电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究
目录
摘要 (3)
Abstract (4)
第一章绪论 (5)
1.1电励磁双凸极电机的发展 (5)
1.2飞机发电系统的发展 (6)
1.3课题研究的目的和内容 (6)
第二章电励磁双凸极电机 (7)
2.1 电励磁双凸极电机的结构 (7)
2.2 电励磁双凸极发电机的数学模型 (7)
2.3 发电运行工作原理 (8)
第三章电磁场有限元分析简介 (11)
3.1 电磁场基本理论 (11)
3.1.1 麦克斯韦方程 (11)
3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 (12)
3.1.3 电磁场中常见的边界条件 (13)
3.2 电磁场求解的有限元法 (14)
3.2.1 一维有限元法 (14)
3.2.2 电磁场解后处理 (16)
第四章电励磁双凸极电机模型的建立 (17)
4.1 建模工具的探讨 (17)
4.2 电机模型的建立 (17)
4.2.1 定转子模型 (17)
4.2.2 绕组模型 (18)
4.2.3 电机材料的分配 (19)
4.2.4 励磁电流方向和大小的判定 (19)
4.2.5 相绕组电流方向和大小的判定 (20)
4.2.6 给定边界条件 (21)
4.2.7 其它条件的设定 (22)
第五章电励磁双凸极电机的静态特性 (23)
5.1 双凸极电机的空载磁链与电势 (24)
5.2 空载特性 (25)
5.3 负载特性 (27)
第六章总结与展望 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附录 (31)
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究
摘要
电励磁双凸极电机是一种较为新型的电机，本文研究的是12/8极电励磁双凸极电机，首先简要介绍了电机的基本结构、工作原理和数学模型，并给出了电磁场有限元分析的理论依据，在此基础上建立了Ansoft模型，利用二维电磁场有限元的方法分析了其静态特性，得出了其空载和负载特性。
本文在研究电机性能的同时，对Ansoft仿真软件也进行了比较详细的探讨，在没有具体资料的情况下，对该软件有了初步的认识。
关键词：电励磁双凸极电机，有限元，Ansoft
modeling and simulation of doubly salient machine with field
excitation
Abstract
This dissertation focuses on the basic theory of a novel 12/8-pole doubly salient machine with field excitation, which is a new type recently. First, the configuration, the basic principles and the nonlinear modeling of this machine are analyzed. And the theory of electromagnetic field is given. Then,the static characteristics of the doubly salient machine with field excitation (DSEM) are carried out based on two-dimensional (2D) finite element analysis (FEA).
This text has carried on more detailed discussion to Ansoft artificial software while studying performance of the electrical machinery, understanding that this software is preliminary.
Key words: doubly salient machine with field excitation, finite element analysis, Ansoft
第一章绪论
1.1电励磁双凸极电机的发展
在上世纪80年代，新的调速电机——开关磁阻电机正式得到国际社会的承认[1]。开关磁阻电机的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，其转子上无任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子结构简单、坚固，所以特别适合高速运行，其定子上只有集中绕组，制造工艺简单。因此，开关磁阻电机以其调速性能好，结构简单，效率高，制造成本低廉等诸多优点，得到了迅速的发展，并在许多场合得到应用,但其发电运行时需要配功率变换器使用。
1992年，美国著名电机专家T.A.Lipo等人在对开关磁阻电机深入研究的基础上，提出在开关磁阻电机定子上(或转子上)增加一套简单的励磁装置，如永磁体，并进行了初步的理论和实验研究[2]。此后英国、法国和德国等国也相继开展了此种电机及其控制系统的研制工作。改进后的电机在结构上与原开关磁阻电机类似，仍呈双凸极结构，故称为永磁式双凸极电机(DSPM)。由于附加了永磁磁场，永磁式双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩控制特性和系统控制规律等方面与开关磁阻电机相比较有较大的区别：在控制上，与无刷直流电机近似；在性能上，与直流电机调速系统相近。
双凸极电机由于全周期内出力，力矩/电流比大。国外初步研究表明，在额定功率相同、外形尺寸基本一致的情况下，双凸极电机的力矩/电流比是永磁无刷直流电机的1.7倍，开关磁阻电机的1.6倍，同步电机的1.2倍，感应电机的3.2倍；力矩/惯量比是永磁无刷直流电机的5.8倍，开关磁阻电机的1.4倍，同步电机的3.6倍，感应电机的10倍[3]。
永磁式双凸极电机的不足之处在于：(1)由于采用了永磁材料，电机高温运行能力降低，削弱了开关磁阻电机原有的高温能力强的优势；(2)不能用作无刷起动发电机(起动发电机在发动机起动时，作为无刷直流电动机工作，起动结束后作为发电机运行)，因为励磁磁场由永磁材料提供，发电时调压困难，且没有故障灭磁能力。
1998年南京航空航天大学航空电源重点实验室在永磁式双凸极电动机的基础上，提出了一种新型电励磁双凸极无刷直流电机，并申请了国家发明专利[4]。电励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机基础上，用电励磁代替原电机的永磁结构，这种新型电机可作为发电机运行，
也可作电动机使用。
电励磁双凸极电机具有下列特点：(1)励磁转矩大于磁阻转矩，且与电枢电流和励磁电流成正比，在电感上升与下降区分别通以正负电流时，电机均产生正转矩；(2)不存在电刷和滑环；(3)转子结构简单坚固，可高速运行；(4)发电运行不需位置传感器和可控功率变换器，调节励磁电流可实现调压，断开励磁电路灭磁，可实现电机系统故障保护。
电励磁双凸极电机以其独特的结构和优良的电气性能正成为一种应用前景看好的新型电机，可望成为一种有竞争力的新型无刷电机。
1.2飞机发电系统的发展
飞机电源系统从28V低压直流，到400Hz 115/200V恒速恒频交流，到变速恒频交流，发展到270V高压直流。相应的飞机发电系统也经历了从28V低压直流发电系统，400Hz 115/200V恒速恒频交流发电系统，变速恒频交流发电系统，到270V高压无刷直流发电系统[5]。
低压直流电源由于发电容量、电网重量和电能变换装置效率低等主要缺点，只能适合于小型飞机。恒速恒频交流电源目前得到了广泛使用，但恒速传动装置结构复杂，维护性差和效率低，限制了它在高性能飞机上的使用。变速恒频电源由于电能的二次变换，效率也不能进一步提高。同时交流电源难于实现不中断供电，不适合于计算机、飞控、电传和发动机控制系统等要求不中断供电的设备使用。高压直流电源与交流电源相比具有电网重量轻、270伏高压直流电对人体的危害比115/220伏交流电小、主电源和二次电源内部的损耗小效率高、通过反流保护二极管实现并联，主电源故障不会导致供电中断的优点。高压直流电源和固态配电系统的结合，完美地实现了电能供给的余度、容错和不中断，为21世纪先进飞机的发展创造了条件[6]。
1.3课题研究的目的和内容
电励磁双凸极电机作为一种新型的电机，具有优良的电气性能，正得到越来越多的关注，对它的研究有着非常重要的意义。本文利用MATLAB和Ansoft对电励磁双凸极电机的各种特性进行了仿真研究。
主要研究内容如下：
第二章主要介绍电励磁双凸极电机的结构，数学模型和发电工作原理
第三章简要阐述了有关电磁场的基本理论和有限元分析的依据
第四章详细介绍利用Ansoft对电机建模的过程
第五章利用建立的模型仿真出电机的静态特性
第二章 电励磁双凸极电机
双凸极电机是一种新型的电机，其结构简单、控制灵活、动态响应快、功率密度高使之成为继开关磁阻电机之后又以全新的研究方向。电励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机基础上发展起来的一种新型无刷电机，发电运行时不需要知道转子位置信号。
2.1 电励磁双凸极电机的结构
图2-1 电励磁双凸极电机截面图
电励磁式双凸极电机的基本结构与开关磁阻电机类似，其定、转子均为凸极齿槽结构，定子和转子铁芯均由硅钢片迭压而成，但定子上除装有集中电枢绕组相外，还有励磁绕组，转子上无绕组，空间相对的定子齿上的绕组串联构成一相。按相数和极对数来分，电励磁式双凸极电机有单相4/6极、8/12极或三相6/4极、12/8极或四相8/6极、16/12极等。图2－1是12/8极电励磁双凸极电机截面图。转子极弧等于定子极弧，均为定子齿距的1/2，定转子极弧取12
机械角，从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅保证电机励磁绕组所匝链的磁链将不随转子位置角θ而改变，励磁绕组不会产生感应电势，而且电机静止加励磁时无定位力矩，另外任一相定子绕组所交链的互感磁链仅与该相磁导成正比。
转子极弧稍大于定子极弧，对于电励磁双凸极电机来说使其相绕组自感和相绕组与励磁绕组的互感是转角的一个分段线性曲线，电机励磁绕组的自感视为常数，如图2－2所示。
min
p L p L pf L pf L )(θL f
L 图2－2 双凸极电机电感的分段线性曲线
2.2电励磁双凸极发电机的数学模型
双凸极发电机的数学模型包括磁链方程、电压方程等。这些数学模型描述了双凸极发电机的主要物理量之间的关系，是双凸极发电机理论研究的基础。
(1) 磁链方程为：
][][][I L ⋅=ψ
(2-1)
式中各参量分别为：
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b a ψψψψψ][，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=f fc fb fa cf c bf b af a L L L L L L L L L L L 000000][，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b a i i i i I ][
(2) 电压方程为： dt
L d I dt I d L I R U ][][][][][][][⋅+⋅+⋅= (2-2)
其中
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b a U U U U U ][，[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=f c b a R R R R R
2.3发电运行工作原理 电励磁双凸极电机转子上无绕组，无电刷和换向器，而且发电工作时也不需要位置传感
器和功率变换器，其结构简单，可靠性高，寿命长，维修方便，制造工艺也很简单，电机寿命仅由轴承寿命来决定。
电励磁双凸极电机作为发电运行时，由于发出的三相电势波形不规则，并且三相电势具有不对称性，因此三相绕组通常外接三相全桥整流电路,如图2－3所示，作为无刷直流发电机。
图2－3发电运行外接全桥整流电路 图2－4电励磁双凸极电机磁场分布 其基本工作原理是，当励磁绕组通有恒定电流时，在电机内产生的磁通将经过定子轭部、定子齿部、气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合磁路，如图2－4所示。外加机械力传动转子使其按某一方向旋转时，由于每相电枢绕组所匝链的磁链发生变化，绕组将感应电动势，当绕组与外接负载连接时，则电机发电，向负载输送电能。当负载或转速变化时，可通过调压器调节励磁绕组的电流大小来维持恒定电压输出。电枢电流所产生的磁场在前半周为去磁，后半周为增磁，由于磁路饱和的影响，总的电枢反应为去磁反应。以发电机的电流电压参考方向为准，电枢绕组的电压方程为：
dt dL i dt di L dt dL i dt di L i R Up pf f f pf p p p p p p ++---= (2-3)
假设稳态时励磁电流不变，同时忽略电机内阻，电枢电压方程为：
dt dL i dt dL i dt di L Up pf f p p p p
+--= (2-4) 其中dt di L e p p
pt -=是由于电枢电流变化引起电枢磁链变化而感应的电势，称变压器电势；dt dL i e pf
f pr -=是由于转子位置变化，励磁磁链随之变化而在电枢绕组中感应的电势，称励磁
电势；dt dL i e p
p
pe -=是由于转子位置变化，电枢绕组闭合磁路磁阻随之变化，由电枢电流产
生的磁链变化并在绕组上感应的电势，称磁阻电势。
励磁电势和磁阻电势是由于电机转子转动产生的，是运动电势，它们与电机的机电能量转换直接相关。图2－5画出了在励磁电流和输出电流恒定条件下励磁电势和磁阻电势相对各相电感的波形。励磁电势为交流量，它的幅值与励磁电流成正比。磁阻电势为直流量，它与电枢电流成正比。
(a)各相励磁电势(b)各相磁阻电势
图2－5 双凸极电机运动电势示意图
电励磁双凸极发电机空载时相电流为零，这时变压器电势和磁阻电势均为零，只有励磁电势起作用。加载后，电机输出电压还要受到电机变压器电势和磁阻电势的影响。
第三章 电磁场有限元分析简介
这一章将对电磁场的基本理论、电磁场有限元求解作简单的介绍，简要给出了电磁场方程以及有限元求解的基本方法，这章的分析将为第四章的建模提供一定的帮助。
3.1 电磁场基本理论
3.1.1 麦克斯韦方程
电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就是对麦克斯韦方程组的研究，包括这个方程的求解与实验验证。麦克斯韦方程组实际上是由四个定律组成，它们分别是安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律（亦简称高斯定律）和高斯磁通定律（亦称磁通连续性定律）[7]。
安培环路定律
无论介质和磁场强度H 的分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径的线积分等于穿过改积分路径所确定的曲面Ω的电流的总和，或者说该线积分等于积分路径所包围的总电流。这里的电流包括传导电流（自由电荷产生）和位移电流（电场变化产生）。如3-1
⎰Γ⋅l d H ＝S d t D J ⋅∂∂+⎰⎰Ω)( (3-1)
这里Γ为曲面Ω的边界，J 为传导电流密度矢量（上标箭头表示矢量，下同A/m 2），t D
∂∂为位移电流密度，D 为电通密度(C/m 2)。
法拉第电磁感应定律
闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正比。用积分表示则为：
S d t B l d E ⋅∂∂-=⋅⎰⎰⎰ΩΓ
(3-2) E 为电场强度(v/m)，B 为磁感应强度(T 或Wb/m 2)
高斯电通定律
在电场中，不管电解质与电通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的电通量等于这一闭合曲面所包围的电荷量，这里指出电通量也就是电通密度矢量对此闭合曲面的积分。该定律的积分形式可表达如下：
⎰⎰⎰⎰⎰=⋅S v dv S d D ρ
(3-3) ρ为电荷体密度(C/m 3)，V 为闭合曲面S 所围成的体积区域。
高斯磁通定律 磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的磁通量恒等于零，这里指出磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向积分。高斯磁通定律的积分形式为：
0=⋅⎰⎰S S d B (3-4)
方程(3-1)至(3-4)便构成了描述电磁场的麦克斯韦方程组。对上述四个积分方程，我们有必要指出它们描述电磁场时的侧重：(3-1)表明不仅传导电流能产生磁场，而且变化的电场也能产生磁场；(3-2)为推广的电磁感应定律，表明变化的磁场亦会产生电场；(3-3)表明电荷以发散的方式产生电场；(3-4)说明磁力线是无头无尾的闭合曲线。这组麦克斯韦方程表明了变化的电场和变化的磁场间相互激发、相互联系形成统一的电磁场。
(3-1)至(3-4)方程还分别有自己的微分形式，也就是微分形式的麦克斯韦方程组，它们分别对应(3-5)至(3-8)：
t
D J H ∂∂+=⨯∇ (3-5) t
B E ∂∂-=⨯∇ (3-6) ρ=⋅∇D
(3-7) 0=⋅∇B
(3-8)
3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 电磁场的计算中，经常对上述这些偏微分进行简化，以便能够用分离变量法、格林函数法等解得电磁场的解析解，其解的形式为三角函数的指数形式以及一些用特殊函数（吐贝塞尔函数、勒让得多项式等）表示的形式。但工程实践上，要精确得到问题的解析解，除了极
个别情况，通常是很困难的。于是只能根据具体情况给定的边界条件和初始条件，用数值解法求其数值解，有限元法就是其中最为有效、应用最广的一种数值计算方法。
矢量磁势和标量电势
对于电磁场的计算，为了使问题得到简化，通过定义两个量来把电场和磁场变量分离开来，分别形成一个独立的电场或磁场的偏微分方程，这样便有利于数值求解。这两个量一个是矢量磁势A （亦称磁矢位），另一个是标量电势Φ，它们的定义如下：
矢量磁势定义为：
A B ⨯∇=
(3-9)
也就是说磁势的旋度等于磁通量密度。而标量电势可按(3-10)定义： φ-∇=E
(3-10)
电磁场偏微分方程 按(3-9)和(3-10)定义的矢量磁势和标量电势能自动地满足法拉第电磁感应定律和高斯磁通定律。然后再应用到安培环路定律和高斯电通定律，经过推导，分别得到了磁场偏微分方程(3-11)和电场偏微分方程(3-12)：
J t
A A μμε-=∂∂-∇222 (3-11) ερφμεφ-=∂∂-∇222t (3-12)
μ和ε分别为介质的磁导率和介电常数，∇2为拉普拉斯算子：
(2222222z y x ∂∂+∂∂+∂∂=∇ (3-13)
很明显式(3-11)和(3-12)具有相同的形式，是彼此对称的，这意味着求解它们的方法相同。至此，我们可以对方程(3-11)和(3-12)进行数值求解，如采用有限元法，解得磁势和电势的场分布值，然后再经过转化（即后处理）可得到电磁场的各种物理量，如磁感应强度、储能。
3.1.3 电磁场中常见边界条件
电磁场问题实际求解过程中，有各种各样的边界条件，但归结起来可概括为三种：狄利克莱(Dirichlet)边界条件、诺依曼(Neumann)边界条件以及它们的组合。
狄利克莱边界条件可表示为：
)(|Γ=Γg φ
(3-14)
其中Γ为狄利克莱边界，g(Γ)是位置的函数，可以为常数和零。当为零时称此狄利克莱边界条件为其次边界条件，如平行电容器的一个极板电势可假定为零，而另一个假定为常数，为零的边界即为其次边界条件。
诺依曼边界条件可表示为：
)(|)(|Γ=Γ+∂∂ΓΓh f n
φφ (3-15) 其中Γ为诺依曼边界，n 为边界Γ的外法线矢量，
)(Γf 和)(Γh 为一般函数（可为常数
和零）。当为零时为其次诺依曼条件。 实际上电磁场微分方程的求解中，只有在边界条件和初始条件的限制时，电磁场才有确定解。鉴于此，通常称求解此类问题为边值问题和初值问题。
3.2电磁场求解的有限元法
可以这样描述有限元法：把求解的区域划分成若干小区域，这些小区域称为“单元”和“有限元”，从而采用线性（当然也可以采用非线性）方法求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和便得到了整个区域的解。整体区域划分成小区域后，在小区域上求解变得非常简单，仅是一些代数运算，如在小区域内应用线性插值就得到小区域内未知点的值，而区域积分变成了小区域的求和。为了使有限元中的基本概念更加便于理解，下面以一维有限元法为例简单介绍有限元法的基本原理。
3.2.1 一维有限元法
图3-1为一个无限大平行板电容器，该电容器的两极板间充有电荷密度ερ=的自由电荷，并假设极板都接在电压为u 的电源上，极板距离为2d 。很明显，电容器的激励和几何形状都对称于y 轴，并且不难知道电场中电力线垂直穿过y 轴，使电势在对称轴上沿x 方向的变化率为零，于是这种对称结构可用齐次诺依曼边界条件来表示。描述这个平行板电容器静电场的微分方程为(3-16)：
12-=∇φ x ),0(d ∈
u x ==1|φ
0|0=∂∂=x n
φ (3-16) 这里φ实际上仅为x 的一元函数，第一个方程右边为-1是因为激励电荷密度ερ
=的结
果。
图3-1 平行板电容器示意图
下面结合上述平行板电容器的一维静电场求解问题详细介绍有限元法。将平行板电容器的电势分布问题简化为如图3-1所示的一维边值问题，静电场用式(3-16)描述。有限元法求解的第一步式划分单元，即把整体区域划分成若干小区域（或单元）。这里我们把（0，d ）区间分割成五单元，分别记为单元e1，e2，e3，e4和e5。划分过程中1、2和3单元较小，也就是说在这个区域内单元较密，这也体现了划分单元疏密适当的思想。通常划分的区域越多，则解的精度越高，当然计算量也就越大，计算时间也越长。划分单元的大小可以不同，视具体情况而定，如场分布比较密，那么采用较小的单元以更多的单元划分密的区域。划分后的区域，由不同的尺寸的四个单元和五个节点表示，如图3-2(a)。每个节点上的电势值分别记为4321,,,φφφφ和5φ。而每个单元由相邻两个节点所限定，单元中的值采用单元节点值进行线性插值得到，如图3-2(b)。
d/101234561φ2φ3φ4φ5φ6φ 1-i X i X 1+i X 2+i X i
φ1+i φe φ
(a) 区域和单元 (b) 有限元线性插值原理
图3-2 一维静电场问题的区域和单元 最后计算结果为（具体过程可参见有关文献[12]）：
2004743521d u d u --=φ， 25
64352
2d u d u --=φ
521523d u d u --=φ， 50
752
4d u d u --=φ 502
5d u -=φ， u =6φ
注意结果中没有考虑各个物理量的单位。从解得的近似节点电势值，利用先前介绍的节点间线性插值，便可以得到（0，d ）上各个点的电势值，从而获得方向上的电势分布并进而可得到电场分布。另外，应用问题的对称性，就得到整个区域的解。
3.2.2 电磁场解后处理
上一节中，用有限元法求解出了节点电势值（或磁势值），而实际问题当中，显然仅仅知道电势和磁势的分布是远远不够的，并且这对进一步的应用提供的信息也是远远不足的。因此，我们还要得到许多其他物理量，如磁感应强度（和磁通量强度）、电位移通量、电磁场能量、电磁场力及力矩、电感和电容等。当然，以求得的电势和磁势为基础，容易地导出这些物理量，导出这些物理量的过程就是电磁场解后处理，即有限元解后处理。这里仅以电磁场储能简单讨论解后处理的基本思想和原理。
电场储能
对于无源，电场中的储能可表示如下：
Ω∇=Ω⋅=⎰⎰ΩΩd d E D W 2||2121φε (3-17)
其中W 为能量，其余符号意义同前。从能量的表达式可以看出，只要知道了电场的电势分布，就可以得到储能的大小。应用前面介绍的有限元思想，同样把整个区域Ω划分为若干个单元子区域e
Ω，然后分别求出每个单元的能量后再总和就得到了整个区域的总能量大小，于是有（假设为二维静电场，并设介电系数为常数）： Ω∂∂+∂∂=Ω∇=∑⎰⎰=ΩΩd y x d W n e e ]()[(2||21222φφεφε
(3-18)
可以看出，从求出的电势φ出发便可以计算出电场储能。
磁场储能
与电场类似，磁场的能量可表示为：
Ω∂∂+∂∂=Ω=Ω⋅=∑⎰⎰=ΩΩd y
A x A d
B d H B W n e ])()[(121||121212212μμ (3-19) 同样求出了磁势A 便可以根据上式得到磁场能量。
关于其他物理量的有限元后处理推导，可参看有关文献。
第四章 电励磁双凸极电机模型的建立
4.1 建模工具的探讨
Maxwell 以其在电磁场仿真领域中的卓越表现而著称于世，电磁和机电元件的设计者依靠Maxwell 提供的强大功能可以准确快速的达到设计目的。
当今工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其它工业控制系统比以往任何时候使用的都广泛。由于设计者对性能和体积设计封装的希望，先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著增长。在工程人员所关心的实用性和数字化功能方面，Maxwell 的产品有着突出的优势。
Maxwell 2D 包括交流/直流磁场、静电场，以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极，以及优化功能，此外Maxwell 2D 还能产生高精度的等效电路模型以供Ansoft 的SIMPLORER 模块和其它电路分析工具调用。本次毕业设计主要是利用其进行直流磁场的分析。
利用Maxwell 2D 的直流磁场模块可以分析由直流电流、永磁体以及外部激磁引起的磁场。它适用于激励器、传感器、电机以及永磁体等。分析的对象可包括非线性的BH 曲线(如钢材、铁氧体以及永磁体)，材料的各向异性和随位置变化等特性都包含其中。该模块可自动计算力、转矩、电感和储能，而其它需要测量的物理量可利用后处理中集成的计算器从磁场计算结果中提取，此外，后处理还能绘制磁力线、B 和H 场分布、能量密度以及饱和程度图。
4.2 电机模型的建立
电励磁双凸极电机模型的建立对其性能的研究有着非常重要的影响，因而模型的建立至关重要，本小节将详细叙述建模过程。
4.2.1 定转子模型
考虑到在Ansoft 中取点的复杂性，可以直接从AutoCAD 中将模型导入，这首先应确保模型在AutoCAD 中处于同一图层，然后进行导入，其具体步骤为：双击Maxwell → PROJECTS → NEW...(命名) → Define Model...(drawing model) → file → import... →选择所需图形，即可。但由于AutoCAD 模型的不完善，在导入过程中出现了一些问题，通过仔细研究发现，主要是曲线不封闭，利用AutoCAD 中的剪裁，拉伸等工具，可以对模型进行改进，从而达到要
求，如图4-1所示。
图4-1 定转子截面图
4.2.2 绕组模型
绕组模型的建立应该说花费了很长时间，主要问题是无法分相，通过反复研究尝试，发现其原因是绕组连接处无结点，建模的具体步骤如下：在原有模型基础上，点击Edit →Attributes→by clicking →选中定子
图4-2 实体选择对话框图4-3 节点激活图
出现一对话框，按图4-2选择，则图形如图4-3所示，为了保证绕组的封闭性和对称性，可在齿根部分连接一条弧，并使其划分为30等分，同样的，显示结点，遵循面积基本相等的原则，连接各结点，即可得到绕组模型，如图4-4所示
4-4(a)定子一个齿的绕组模型4-4(b)整个电机模型(含励磁绕组)
4.2.3 电机材料的分配
单击Setup Materials…，根据给定条件，相绕组和励磁绕组材料为铜，定转子材料为D41，轴材料为45号钢。其中材料D41不是Ansoft中的默认材料，需要根据参考手册得到，这里利用了它的B-H曲线。
4.2.4 励磁电流方向和大小的判定
电励磁双凸极电机的励磁电流方向与普通电机不同，普通电机的励磁电流方向是由永磁体的NS极决定的，假设某一时刻正上方为N极，则磁场方向向上，根据右手定则，励磁电流方向为右进左出，在与其相差180º的位置，磁场方向为向下，同理可得其励磁电流方向为左进右出，并且随着转子的转动，磁场方向将会呈现正弦曲线的变化规律，那么励磁电流的大小和方向即会跟随变化。而电励磁电机的磁场在图3-5的位置为最大，随着转子的转动，变化规律也呈现正弦规律，但方向不变，仅在大小上有变化，也就是说励磁电流的方向是确定的，如图4-5。
定子
转子
图4-5 双凸极电机励磁电流与磁场的关系
如图4-6示，将绕组平分，得到的A1，A2为一组励磁，假设磁链方向为图4-5所示，那么电流方向为A1进A2出，根据要求，励磁为4根并绕60匝20A，其电流大小为2×60匝×20A，即2400A，则在Ansoft中分配电流时，每一块绕组中的电流应为2400A×2，即4800A。
图4-6 励磁绕组电流分配
4.2.5 相绕组电流大小和方向的判定
本文研究的电机功率为30kw，电压为270V，由公式P＝3UI，可得每相电流值为37.037A，由于本电机的相绕组是12匝，每相有4个绕组，则在Ansoft中定义电流时应为37.037A×12匝×4＝1778A。
假设图4-4(b)时的转子角度为0度，且转子逆时针方向转动，励磁电流方向在上半平面为左正右负，则在该位置B相绕组中的磁链最大，随着转子的转动，B相磁链逐渐减小，当转至15度时，减至最小，即零。在这个过程中，根据楞次定律，有感应电流产生，感应电流会感应出磁场，其方向将阻碍原磁场的变化，由于磁场减小，那么感应的磁场会使其增加，即产生一个与原磁场方向一致的磁场，也就是说B相感应电流的方向为左正右负，通入正电
目录 1 引言 (1) 1.1 课题的背景与意义 (1) 1.1.1 课题背景 (1) 1.1.2 课题意义 (1) 1.2 永磁电机发展概况 (1) 2 机电能量转换和拉格朗日方程 (2) 2.1 机电能量转换 (2) 2.2 三相同步电机电磁转矩 (7) 2.3 拉格朗日方程 (9) 3 三相永磁同步电机的数学模型 (11) 3.1 三相PMSM的基本数学模型 (11) 3.2 三相PMSM的坐标变换 (13) 3.2.1 Clark变换 (13) 3.2.2 Park变换 (14) 3.3 同步旋转坐标系下PMSM的数学模型 (14) 4 三相永磁同步电机的矢量控制 (16) 4.1 转速环PI调节器的参数整定 (16) 4.2 电流环PI调节器的参数整定 (17) 4.3 三相PMSM矢量控制系统的仿真 (19) 4.3.1 仿真建模 (19) 4.3.2 仿真结果分析 (22) 总结 (23) 参考文献 (23)
三相永磁同步电机矢量控制建模与仿真 摘要：永磁同步电机具有体积小、效率和功率因数高等优点，因此越来越多的应用在各种功率等级的场合。永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，永磁同步电机的结构特点使得采用矢量控制系统有很大的优势。本文首先分析了永磁同步电机矢量控制的发展概况，然后从机电能量转换的角度出发，解释三相永磁同步电机的机电能量转换原理，推导拉格朗日运动方程。此外，列写出永磁同步电机在三相静止坐标系和dq坐标系下的数学模型。基于Simulink建立了转速电流双闭环矢量控制系统的仿真模型，通过对仿真结果分析，验证了永磁同步电机矢量控制系统性能的优越性。 关键词：永磁同步电机，矢量控制，Simulink 1 引言 1.1 课题的背景与意义 1.1.1 课题背景 交流电机的控制性能在磁场定向矢量控制技术提出后才有了质的飞跃。磁场定向矢量控制技术采用的是励磁电流和转矩电流的解稱控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。永磁同步电机与普通电流励磁电机相比，具有电机转子磁极的位置易于检测，其坐标变换算法相对简单的优点，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电机的控制领域也得到了广泛应用。 近年来，随着高性能永磁材料的广泛应用，电机控制技术与电力电子技术的快速发展，直接驱动的牵引电机永磁同步牵引电机成为研究领域的热点。和异步电机与直流电机相比，永磁同步牵引电机具有转矩密度高，极对数多的一些特点，同功率的永磁同步牵引电机质量和体积都大幅减小。 1.1.2 课题意义 与传统的交流同步电机、直流电机、交流异步电机三种电机形式相比较，永磁式同步电机有体积小、重量轻、控制简单等优点，因此在各种功率等级的场合得到越来越多的应用。永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，矢量控制又是应用最普遍的、性能优良的一种控制方式。因此，对永磁同步电机的矢量控制分析，具有很重要的理论研究意义和实用价值。在这种背景下，本文致力丁研究永磁同步电机矢量控制技术。通过对永磁同步电机结构、数学模型以及矢量控制实现方式的研究来深入理解永磁同步电机矢量控制思想。 1.2 永磁电机发展概况 在上世纪30年代，人工铝镍钴合金永磁材料在美国贝尔公司问世，铁氧体永磁材料于50年代产生，高性能稀土永磁材料于60年代产生，NdFeB永磁材料也相继于80年代问世。然后很快被用在永磁同步电机中，新型NdFeB曲柄电动机，外壳轻薄，电动机的体积和重量都只有以前的一半。NdFeB无齿电动机，与一般的稀土钐钴电动机相比较，新型NdfeB无刷直流电动机的性价比更高。 日本、美国相继是对NdFeB永磁电机试验和运用最早的国家之一，在医院、军事、汽车等方面都有所运用。中国是世界上稀土资源最丰富的国家，于1965
开关磁阻电机在风力发电系统中的应用 华中科技大学电气与电子工程学院 新型电机论文作业 一、引言风电行业现状概要与开关磁阻电机发展简介 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和 7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上， 充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。 中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。属于风能资源较丰富的国家。“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。据统计，全国平均风能密度大约为100 W/m2，风能总量为3226 GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253 GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3 m/s以上时间近4000 h，一些地区的年平均风速在6～7 m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10 GW。风力发电问题近年来已成为电力行业研究的热点。在风电发展的过程中，直驱永磁同步电机得到了越来越广泛的应用。 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和风电等各个领域。 二、风电机组的特性原理 2.1风机特性研究 风力机的种类很多，目前大型并网风力发电机组中采用的风力机绝大多数都是水平轴、下风向式、三叶片。 风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。
电气工程及其自动化专业 本科毕业论文 Prepared on 22 November 2020
山东大学网络教育学院 题目 姓名 年级 层次 专业 学习中心
可控励磁发电系统综合性实验的设计 摘要 现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重要的意义。 本文主要对可控励磁发电系统进行了实验设计，首先对可控励磁发电系统做了相关简介并探讨了可控励磁发电系统的国内外未来发展形势。本文着重在可控励磁系统中的过励限制方面作了重点分析，并设计了相关的一个过励限制特性试验，对过励限制系统加深了了解。 关键词:电力系统；励磁控制系统；过励限制
目录 摘要........................................................... I Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 1.1发电机励磁控制系统简介 同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;另一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。同步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电机励磁电流IL的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施控制的重要内容之一。 电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。如图1-1所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。 励 磁 系 统 图1-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图
毕业设计论文 题目永磁同步电动机的设计及结构的研究（院）系电气与信息工程系 专业电气工程及其自动化班级0 学号0 号学生姓名高富帅 导师姓名 完成日期2005年6月8日
目录 摘要 (1) Abstract (2) 第1章绪论 (3) 1.1永磁性材料简述 (3) 1。1。1 稀土永磁材料 (3) 1.1。2 其它永磁材料 (4) 1.1.2。1 铝镍钴永磁 (5) 1.1。2.2 铁氧体永磁材料 (6) 1。1。2。3 粘结永磁材料 (6) 1。2永磁同步电机的发展概况 (6) 1。2.1永磁同步电机在国内的发展概况 (7) 1。2.2永磁同步电机在同外的发展概况 (7) 1。3永磁同步电动机的分类 (8) 1.3.1永磁同步电动机简介 (8) 1。3.2永磁同步电动机的分类 (8) 1.4永磁同步电动机的主要特点和应用 (9) 第2章永磁材料的性能和选用 (11) 2.1 永磁材料磁性能的主要参数 (11) 2。1.1退磁曲线 (11) 2.1.2 回复曲线 (12) 2.1。3 内禀退磁曲线 (13) 2。1。4 稳定性 (14) 2.2 永磁材料的选择和应用注意事项 (15) 2。2.1永磁材料的选择 (15) 2.2.2 永磁材料的应用注意事项 (16) 第3章永磁同步电动机的结构和基本理论 (16) 3.1永磁同步电动机的结构 (18)
3.1。1永磁同步电动机的总体结构 (18) 3。1。2永磁同步电动机的转子磁路结构 (19) 3。1。2.1表面式转子磁路结构 (20) 3.1.2.2内置式转子磁路结构 (21) 3.1.2。3爪极式转子磁路结构 (23) 3.1.3隔磁措施 (23) 3.2 永磁同步电动机的基本理论 (23) 3.2。1 稳态运行和相量图 (23) 3。2。2永磁同步电动机的稳态性能分析和计算 (25) 3。2。2。1电磁转矩和矩角特性 (25) 3。2.3 工作特性曲线 (27) 3.3永磁同步电动机的磁路分析与计算 (27) 3。3.1磁路计算特点 (27) 3。4 异步起动永磁同步电动机的起动过程 (28) 3.4。1起动过程中的平均转矩 (29) 3。4.2起动过程中的定子电流 (29) 3.4。3牵入同步机理 (30) 第4章异步起动永磁同步电动机电磁计算方案 (31) 4.1 额定数据和技术要求 (31) 4。2 主要尺寸 (32) 4.3 永磁体计算 (33) 4.4 定、转子冲片计算 (34) 4。4.1定子冲片计算 (34) 4.4.2转子冲片计算 (35) 4.5 绕组计算 (36) 4.6 磁路计算 (38) 4.7 参数计算 (41) 4。8 交轴磁化轴线Xaq-Iq计算 (45) 4。9 工作特性计算 (45) 4。10起动性能计算 (48) 第5章方案分析 (48) 5。1主要尺寸分析及气隙长度的选择 (54) 5。2 永磁体计算方案分析 (54) 5。3 定、转子计算方案分析 (55) 5。3。1定、转子槽配合的选择 (55)
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
湖南工程学院 毕业设计（论文）任务书————☆————设计（论文）题目：基于DSP的永磁同步电动机矢量控制系统研究 姓名周琳系别应用技术学院专业电气工程及其自动化班级0786 学号200713010616 指导老师颜渐德教研室主任谢卫才 一、基本任务及要求： 1）掌握矢量控制的基本原理。 2）掌握永磁同步电动机矢量控制系统。 3）利用MATLAB软件仿真，分析。 4)硬件设计及软件设计 二、进度安排及完成时间： 2月20日：布置任务，下达设计任务书 2月21日——3月10日：查阅相关的资料（总参考文章15篇，其中2篇以上IEEE的相关文章）。 3月13日——3月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计、4月中旬毕业设计中期抽查 6月1日——6月7日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月8日——6月10日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。 6月11日——6月12日：毕业设计答辩
目录 摘要..................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 第１章概述.. (1) 1.1永磁同步电动机的发展概况及应用前景 (1) 1.1.1 永磁同步电动机发展概况 (1) 1.1.2 永磁同步电动机特点及应用 (2) 1.2永磁同步电动机控制系统的发展现状与趋势 (3) 1.3课题研究的背景及本文的主要研究内容 (4) 1.4本课题的研究意义 (5) 第2章永磁同步电动机的结构及其数学模型 (7) 2.1永磁同步电动机的结构 (7) 2.2永磁同步电动机的数学模型 (8) 2.2.1 永磁同步电机在静止坐标系(UVW)上的模型 (8) α-)上的模型方程 (10) 2.2.2 永磁同步电机在两相静止坐标系(β 2.2.3 永磁同步电机在旋转坐标系(d q -)上的数学模型 (12) 第3章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (16) 3.1永磁同步电机的控制策略 (16) 3.1.1永磁同步电机外同步控制策略 (16) 3.1.2 永磁同步电机自同步控制策略 (16) 3.1.3 永磁同步电动机的弱磁控制 (19)
混合励磁双凸极电机控制方式综述 刘奕杉 电气15级研究生，331501000020 摘要：本文介绍了混合励磁双凸极电机的发展历史跟研究现状，分析了混合励磁双凸极电机的各种控制方式，介绍了在分区控制的思想下，励磁系统的弱磁控制、增磁控制。以及半桥功率变换器供电方式下的标准角控，针对标准角控制时高速段下电机输出转矩不足的问题又介绍了提前角控制。最后总结展望了混合励磁双凸极电机控制方式研究中存在的问题以及解决方法。 关键词：混合励磁；双凸极电机；控制方式 0 引言 上个世纪90 年代美国电机专家T . A. L i p o 提出了永磁双凸极电机[1]，双凸极永磁(Doubly Sallent Permanent Magnet，DSPM)电机是近年来在开关磁阻电机基础上发展出来的一种新型高效节能电机。混合励磁双凸极电机( Hybrid Excited Doubly SalientMachine，HEDS)[2]是在永磁双凸极电机的基础上演变而来的，它将永磁体励磁与电励磁[3]进行了有机结合，继承了永磁双凸极电机的全部优点，而且具有电机磁场可灵活调节的特点，因此成为双凸极电机的研究热点。目前对混合励磁电机的研究，主要围绕着对电机不同混合励磁结构、混合励磁原理分析等方面，而对混合励磁电机的控制策略研究则相对较少，HEDS电机继承了DSPM 电机凸极永磁的优点，具有功率密度高、结构简单、容错性能好、控制灵活等优点。它在工业驱动、航空航天、汽车、舰船以及诸如电动汽车等需宽调速驱动应用场合具有前景[4]。HEDS电机的控制策略包含 2 种基本控制模式[5]即低速时的电流斩波控制和高速时的角度位置控制。根据该电机的运行原理提出采取分区控制策略，对电机进行弱磁控制，增磁控制。以及HEDS在半桥功率变换器供电方式下，标准角控制策略对电机输出转矩的影响，并在此基础上，介绍了提前角控制。 1 双凸极电机的发展历史及研究现状 开关磁阻电机（简称SRM）是上个世纪60 年代国外推出的一种交流调速电动机的新品种，随着电力电子技术的发展，出现了开关磁阻电机调速驱动系统。开关磁阻电机结构非常简单，定、转子都为凸极齿槽结构，定子上装有集中绕组，转子上没有绕组和磁钢，这使得定、转子的结构坚固，制造成本低，装配工艺简单，冷却方便。 永磁双凸极电机的设计思想最早可以追溯到1955 年Rauch和Johnson对永磁双凸极电机的研究[6]，但是由于当时永磁材料性能等问题的限制，这种原型机体积较大、力能指标相对较低，并没有得到多大的重视。 直到上个世纪90 年代初，美国Wisconsin大学Lipo教授领导的科研小组，进行了大量永磁双凸极电机的研究工作，取得了丰硕的研究成果。其中，Liao于1993 年发表了关于DSPM主要尺寸确定的论文[7]，表明DSPM电机具有较高的功率密度，随后Liao又于1995 年在IEEE上系统阐述了DSPM电机工作原理及其控制特点[8]，文献成为DSPM电机的经典作品。图1.1为美国Wisconsin 大学Lipo教授领导的科研小组于1992 年提出的DSPM电机结构示意图，电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但它在定子（或转子）上放有永磁体，从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。概括地讲，DSPM电机系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大，可实现各种特殊要求的转矩/转速特性，功率因数接近于1，效率高。Lipo.T.A等人提出的混合励磁双凸极电机不同之处在于永磁体旁边附加了一条并联磁分路，为直流励磁磁通提供了一个通路，避免了直流励磁磁势直接作用于永磁体，减小了永磁体产生不可逆退磁的风险，并且通过磁分路磁阻的适当设计，能达到用较小的直流励磁磁势获得较大气隙磁通调节范围的目的[9]。 东南大学程明教授所领导的课题组提出了磁桥式混合励磁双凸极电机[10]，电机结构如图1.2所示，其特点是在电机永磁体与直流励磁绕组之间设置了一定尺寸的导磁桥，使电机定子铁芯保持一个整体，南京航空航天大学的严仰光教授等在双凸极电机方面作了很多研究工作，他在文献[11]中提出了一种新型的12/8 极磁路独立式的混合励磁双凸极电机结构，这种并列结构混合励磁双凸极电机定子有两并列的电枢铁芯，一段为永磁励磁，另一段为
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究 目录 摘要 (3) Abstract (4) 第一章绪论 (5) 1.1电励磁双凸极电机的发展 (5) 1.2飞机发电系统的发展 (6) 1.3课题研究的目的和内容 (6) 第二章电励磁双凸极电机 (7) 2.1 电励磁双凸极电机的结构 (7) 2.2 电励磁双凸极发电机的数学模型 (7) 2.3 发电运行工作原理 (8) 第三章电磁场有限元分析简介 (11) 3.1 电磁场基本理论 (11) 3.1.1 麦克斯韦方程 (11) 3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 (12) 3.1.3 电磁场中常见的边界条件 (13) 3.2 电磁场求解的有限元法 (14) 3.2.1 一维有限元法 (14) 3.2.2 电磁场解后处理 (16) 第四章电励磁双凸极电机模型的建立 (17) 4.1 建模工具的探讨 (17) 4.2 电机模型的建立 (17) 4.2.1 定转子模型 (17) 4.2.2 绕组模型 (18) 4.2.3 电机材料的分配 (19) 4.2.4 励磁电流方向和大小的判定 (19) 4.2.5 相绕组电流方向和大小的判定 (20)
4.2.6 给定边界条件 (21) 4.2.7 其它条件的设定 (22) 第五章电励磁双凸极电机的静态特性 (23) 5.1 双凸极电机的空载磁链与电势 (24) 5.2 空载特性 (25) 5.3 负载特性 (27) 第六章总结与展望 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录 (31)
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究 摘要 电励磁双凸极电机是一种较为新型的电机，本文研究的是12/8极电励磁双凸极电机，首先简要介绍了电机的基本结构、工作原理和数学模型，并给出了电磁场有限元分析的理论依据，在此基础上建立了Ansoft模型，利用二维电磁场有限元的方法分析了其静态特性，得出了其空载和负载特性。 本文在研究电机性能的同时，对Ansoft仿真软件也进行了比较详细的探讨，在没有具体资料的情况下，对该软件有了初步的认识。 关键词：电励磁双凸极电机，有限元，Ansoft
永磁同步电机控制系统设计与仿真 目录 摘要I ABSTRACT II 1 绪论1 1.1 永磁同步电机的发展概况与研究现状1 1.2 永磁同步电机的研究意义2 1.3 论文主要研究容3 2 永磁同步电机系统4 2.1 永磁同步电机的分类和结构4 2.2 永磁同步电机的工作原理和特点4 2.3 永磁同步电机数学模型6 3 永磁同步电机控制策略8 3.1 恒压频比控制8 3.2 矢量控制9 3.2.1 矢量控制的组成和原理9 3.2.2 矢量控制的控制方式11 3.2.3 矢量控制的坐标变换12 3.2.4 矢量控制的基本方程17 3.3 直接转矩控制17 3.3.1 定子磁链控制19
3.3.2 空间矢量控制21 3.4 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较21 3.5 小结22 4基于Matlab/Simulink的永磁同步电机矢量控制系统仿真23 4.1 电压空间矢量脉宽调制原理24 4.1.1 电压空间矢量24 4.1.2 零矢量的作用26 4.1.3 空间电压矢量控制算法26 4.2 坐标变换模块27 4.3 SVPWM模块28 4.3.1 扇区选择28 4.3.2 计算X、Y、Z和TX 、TY定义29 4.3.3 计算矢量切换点Tcm1，Tcm2，Tcm329 4.4 PMSM闭环矢量控制仿真模型31 4.5 仿真结果31 4.6 结束语32 5 结论33 5.1 研究总结33 5.2 未来研究方向和展望34 致35 参考文献36
永磁同步电机控制系统设计与仿真 摘要 由于永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率和功率因数高等明显特点，从70年代末开始，永磁同步电机就得到广泛重视。随着高性能永磁材料的发展和价格的不断下降，永磁电机的应用越来越广泛。尤其是近年来，随着永磁材料的迅速发展和电力电子和控制技术的进步，永磁同步电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观，永磁电机与其驱动控制器设计也成了电机领域研究的热点课题，因而对永磁同步电机的研究是非常有意义的。 本文先对永磁同步电机与其相关技术的发展过程、研究现状和趋势进行了一个比较全面的阐述，然后对永磁同步电机的结构、性能进行了简要介绍，最后讲述了几种永磁同步电机控制系统常用的控制策略。 同时本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上,借助于Matlab强大的仿真建模能力, 在Matlab/Simulink中建立了PMSM 控制系统的仿真模型,为PMSM控制系统的分析与设计提供了有效的手段和工具。此文借助这一手段在详细分析了永磁同步电机矢量控制的机理，并提出了一套相应的矢量控制方案后，建立了仿真和试验平台，进行了仿真分析和实验研究。 关键词：永磁同步电机/Matlab/Simulink仿真/矢量控制
永磁同步电动机的电磁设计与分析 摘要 永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。 本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。 关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析
The design of Permanent-Magnet Synchronous Motor Abstract PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss . The paper mainly introduces the PMSM's development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density. Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis
有关“电励磁双凸极电机”的介绍 电励磁双凸极电机是一种特殊类型的电机，其结构和工作原理都有一定的特点。有关“电励磁双凸极电机”的介绍如下： 1.结构特点： ●电励磁双凸极电机主要由定子和转子组成。定子包括两个极芯和励磁绕组，而转子则 由永磁体构成。 ●定子的极芯上绕有励磁绕组，通常采用直流电源进行励磁。 ●转子由多个永磁体组成，这些永磁体在电机转动时产生磁场。 2.工作原理： ●当励磁绕组中通入直流电流时，会在定子极芯上产生磁场。这个磁场与转子上的永磁 体产生的磁场相互作用，从而产生转矩，使电机转动。 ●电励磁双凸极电机的转矩方向取决于励磁电流的方向。通过改变励磁电流的方向，可 以改变电机的旋转方向。 ●由于电励磁双凸极电机采用永磁体作为转子，因此其具有较高的效率和较小的体积。 3.应用： ●电励磁双凸极电机主要应用于汽车、摩托车、电动车等领域，作为驱动电机使用。 ●此外，由于其具有较高的效率和较小的体积，电励磁双凸极电机也被用于一些需要高 性能、小体积电机的场合。 4.优点： ●效率高：由于采用了永磁体作为转子，电励磁双凸极电机具有较高的效率。 ●体积小：相对于其他类型的电机，电励磁双凸极电机具有较小的体积，更适合于紧凑 型设备的驱动。 ●易于控制：通过改变励磁电流的方向，可以方便地改变电机的旋转方向。 5.缺点：
●成本高：由于采用了永磁体和励磁绕组等材料，电励磁双凸极电机的制造成本较高。 ●对温度敏感：永磁体的磁性能受温度影响较大，因此电励磁双凸极电机在高温环境下 可能会出现性能下降的情况。 总的来说，电励磁双凸极电机是一种高效、紧凑且易于控制的电机类型，适用于多种应用场景。
电励磁同步电机foc控制机电暂态建模 电励磁同步电机（Excited Synchronous Motor, ESM）是一种广泛应用于工业领域的电动机，其采用电励磁方式实现转子磁场的激励。针对电励磁同步电机的控制问题，矢量控制（Field Oriented Control, FOC）是一种常用的控制策略，能够实现电机的高性能运行。 在进行机电暂态建模之前，我们先来了解一下电励磁同步电机的基本原理。电励磁同步电机由定子和转子两部分组成。定子上绕有三相对称的绕组，通过交流电源提供定子电流，产生定子磁场。转子上则绕有励磁绕组，通过直流电源提供转子电流，产生转子磁场。当定子磁场与转子磁场同步时，电机可以实现高效能转换和高精度控制。 在FOC控制策略中，首先需要将电机的三相电流转换为两个独立的磁场分量，即定子磁场和转子磁场。这可以通过Clarke变换和Park变换来实现。Clarke变换将三相电流转换为两相电流，而Park变换则将两相电流转换为定子坐标系下的定子磁场和转子坐标系下的转子磁场。 通过FOC控制策略，我们可以实现对电机的独立控制。通过控制定子磁场和转子磁场的大小和相位差，可以实现电机的转矩和速度控制。具体而言，在FOC控制策略中，通过调节定子电流的大小和相位，可以实现对电机转矩的控制；而通过调节转子电流的大小和相
位，可以实现对电机速度的控制。 在机电暂态建模中，我们需要考虑电机的电磁特性和机械特性。电磁特性包括电机的电感、电阻和磁导特性，而机械特性包括电机的转动惯量、摩擦力和负载特性等。通过建立电机的电磁方程和机械方程，可以得到电机的状态方程。通过求解状态方程，可以得到电机的响应特性，如转速响应、转矩响应等。 在进行机电暂态建模时，需要考虑电机的非线性特性和动态特性。电机的非线性特性主要包括磁饱和、饱和电感和电流饱和等。而电机的动态特性主要包括电机的惯性、电机的动态响应和电机的动态稳定性等。通过考虑这些非线性特性和动态特性，可以更准确地描述电机的暂态响应和稳态性能。 总结起来，电励磁同步电机的FOC控制是一种常用的控制策略，可以实现电机的高性能运行。机电暂态建模是对电机电磁特性和机械特性进行综合考虑的过程，可以得到电机的暂态响应和稳态性能。通过合理建模和控制参数的调节，可以实现电机的高效能转换和高精度控制。电励磁同步电机的FOC控制机电暂态建模，对于电机的设计和控制具有重要意义。
三相12-8极开关磁阻电机驱动系统建模与仿真 1 概述 开关磁阻电机（SRM）定子和转子都是凸极形状，且都是由高磁导率的硅钢片堆叠而成，只在定子磁极上安装有集中绕组，转子上既没有绕组也没有永磁体。与其他电机相比，其结构简单牢固、成本低、调速范围宽、控制灵活等优势十分突出，因此在需要调速和高效率的场合得到了广泛应用。但是双凸极的结构也带来了磁路饱和、涡流、磁滞效应等一系列的非线性特性，严重影响了开关磁阻电机的运行性能，并且使开关磁阻电机的具体分析研究十分困难。为了准确研究开关磁阻电机的特性，必须对开关磁阻电机进行建模仿真。文章基于MATLAB/Simulink仿真系统对三相12/8极开关磁阻电机的驱动系统进行了整体建模仿真研究，將组成系统的开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分模块化，对整个系统采用转速、电流双闭环控制方法。仿真结果验证了搭建模型的正确性。文章的模型具有参数修改方便，通用性强，适用于开关磁阻电机各种运行模式的特点，为开关磁阻电机及其驱动系统的优化控制研究创造了条件。 2 基于Matlab的SRD仿真模型的建立 文章在Matlab/Simulink环境中，利用软件自带的丰富模块库，在分析了开关磁阻电机非线性模型的基础上，搭建出了SRD仿真模型。 系统采用转速、电流双闭环的控制方法，其中转速外环采用PI调节控制，电流环内环采用低速时的电流斩波和高速时的角度位置控制方式。
整个SRD包括电机本体模块、功率变换器模块、控制器模块和位置检测器模块四部分，通过各个模块的协调配合，实现开关磁阻电机的稳定运行。 3 仿真结果 基于建立的开关磁阻电机驱动系统模型进行仿真，设定直流母线电压为513V，最大电感为140mH，最小电感为20mH，每相绕组电阻为 1.1Ω，转动惯量为0.02kg·m2，摩擦系数为0.001N.ms，将定子凸极和转子凸极对齐的位置定义为0°。可以得到不同条件下电机运转时的电流、电压、转矩、转速的仿真波形。 3.1 低速电流斩波控制 电机低速时采用电流斩波控制，图1给出了转速n=500r/min时，采用电流斩波控制方式得到的一相电流和对应的相电压波形。从图中可以看出加在导通相绕组两端电压为母线电压513V或为零。斩波时电流下降缓慢，电流维持在给定的限幅120A附近。 3.2 高速角度位置控制 电机高速运行时，导通周期短，电流的建立和续流会占很大比例，又由于存在运动电势，因此电流峰值不大，不必采用电流斩波。通常采用控制开通角θon和关断角θoff的角度位置控制。 实际使用过程中，根据不同的系统要求，可以选取不同的优化控制方法。图2、图3分别为给定转速为2400r/min，电机高速稳定运行后，导通宽度相同，都为15.5°时，不同开通角θon和关断角θoff组合下的相电流波形和输出转矩波形。通过对比可知转速一定时，设定不同的开通角
基于MATLAB/SIMULIN啲变压器微机保护系统 仿真研究 电气工程及其自动化专业王伟建 指导老师马景兰讲师 摘要介绍了变压器微机保护的基本原理，重点分析了作为变压器主保护之一的差动保护原理和差动回路里的 不平衡电流问题。在此基础上，利用MATLAB/Simulink里的powersystem模块库，搭建了变压器故障以及差动保 护、过电流保护、接地保护的仿真模型，仿真分析其保护岀口与故障波形均与理论分析一致，证明了仿真模型的正确性与有效性，研究中所搭建的变压器故障和保护模型以及所采用的仿真分析方法，具有较强的通用性和广泛的工程应用价值。关键词MATLAB/Simulink,变压器，微机保护，仿真分析 1刖言 电力变压器是电力系统中十分重要的电气设备，一旦发生故障，将给电力系统的稳定运行带来 严重的后果，在现代供电力系统中，对于变压器的保护，微机保护以其独特的优势应用越来越普及。 目前对于变压器微机保护的研究比较前沿的理论很多，如将数字信号处理技术应用于差动保护中，傅式算法实现及其改进算法，也有国外学者将专家系统，模糊逻辑和神经网络等人工智能方法引入变压器微机保护的研究中。变压器微机保护由主保护和后备保护构成。主保护主要是由差动保护来完成的，防止外部短路时的不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动。防止外部短路时的不平衡电流造成的误动，本文中采用动作可靠的比率制动方法。防止励磁涌流导致的误动作，则采用二次谐波制动的方法，二次谐波制动技术制动可靠，是防止励磁涌流引起的保护误动作的一个实用的解决方案。 2变压器差动保护原理 变压器纵差保护是变压器绕组故障时变压器的主保护，差动保护的保护区是构成差动保护的各侧电流互感器之间所包围的部分。变压器差动保护涉及有电磁感应关系的各侧电流，其构成原理是磁势平衡原理。以双绕组变压器为例，如果两侧电流社、山都以流入变压器为正方向，则正常 运行或外部故障时根据磁势平衡原理有： 式中：一、_是变压一次侧和二次侧绕组匝数，L是励磁电流。 下面通过对外部短路和内部短路两种情况的分析阐述变压器纵联差动保护的基本原理： （1）外部短路
2．1同步电机模型 同步电机是电力系统的主要元件，电磁暂态和机电互动现象十分丰富，模型的建立和求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度，因此，很多专家在同步发电机建模方面展开研究并取得多项成果。 同步电机是励磁控制系统的控制对象，又和励磁控制系统密切相关系。研究励磁系统的动态特性，离不开对同步电机动态特性的分析。同步电机的过渡过程比较复杂，通过以d,q 坐标系统推导出来的派克(Park)方程作为同步电机的基本方程，求出完整的动态模型；在某些特定的条件下，可由完整的动态模型得到简化模型。在小干扰情况下，可以将非线性的完整模型在工作点附近线性化，得出线性化模型：同样，在某些特定的条件下，还可以求得简化的线性模型。 同步电机dqO 坐标下的暂态方程称为派克方程，它是一组非线性的微分方 程组。由于dqO 三轴之间的解耦以及aqO 坐标下的电感参数是常数，因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛的应用。 同步电机具有三个定子绕组、一个转子绕组、两个阻尼绕组。六个绕组间 都有磁的耦合，加上转子位置不断变化，绕组间的耦合又必然是转子的位置函 数。要正确反映上述情况就需要七个非线性微分方程。 2．1．1同步电机基本方程 由同步电机在d,q 轴的park 微分方程组出发，电压和磁链方程(以标幺值形式)如(2．1)-(2．10)所示： 电压方程： 定子绕组：d q d d ri p U --=ωψψ （2.1） q d q q ri p U --=ωψψ （2.2） 励磁绕组： f f f f p r i U ψ-= （2.3） 阻尼绕组： d d d p i r 1110ψ-= （2.4） q q q p i r 1110ψ-= （2.5） 磁链方程： 定子绕组：d ad f ad d d d i X i X i X 1++-=ψ （2.6） q aq q q q i X i X 1+-=ψ （2.7） 励磁绕组：d ad f f d ad f i X i X i X 1++-=ψ （2.8） 阻尼绕组：d d f ad d ad d i X i X i X 111++-=ψ （2.9） q q q aq q i X i X 111+-=ψ （2.10） 其中，dt d p θθω==。式中各物理量的定义为：d i -负载电流d 轴分量；q i -负载电流q 轴分量；f i -励磁电流；d U -机端电压d 轴分量；q U —机端电压q 轴分量；f U -
摘要 同步电动机运行稳定性一直是世界各国所普遍关注的课题，在诸多改善电动机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被认为是最为有效和经济的措施。所以设计一套能使电励磁同步电动机安全稳定而又节能运行的励磁装置是非常重要的。 论文主要论述一个基于PIC16F877单片机实现的同步电动机PWM励磁电源的设计。首先，就同步电动机励磁电源研究的背景和意义以及励磁控制方式的演绎做了简要论述；其次针对PWM控制技术和数字PID及其改进方法等基本原理做了详细介绍；然后阐述了同步电动机PWM励磁电源的主电路设计、控制电路设计以及IGBT的驱动与保护电路的设计，其中包括元器件的参数整定计算和各部分方案论证。最后介绍了控制算法的实现和软件设计，并分析了设计中存在的问题。 本次设计利用可控硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统，相比用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统，这种励磁方式取消了全部的运动部件，运行可靠，经济性好，技术已经相当的成熟，正在得到越来越广泛的应用。 关键词：励磁电源；PWM斩波；数字PID；PIC16F877；IGBT
Abstract Synchronous motor has been running stability of the world as issues of common concern. In many generators to improve the stability of measures to enhance the control of excitation system performance, are considered to be the most effective and economic measures. So it is important that we design a set of stable and reliableexcitation device of synchronous motor excitated magnet by direct current. This paper mainly discusses a PIC16F877 microcontroller-based achieve synchronous motor excitation PWM power supply design. First, synchronous motor excitation Power study the background and significance of excitation control and interpretation of a brief discussion; Secondly against PWM control technology and digital PID and its methods of improving the basic tenets of a detailed; then expounded the PWM synchronous motor excitation power supply circuit design, control circuit design and IGBT drive and protection circuit design, These include parts of the parameter setting and parts of the demonstration program. Finally, the realization of the control algorithm and software design , the analysis of the problems were introduced. The design is using thyristor device which will be exchanged into DC excitation supply after the rectifier excitation https://www.doczj.com/doc/8c19182744.html,paring with the systern which used a DC generator excitation power as DC exciter excitation system. This exciting way of all the moving parts, reliable, economical, and the technology is already quite mature, is being increasingly widely used. Key Words : Excitation Source; PWM Chopper; Digital PID; PIC16F877;IGBT