電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的建模與仿真方法研究畢業(yè)論文-文庫吧資料
2025-07-03 15:54本頁面
【正文】 型的建立 建模工具的探討 Maxwell以其在電磁場仿真領(lǐng)域中的卓越表現(xiàn)而著稱于世，電磁和機(jī)電元件的設(shè)計(jì)者依靠Maxwell提供的強(qiáng)大功能可以準(zhǔn)確快速的達(dá)到設(shè)計(jì)目的。磁場儲能與電場類似，磁場的能量可表示為：(319) 同樣求出了磁勢A便可以根據(jù)上式得到磁場能量。從能量的表達(dá)式可以看出，只要知道了電場的電勢分布，就可以得到儲能的大小。這里僅以電磁場儲能簡單討論解后處理的基本思想和原理。因此，我們還要得到許多其他物理量，如磁感應(yīng)強(qiáng)度（和磁通量強(qiáng)度）、電位移通量、電磁場能量、電磁場力及力矩、電感和電容等。另外，應(yīng)用問題的對稱性，就得到整個(gè)區(qū)域的解。 (a) 區(qū)域和單元 (b) 有限元線性插值原理 圖32 一維靜電場問題的區(qū)域和單元最后計(jì)算結(jié)果為（具體過程可參見有關(guān)文獻(xiàn)[12]）：， ， ， 注意結(jié)果中沒有考慮各個(gè)物理量的單位。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電勢值分別記為和。劃分單元的大小可以不同，視具體情況而定，如場分布比較密，那么采用較小的單元以更多的單元?jiǎng)澐置艿膮^(qū)域。劃分過程中2和3單元較小，也就是說在這個(gè)區(qū)域內(nèi)單元較密，這也體現(xiàn)了劃分單元疏密適當(dāng)?shù)乃枷?。有限元法求解的第一步式劃分單元，即把整體區(qū)域劃分成若干小區(qū)域（或單元）。圖31 平行板電容器示意圖下面結(jié)合上述平行板電容器的一維靜電場求解問題詳細(xì)介紹有限元法。很明顯，電容器的激勵(lì)和幾何形狀都對稱于y軸，并且不難知道電場中電力線垂直穿過y軸，使電勢在對稱軸上沿x方向的變化率為零，于是這種對稱結(jié)構(gòu)可用齊次諾依曼邊界條件來表示。為了使有限元中的基本概念更加便于理解，下面以一維有限元法為例簡單介紹有限元法的基本原理?？梢赃@樣描述有限元法：把求解的區(qū)域劃分成若干小區(qū)域，這些小區(qū)域稱為“單元”和“有限元”，從而采用線性（當(dāng)然也可以采用非線性）方法求解每個(gè)小區(qū)域，然后把各個(gè)小區(qū)域的結(jié)果總和便得到了整個(gè)區(qū)域的解。實(shí)際上電磁場微分方程的求解中，只有在邊界條件和初始條件的限制時(shí)，電磁場才有確定解。諾依曼邊界條件可表示為：(315)其中為諾依曼邊界，n為邊界的外法線矢量，和為一般函數(shù)（可為常數(shù)和零）。狄利克萊邊界條件可表示為：(314)其中為狄利克萊邊界，g()是位置的函數(shù)，可以為常數(shù)和零。至此，我們可以對方程(311)和(312)進(jìn)行數(shù)值求解，如采用有限元法，解得磁勢和電勢的場分布值，然后再經(jīng)過轉(zhuǎn)化（即后處理）可得到電磁場的各種物理量，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、儲能。而標(biāo)量電勢可按(310)定義：(310)電磁場偏微分方程按(39)和(310)定義的矢量磁勢和標(biāo)量電勢能自動地滿足法拉第電磁感應(yīng)定律和高斯磁通定律。矢量磁勢和標(biāo)量電勢對于電磁場的計(jì)算，為了使問題得到簡化，通過定義兩個(gè)量來把電場和磁場變量分離開來，分別形成一個(gè)獨(dú)立的電場或磁場的偏微分方程，這樣便有利于數(shù)值求解。但工程實(shí)踐上，要精確得到問題的解析解，除了極個(gè)別情況，通常是很困難的。這組麥克斯韋方程表明了變化的電場和變化的磁場間相互激發(fā)、相互聯(lián)系形成統(tǒng)一的電磁場。高斯磁通定律的積分形式為：(34)方程(31)至(34)便構(gòu)成了描述電磁場的麥克斯韋方程組。該定律的積分形式可表達(dá)如下：(33) 為電荷體密度(C/m3)，V為閉合曲面S所圍成的體積區(qū)域。法拉第電磁感應(yīng)定律 閉合回路中的感應(yīng)電動勢與穿過此回路的磁通量隨時(shí)間的變化率成正比。這里的電流包括傳導(dǎo)電流（自由電荷產(chǎn)生）和位移電流（電場變化產(chǎn)生）。麥克斯韋方程組實(shí)際上是由四個(gè)定律組成，它們分別是安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律（亦簡稱高斯定律）和高斯磁通定律（亦稱磁通連續(xù)性定律）[7]。第三章 電磁場有限元分析簡介這一章將對電磁場的基本理論、電磁場有限元求解作簡單的介紹，簡要給出了電磁場方程以及有限元求解的基本方法，這章的分析將為第四章的建模提供一定的幫助。(a)各相勵(lì)磁電勢 (b)各相磁阻電勢圖2－5 雙凸極電機(jī)運(yùn)動電勢示意圖電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)空載時(shí)相電流為零，這時(shí)變壓器電勢和磁阻電勢均為零，只有勵(lì)磁電勢起作用。勵(lì)磁電勢為交流量，它的幅值與勵(lì)磁電流成正比。勵(lì)磁電勢和磁阻電勢是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，是運(yùn)動電勢，它們與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān)。電樞電流所產(chǎn)生的磁場在前半周為去磁，后半周為增磁，由于磁路飽和的影響，總的電樞反應(yīng)為去磁反應(yīng)。外加機(jī)械力傳動轉(zhuǎn)子使其按某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于每相電樞繞組所匝鏈的磁鏈發(fā)生變化，繞組將感應(yīng)電動勢，當(dāng)繞組與外接負(fù)載連接時(shí)，則電機(jī)發(fā)電，向負(fù)載輸送電能。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)作為發(fā)電運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)出的三相電勢波形不規(guī)則，并且三相電勢具有不對稱性，因此三相繞組通常外接三相全橋整流電路,如圖2－3所示，作為無刷直流發(fā)電機(jī)。這些數(shù)學(xué)模型描述了雙凸極發(fā)電機(jī)的主要物理量之間的關(guān)系，是雙凸極發(fā)電機(jī)理論研究的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子極弧稍大于定子極弧，對于電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)來說使其相繞組自感和相繞組與勵(lì)磁繞組的互感是轉(zhuǎn)角的一個(gè)分段線性曲線，電機(jī)勵(lì)磁繞組的自感視為常數(shù)，如圖2－2所示。圖2－1是12/8極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)截面圖。 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖21 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)截面圖電勵(lì)磁式雙凸極電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機(jī)類似，其定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片迭壓而成，但定子上除裝有集中電樞繞組相外，還有勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組，空間相對的定子齒上的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。主要研究內(nèi)容如下：第二章 主要介紹電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型和發(fā)電工作原理第三章 簡要闡述了有關(guān)電磁場的基本理論和有限元分析的依據(jù)第四章 詳細(xì)介紹利用Ansoft對電機(jī)建模的過程第五章 利用建立的模型仿真出電機(jī)的靜態(tài)特性第二章 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)雙凸極電機(jī)是一種新型的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、動態(tài)響應(yīng)快、功率密度高使之成為繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又以全新的研究方向。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)作為一種新型的電機(jī)，具有優(yōu)良的電氣性能，正得到越來越多的關(guān)注，對它的研究有著非常重要的意義。高壓直流電源與交流電源相比具有電網(wǎng)重量輕、270伏高壓直流電對人體的危害比115/220伏交流電小、主電源和二次電源內(nèi)部的損耗小效率高、通過反流保護(hù)二極管實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，主電源故障不會導(dǎo)致供電中斷的優(yōu)點(diǎn)。變速恒頻電源由于電能的二次變換，效率也不能進(jìn)一步提高。低壓直流電源由于發(fā)電容量、電網(wǎng)重量和電能變換裝置效率低等主要缺點(diǎn)，只能適合于小型飛機(jī)。飛機(jī)電源系統(tǒng)從28V低壓直流，到400Hz 115/200V恒速恒頻交流，到變速恒頻交流，發(fā)展到270V高壓直流。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)具有下列特點(diǎn)：(1)勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩大于磁阻轉(zhuǎn)矩，且與電樞電流和勵(lì)磁電流成正比，在電感上升與下降區(qū)分別通以正負(fù)電流時(shí)，電機(jī)均產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩；(2)不存在電刷和滑環(huán)；(3)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，可高速運(yùn)行；(4)發(fā)電運(yùn)行不需位置傳感器和可控功率變換器，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，斷開勵(lì)磁電路滅磁，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)故障保護(hù)。1998年南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在永磁式雙凸極電動機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型電勵(lì)磁雙凸極無刷直流電機(jī)，并申請了國家發(fā)明專利[4]。國外初步研究表明，在額定功率相同、外形尺寸基本一致的情況下，雙凸極電機(jī)的力矩/，；力矩/，感應(yīng)電機(jī)的10倍[3]。由于附加了永磁磁場，永磁式雙凸極電機(jī)在電機(jī)磁路、運(yùn)行原理、力矩控制特性和系統(tǒng)控制規(guī)律等方面與開關(guān)磁阻電機(jī)相比較有較大的區(qū)別：在控制上，與無刷直流電機(jī)近似；在性能上，與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相近。此后英國、法國和德國等國也相繼開展了此種電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研制工作。因此，開關(guān)磁阻電機(jī)以其調(diào)速性能好，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，制造成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的發(fā)展，并在許多場合得到應(yīng)用,但其發(fā)電運(yùn)行時(shí)需要配功率變換器使用。關(guān)鍵詞：電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，有限元，Ansoftmodeling and simulation of doubly salient machine with field excitationAbstractThis dissertation focuses on the basic theory of a novel 12/8pole doubly salient machine with field excitation, which is a new type recently. First, the configuration, the basic principles and the nonlinear modeling of th
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