 首先，论文从基本电磁定律出发，在分析无刷直流电动机结构和工作原理的基础上，建立了无刷直流电动机的数学模型，为分析无刷直流电动机无位置传感器控制奠定基础。 其次，根据无刷直流电动机反电势过零检测原理，对反电势过零检测法的各种实现方法进行研究，比较各种实现方法的优缺点，指出它们的适用范围。在此基础上，给出带通滤波法及其简化电路形式，提出使用带通滤波器获取反电势三次谐波的方法。论文将直流电源负端电压作为带通滤波法和带通滤波三次谐波法的参考电平。 论文对无刷直流电动机无位置传感器控制中的关键问题-起动方法进行研究，在详细分析“三段式”起动方法的实现过程的基础上，给出了从外同步到自同步平稳切换的条件。论文在研究无刷直流电动机无位置传感器控制换相方法的基础上，提出了一种新的换相方法，提高了电动机运行平稳性和系统稳定性。在带通滤波三次谐波法中使用该换相方法，无需对三次谐波积分即可得到换相时刻。 滤波器是反电势法中反电势过零检测电路的重要组成部分。论文在分析无刷直流电动机端电压信号特点的基础上，给出滤波电路的技术要求，根据滤波器基本设计原理，分别对一阶RC无源带通滤波器和二阶RC有源低通滤波器进行电路设计和参数计算，并通过实验验证理论分析和仿真结果。这些为通过检测反电势过零点获得可靠的换相信号创造了条件。 论文还分析了无刷直流电动机无位置传感器控制中产生转子位置检测误差的原因，提出了相应的校正方法。通过分析无刷直流电动机的换相过程，建立了换相状态的等效电路和数学模型，研究了转子位置误差引起的电动机超前、滞后换相现象，及其由此产生的非导通相环流，在理论分析的基础上，进行了仿真计算，并与实验结果对照分析。 功率器件的功率损耗分析在逆变器设计和提高控制系统的可靠性方面具有重要作用。论文构建了由IGBT组成的简化逆变器模型，并进行仿真研究。针对不同的开关频率和栅极电阻，定量计算了IGBT开关过程中各阶段的功率损耗，给出了变化规律，对逆变器的设计具有重要的指导意义。最后，论文研制了基于反电势过零检测法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，控制系统由硬件和控制软件两部分组成。硬件部分包括主电源整流滤波电路、控制电源电路、反电势过零检测电路、驱动和逆变电路以及保护电路等，控制软件包括电动机起动模块(包括定位、加速、切换)、电动机运行控制模块(包括过零检测及校正、换相)和各保护功能模块。对系统进行了调试，并对论文中所分析和提出的各种方法进行了相关的实验研究，给出了实验结果。
上传时间： 2013-06-06
上传用户：yezhihao
随着世界范围内的能源危机越来越严重，每个国家都投入了极大的热情开发新型节能型产品，而且整个社会的节能意识越来越高。我国2005年广东发生的油荒现象已经造成了局部能源恐慌，所以节能问题受整个社会关注的程度越来越高。 我国传统螺杆泵采油系统的地面驱动部分采用异步电机加变速箱，长期以来存在“大马拉小车”现象，系统效率和经济效益低下，耗能非常严重。 永磁无刷直流电机在进入21世纪后，以其较高的效率和优异的控制性能保持较高的发展势头，已广泛用于社会生活的方方面面，如比家电行业，汽车行业和工业控制等等。 本文基于ST7MC设计了应用于油田螺杆泵的永磁无刷直流电机驱动系统。通过大量的资料和文献阅读，首先从无刷直流电机的结构和原理开始介绍，在建立无刷直流电机的数学模型基础上，对整个控制系统的硬件和软件结构进行了详细说明，给出了正弦波控制策略的频率和相角估算方法。 基于本控制系统的设计方案完成的6.5KW无刷直流电机控制系统已经成功在油田上试运行，通过大量的负载试验和井上运行试验验证了该系统达到了较高的系统的效率和经济效益。并取得了预期的节能效果。
上传时间： 2013-04-24
上传用户：西伯利亚狼
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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