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，Ansoftmodeling and simulation of doubly salient machine with fieldexcitationAbstractThis 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。
minp L p L pf L pf L )(θL fL 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： dtL 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 R2.3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。
![一种电励磁双凸极磁阻电机的优化建模方法和系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/942d582c53ea551810a6f524ccbff121dd36c504.png)
