畢業(yè)論文---混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的有限元分析

1、<p>　　編號(hào) </p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　二〇一一年六月</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的有限元分析</p><p><b>　　摘 要</b></p>

2、<p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)是在永磁雙凸極電機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，它將永磁勵(lì)磁與電勵(lì)磁進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合?；旌蟿?lì)磁雙凸極電機(jī)最大限度地綜合兩者優(yōu)勢(shì)又能克服各自缺陷的一種新型電機(jī)，因此受到較廣泛的關(guān)注。</p><p>　　本文主要致力于混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)研究和有限元計(jì)算。具體主要進(jìn)行了下列的工作：</p><p>　　首先，介紹研究了雙凸極電機(jī)的定子極寬與定子極距之

3、比，給出了混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件和多單元混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，闡述了混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的基本工作原理。給出混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括磁鏈方程、電壓方程及功率方程等。</p><p>　　然后，根據(jù)雙凸極電機(jī)各參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的各參數(shù)進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)，并給出三相24/16極混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。</p><p>　　最后，從電磁場(chǎng)計(jì)

4、算原理及方法入手引入并簡(jiǎn)要介紹了有限元法及電機(jī)有限元軟件Ansoft Maxwell。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)使用Ansoft Maxwell建立了三相24/16極混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)模型，并分別進(jìn)行了空載和負(fù)載條件下的有限元計(jì)算，對(duì)電機(jī)模型的磁場(chǎng)分布與氣隙磁密進(jìn)行了研究，給出了電機(jī)的空載特性曲線及外特性、功率曲線并做出相關(guān)的分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，有限元法，Ansoft Maxwel

5、l ，空載特性，負(fù)載特性</p><p>　　Finite Element Analysis of a Hybrid Excitation Doubly Salient Brushless DC Generator </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Hybrid excitation doubly sa

6、lient machine is evolved from doubly salient permanent magnet machine ,it linked up permanent magnet with electromagnetism associatedlly . Hybrid excitation doubly salient machine ,as a novle mashine ,draws the benefits

7、of the other two doubly salient machines and releases the disadvantages of each ,being attended much.</p><p>　　The basic configuration and finite element calculation on hybrid excitation doubly salient gener

8、ator is studied in this paper .The specific jobs are following :</p><p>　　The Ratio of stator pole width to stator pole pitch of generator is introducted and studied at first . The structure and qualificatio

9、n of hybrid excitation doubly salient generator are describe ,and the basic work theroy is .The mathematical model of hybrid excitation doubly salient generator is also provided ,including flux equation , voltage equatio

10、n , and efficiency equation .</p><p>　　Than the parameters design of structure of hybrid excitation doubly salient generator is done occording to the relatives among parameters .The parameters designed of 24

11、/16 hybrid excitation doubly salient generator is given .</p><p>　　The solution begins with Maxwell's equations ,the basic theroy of electromagnetic ,the finite element method following .Ansoft Maxwell ,

12、a software based finite element method is intructed briefly .And build the model according the parameters of 24/16 hybrid excitation doubly salient generator with the software .Simulation and analysis with the software o

13、n the model is done on the both no-load and load condictions . Magnetic field distribution and air gap flux density are studied and combined on </p><p>　　Key Words：hybrid excitation doubly salient generator;

14、 finite element method; Ansoft Maxwell; no-load characteristics; load characteristics</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要ⅰ</b></p><p>　　Abstractⅱ</p&g

15、t;<p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 研究背景10</p><p>　　1.2 混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀15</p><p>　　1.3 本文研究的目的及意義</p><p>　　第二章 混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)20</p><p><b>

16、;　　2.1 概述20</b></p><p>　　2.2 三相雙凸極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　……</b></p><p>　　第XX章 總結(jié)與展望XX</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)XX</b></p><p><b>

17、　　致謝XX</b></p><p><b>　　附錄XX</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　雙凸極發(fā)電機(jī)（Doubly Salient Generator

18、，簡(jiǎn)稱DSG）是隨著功率電子學(xué)和微電子學(xué)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型調(diào)速電機(jī)。自上世紀(jì)90年代得到美國(guó)Lipo T.A教授重視以來(lái)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能，使它得到越來(lái)越多的關(guān)注和研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者亦是紛紛展開相關(guān)研究。雙凸極發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁源可分為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switch Reluctance Generator，簡(jiǎn)稱SRG）、永磁雙凸極發(fā)電機(jī)（Doubly Salient Permanent Magnet Generator，

19、簡(jiǎn)稱DSPG）、電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)（Doubly Salient Electromagnetic Generator，簡(jiǎn)稱DSEG）和混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)（Hybrid Excitation Doubly Salient Generator，簡(jiǎn)稱HEDSG）。</p><p>　　勵(lì)磁方式的不同使得電機(jī)輸出特性、功率密度以及效率等性能有很大區(qū)別。電勵(lì)磁電機(jī)通過(guò)改變電機(jī)勵(lì)磁繞組電流可以方便地調(diào)劑氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)

20、現(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速特性，斷開勵(lì)磁回路可以有效滅磁，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的短路和故障保護(hù)，但由于勵(lì)磁損耗的存在使得電機(jī)系統(tǒng)效率相對(duì)較低，難以實(shí)現(xiàn)高功率密度。永磁電機(jī)省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，同時(shí)消除了勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)效率，功率密度大，結(jié)構(gòu)形式靈活多樣。但是，由于永磁材料的固有特性，永磁電機(jī)制成后其氣隙磁場(chǎng)基本保持恒定，這導(dǎo)致發(fā)電運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)和控制成為限制高性能永磁電機(jī)應(yīng)用和推廣的重要技術(shù)瓶頸，從電機(jī)本體

21、和控制度系統(tǒng)的角度出發(fā)，如何實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)成為永磁電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。</p><p>　　混合勵(lì)磁電機(jī)正是為解決永磁電機(jī)的上述問(wèn)題，努力將永磁勵(lì)磁和電勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式進(jìn)行合理的有機(jī)結(jié)合，最大限度地綜合兩者優(yōu)勢(shì)又能克服各自缺陷的一種新型電機(jī)。</p><p>　　混合勵(lì)磁電機(jī)是在永磁電機(jī)基礎(chǔ)上通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，引入輔助電勵(lì)磁繞組，達(dá)到改變永勵(lì)磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)或調(diào)壓性能的目的。

22、無(wú)論是電機(jī)本體方面，還是控制系統(tǒng)方面，混合勵(lì)磁電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比都有較明顯的區(qū)別，在許多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。所以，混合勵(lì)磁電機(jī)的研究不僅具有一定的理論意義，而且具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　1.2 混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀</p><p>　　1995年Lipo.T.A等人提出混合勵(lì)磁雙凸極（簡(jiǎn)稱HEDS）電機(jī)，如圖1.1，它

23、是在永磁式雙凸極電機(jī)的基礎(chǔ)上演變出的，將永磁與電勵(lì)磁進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，通過(guò)控制勵(lì)磁電流的方向和大小，可以調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)弱磁升速、增磁提高轉(zhuǎn)矩的功能?；谶@種混合勵(lì)磁思想，衍生出多種不同結(jié)構(gòu)型式的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)：</p><p>　　上海大學(xué)江建中教授提出了一種定子雙饋雙凸極永磁電機(jī)，如圖1.2，同樣，定子上既有永磁體，又有勵(lì)磁繞組，但與Lipo.T.A等人提出的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)不同之處在于，永磁體旁邊

24、附加了一條并聯(lián)磁分路，為直流勵(lì)磁磁通提供了一個(gè)通路，避免了直流勵(lì)磁磁勢(shì)直接作用于永磁體，減小了永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，并且通過(guò)磁分路磁阻的適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到用較小的直流勵(lì)磁磁勢(shì)獲得較大氣隙磁通調(diào)節(jié)范圍的目的；</p><p>　　東南大學(xué)程明教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了磁橋式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，其特點(diǎn)是在電機(jī)永磁體與直流勵(lì)磁繞組之間設(shè)置了一定尺寸的導(dǎo)磁橋，使電機(jī)定子鐵芯保持一個(gè)整體；<

25、;/p><p>　　南京航空航天大學(xué)的嚴(yán)仰光教授等在雙凸極電機(jī)方面作了很多研究工作，他們提出了一種新型的12/8極磁路獨(dú)立式的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1.4,這種并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)定子有兩并列的電樞鐵芯，一段為永磁勵(lì)磁，另一段為電勵(lì)磁，電樞繞組則共用，永磁部分電機(jī)和與電勵(lì)磁部分電機(jī)間用氣隙或非磁性金屬材料隔開一段距離，這樣可以減少永磁體作為磁勢(shì)源和勵(lì)磁繞組電流作為磁勢(shì)源產(chǎn)生的沿軸向的磁通間的交鏈，減少兩部

26、分電機(jī)的耦合，從而使兩部分電機(jī)磁勢(shì)建立的磁通互不關(guān)聯(lián)，經(jīng)各自的磁路閉合。</p><p>　　鑒于雙凸極電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，學(xué)者們對(duì)各結(jié)構(gòu)型式的雙凸極電機(jī)進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中于以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1、電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如電機(jī)中定轉(zhuǎn)子數(shù)目及幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)，氣隙的設(shè)計(jì)以及對(duì)各結(jié)構(gòu)之間不同關(guān)系下對(duì)電機(jī)的影響等設(shè)計(jì)。</p><p>　　2

27、、雙凸極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題。雙凸極電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電源的開關(guān)形式，使這種電機(jī)也存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)振動(dòng)、噪聲、速度波動(dòng)的根源，限制了這種電機(jī)的應(yīng)用范圍。因此，采取措施降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)于拓寬混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的應(yīng)用范圍、增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義。學(xué)者們就減小雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題也進(jìn)行了大量的研究。</p><p>　　3、雙凸極電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓紋波問(wèn)題。對(duì)電壓紋波產(chǎn)生影響的有很

28、多因素，如定轉(zhuǎn)子、氣隙等結(jié)構(gòu)的參數(shù)，勵(lì)磁磁場(chǎng)的強(qiáng)弱以及繞組及繞組曹的形狀等。學(xué)者們也在對(duì)此進(jìn)行各方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p>　　4、雙凸極電機(jī)控制原理。電機(jī)控制策略的研究始終是電機(jī)研究的一個(gè)重要的方面。</p><p>　　本文研究的目的和意義</p><p>　　相比傳統(tǒng)電機(jī)，雙凸極電機(jī)有很大的不同，而它在工業(yè)各領(lǐng)域的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用也表證了它的優(yōu)越性?；?/p>

29、合勵(lì)磁電機(jī)中既有永磁又有電勵(lì)磁，它是永磁電機(jī)和電勵(lì)磁的電機(jī)的有機(jī)結(jié)合。所以，對(duì)于剛剛進(jìn)入研究領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)研究混合雙凸極電機(jī)既有助于鞏固傳統(tǒng)電機(jī)的知識(shí)，也有助于理解并掌握現(xiàn)代電機(jī)的原理和不同電機(jī)之間的區(qū)別。</p><p>　　混合勵(lì)磁電機(jī)較好地解決了永磁雙凸極電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)困難以及電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)效率低的問(wèn)題，在許多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)既可在飛機(jī)、艦艇和車輛中作

30、為獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)用，也可并網(wǎng)運(yùn)行；混合勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)適合于作節(jié)能驅(qū)動(dòng)使用，而其中的寬調(diào)速系統(tǒng)可以在電動(dòng)車輛、機(jī)床驅(qū)動(dòng)和武器設(shè)備等高要求場(chǎng)合應(yīng)用，其優(yōu)越技術(shù)性能是其它類型電機(jī)所不具備的。</p><p>　　因此本課題的研究不僅具有一定的理論意義，而且具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　本文研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一章為緒論部分，主要包括從雙凸極

31、電機(jī)到混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的介紹，本文的研究背景，以及混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的國(guó)內(nèi)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)闡述了本文的研究目標(biāo)及意義；</p><p>　　第二章以6/4極電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)單元電機(jī)為引子，推出雙凸極電機(jī)定子極寬與定子極距之比，給出了混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件和多單元混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。最后，以12/8混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)為例闡述了混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的工作原理。</p><p

32、>　　第三章從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，依次介紹了混合勵(lì)磁雙凸極的磁鏈方程、電壓方程、功率方程等。根據(jù)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)各參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行電機(jī)各參數(shù)的設(shè)計(jì)并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。</p><p>　　第四章由電磁場(chǎng)計(jì)算的基本原理麥克斯韋方程組出發(fā)，簡(jiǎn)要闡述了電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法，引出并簡(jiǎn)要介紹了電機(jī)有限元軟件Ansoft Maxwell的計(jì)算原理。</p><p>　　第五章使用有限元軟件Ans

33、oft Maxwell對(duì)三相24/16極混合勵(lì)磁凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)建立模型，并對(duì)其進(jìn)行了空載和負(fù)載兩種狀態(tài)下的有限元分析計(jì)算。</p><p>　　第六章對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)工作中存在的問(wèn)題稍作總結(jié)，并對(duì)以后的工作做出展望。</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙凸極發(fā)電機(jī)是在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型電機(jī)，同屬于

34、變磁阻發(fā)電機(jī)（Variable Reluctance Generator，簡(jiǎn)稱VRG）。由于雙凸極發(fā)電機(jī)輸出電壓波形非正弦，一般后接整流電路，輸出直流電，也稱為雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)。</p><p>　　本章闡述了DSG定子極寬與定子極距之比的選擇、DSG三種不同的發(fā)電方式以及不同勵(lì)磁磁源DSG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。以6/4極電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)（DSEG）單元電機(jī)為雛形，衍變出一組多轉(zhuǎn)子極6/4N 極DSEG單元電機(jī)，討論

35、了多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機(jī)N的取值，推導(dǎo)了定子極寬與定子極距之比和電勢(shì)波形寬度表達(dá)式，總結(jié)出構(gòu)建新電機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的三個(gè)條件。之后，給出了混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件，并給出了多單元混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。最后，以12/8混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)為例闡述了混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的基本工作原理。</p><p>　　三相雙凸極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.1 單元電機(jī)結(jié)構(gòu)型式與類

36、型</p><p>　　圖2.1三相6/4極雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　三相雙凸極發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式為6/4極結(jié)構(gòu)，為最簡(jiǎn)單的三相雙凸極發(fā)電機(jī)，稱為單元電機(jī)，如圖2.1所示。電機(jī)的定子有6個(gè)在圓周上均勻分布的定子極，每個(gè)定子極上裝有集中非疊繞組，空間相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。轉(zhuǎn)子上有均勻分布的4個(gè)轉(zhuǎn)子極，轉(zhuǎn)子極上沒(méi)有繞組。</p><p>　　與開

37、關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)不同的是，雙凸極發(fā)電機(jī)的定子比開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)多一套勵(lì)磁磁源。為使勵(lì)磁磁源產(chǎn)生的定位力矩理論上為零，勵(lì)磁磁路磁導(dǎo)應(yīng)不受轉(zhuǎn)子位置影響。則雙凸極發(fā)電機(jī)的定子極的寬度與定子極距之比應(yīng)滿足（2.1），而轉(zhuǎn)子極的寬度一般等于或大于定子極的寬度。</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　單元電機(jī)結(jié)構(gòu)型式的衍變</p><p

38、>　　6/4極DSEG單元電機(jī)的定子極數(shù)為轉(zhuǎn)子極數(shù)的1.5倍。若保持三相DSEG單元電機(jī)的定子極數(shù)不變，轉(zhuǎn)子極數(shù)成倍增加，可以衍變出一組DSEG單元電機(jī)的派生形式，即6/4N極DSEG單元電機(jī)（N=1、2……正整數(shù)），如6/8、6/16極等。當(dāng)N2時(shí)，派生形式DSEG單元電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)大于定子極數(shù)，也稱為多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機(jī)。由于單元電機(jī)的定子極數(shù)未變，僅轉(zhuǎn)子極數(shù)成倍增加，電機(jī)仍為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子所受徑向電磁力平衡。</p

39、><p>　　DSEG單元電機(jī)的頻率與轉(zhuǎn)子極數(shù)4N有關(guān)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，定子極和轉(zhuǎn)子極完全重合4N次，電樞繞組匝鏈的磁鏈也變化4N個(gè)周期，則相電勢(shì)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：</p><p>　　= （2.2）</p><p>　　式中為電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min。

40、對(duì)6/4極DSEG電機(jī)，N=1，=/15。雙凸極電機(jī)的極對(duì)數(shù)等于轉(zhuǎn)子極數(shù)，則單元電機(jī)定子內(nèi)表面圓周的電角度與機(jī)械角度有如下關(guān)系:</p><p><b>　　=</b></p><p>　　= （2.3）</p><p>　　雙凸極電機(jī)電

41、樞繞組為集中非疊繞組，相鄰定子電樞繞組元件的相位差取決于相鄰定子極之間的電角度：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　= （2.4）</p><p><b>　　=</b></p><

42、p>　　(1) 為構(gòu)成三相電樞繞組，相鄰定子極電樞繞組元件的相位差應(yīng)等于電角度或電角度，因此N為3及3的整數(shù)倍以外的正整數(shù)，由此得到三相雙凸極單元電機(jī)定子極數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)可能的配合關(guān)系為：6/4、6/8、6/16、6/20、6/28……</p><p>　　(2) 由（2.4）可知，當(dāng)N=1時(shí)，電機(jī)為6/4極DSEG，=，沿電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，定子極電樞繞組元件的相序?yàn)锳相C相B相A相C相。當(dāng)N=2時(shí)，電機(jī)為6

43、/8極DSEG，=，沿電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，定子極電樞繞組元件的相序?yàn)锳相B相 C相A相 B相。</p><p>　　雙凸極發(fā)電機(jī)按主電路接法不同，有三種發(fā)電方式,即開關(guān)磁阻發(fā)電方式（Switched Reluctance Generation mode，簡(jiǎn)稱SRG發(fā)電方式）、雙凸極發(fā)電方式1(Doubly Salient Generation mode 1，簡(jiǎn)稱DSG1發(fā)電方式)和雙凸極發(fā)電方式2((Doubly

44、Salient Generation mode 2，簡(jiǎn)稱DSG2發(fā)電方式)，如圖2.2。</p><p>　　SRG發(fā)電方式：當(dāng)轉(zhuǎn)子極滑出定子極時(shí)，相繞組匝鏈的勵(lì)磁磁鏈減小，繞組感應(yīng)電勢(shì)為正。若在此區(qū)間電機(jī)向負(fù)載供電，由楞次定律，負(fù)載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵(lì)磁磁鏈減小，繞組的連接方式如圖2.2(a)所示。</p><p>　　DSG1發(fā)電方式：當(dāng)轉(zhuǎn)子極滑入定子極時(shí)，相繞組匝鏈的勵(lì)磁磁鏈增加，繞

45、組感應(yīng)電勢(shì)為負(fù)。若在此區(qū)間電機(jī)向負(fù)載供電，負(fù)載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵(lì)磁磁鏈增加，繞組的連接方式如圖2.2(b)所示。</p><p>　　DSG2發(fā)電方式：為SRG發(fā)電方式和DSG1發(fā)電方式的組合，轉(zhuǎn)子極滑入和滑出區(qū)間都發(fā)電。在轉(zhuǎn)子極滑入定子極區(qū)間，負(fù)載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵(lì)磁磁鏈增加。在轉(zhuǎn)子極滑出定子極區(qū)間，負(fù)載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵(lì)磁磁鏈減小，如圖2.2（c）所示。</p><p>　　圖2

46、.2三種發(fā)電方式繞組連接</p><p>　　2.1.3 定子極寬/定子極距之比</p><p>　　若不考慮定、轉(zhuǎn)子極間邊緣效應(yīng)，6/4N極DSEG單元電機(jī)的三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導(dǎo)之和應(yīng)與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)，從而保證勵(lì)磁磁路磁導(dǎo)不受轉(zhuǎn)子位置的影響。其定子極寬/定子極距可以由6/4極單元電機(jī)的定子極寬/定子極距之比推導(dǎo)得出。</p><p>　　給出12/8極DSEG，為

47、兩個(gè)6/4極DSEG單元電機(jī)的組合，其定子極寬/定子極距之比為1/2。若省去圖2.3(a) 12/8極DSEG相間的定子極，得到圖2.3 (b) 所示6/8極DSEG單元電機(jī)。由于定子極寬不變而極數(shù)減半，6/8極DSEG單元電機(jī)的定子極寬/定子極距之比降低為1/4，且勵(lì)磁繞組元件數(shù)比12/8極DSEG減小一半。由于勵(lì)磁繞組元件仍然跨過(guò)A、B、C三相定子極且三相定子極與轉(zhuǎn)子極之間的相對(duì)位置未變，則三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導(dǎo)之和與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。

48、</p><p>　　同理，圖2.3 (c)所示12/16極DSEG為2個(gè)6/8極DSEG單元電機(jī)的組合。若省去圖2.3 (c) 12/16極DSEG相間的定子極，得到圖2.3 (d)所示6/16極DSEG單元電機(jī)，6/16極DSEG單元電機(jī)的定子極寬/定子極距降低為1/8，且三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導(dǎo)之和與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。</p><p>　　圖2.3 定子極寬與轉(zhuǎn)子極距的導(dǎo)出</p&

49、gt;<p>　　一般地，對(duì)三相6/(4N)極DSEG單元電機(jī)，其定子極寬與定子極距比為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　電勢(shì)波形寬度</b></p><p>　　由式（2.3）和（2.5）可得到三相6/4N極DSEG單元電機(jī)的定子極弧所占電角度為：</p&

50、gt;<p>　　= （2.6）</p><p>　　由（2.6）可以看出，三相6/4N極DSEG定子極弧所占電角度為不變，與N無(wú)關(guān)。即三相6/4N極DSEG電勢(shì)波形寬度為不變。</p><p>　　多單元結(jié)構(gòu)雙凸極發(fā)電機(jī)</p><p>　　

51、(N＝1、2、4、5……) 為三相雙凸極發(fā)電機(jī)的單元電機(jī)，則三相多單元雙凸極發(fā)電機(jī)是指由多個(gè)三相單元電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)，即，k=1、2、3……正整數(shù)。當(dāng)k2時(shí)即為多單元雙凸極發(fā)電機(jī)。隨k的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑與定子內(nèi)徑比越接近1，轉(zhuǎn)子內(nèi)為機(jī)械支撐的輻條和轉(zhuǎn)軸，外形接近自行車車輪形狀。</p><p>　　為了在大直徑的情況下降低電機(jī)的體積重量、提高效率，必須采用多極結(jié)構(gòu)。而對(duì)雙凸極電機(jī)而言，多極電機(jī)就是多單元電機(jī)。&l

52、t;/p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)由多個(gè)（設(shè)為k個(gè)）勵(lì)磁磁源性質(zhì)不同的雙凸極單元電機(jī)組成。</p><p>　　圖2.4是（k=3）極三相混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)截面圖，電機(jī)的勵(lì)磁磁源為4塊條形永磁體和1套勵(lì)磁繞組元件。永磁體和勵(lì)磁繞組產(chǎn)生極性交錯(cuò)分布的空載磁場(chǎng)，如圖2.4中箭頭所示。為使轉(zhuǎn)子受到的徑向電磁力平衡，

53、4塊條形永磁體分兩組，對(duì)稱分布在定子軛兩側(cè)。</p><p>　　圖2.4 混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)（k=3，N=1）</p><p>　　定子極A1、A4、B1、B4 、C1和C4上電樞繞組所匝鏈的磁鏈由永磁體產(chǎn)生。定子極A2、A3、A5、A6、B2、B3、B5、B6、C2、C3、C5和C6上電樞繞組所匝鏈的磁鏈由電勵(lì)磁繞組和永磁體共同產(chǎn)生。正向加大勵(lì)磁電流使這些電樞繞組元件的磁鏈最大值加

54、大。反向加大勵(lì)磁電流，可減小磁鏈最大值。</p><p>　　若將定子極A1~A6、B1~B6、C1~C6上電樞繞組互相串聯(lián)，就構(gòu)成單輸出混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)。若將定子極A1、A4、B1、B4、C1、C4上電樞繞組分別串聯(lián)后構(gòu)成一組三相繞組，定子極A2、A3、A5、A6，B2、B3、B5、B6，C2、C3、C5、C6上電樞繞組分別串聯(lián)后構(gòu)成另一組三相繞組，則混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)為雙輸出電機(jī)。</p>

55、<p>　　雙輸出電機(jī)通常作發(fā)電機(jī)使用，前者為永磁發(fā)電機(jī)，后者為混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。若不計(jì)漏磁，則當(dāng)勵(lì)磁電流=0時(shí)，混合勵(lì)磁電機(jī)三相電動(dòng)勢(shì)為零，而永磁發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)最大。</p><p>　　圖2.5是（k=4）極混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)，圖2.5 (a)電機(jī)勵(lì)磁磁源為4塊條形永磁體和2套勵(lì)磁繞組元件，圖 2.5(b)勵(lì)磁磁源為6塊條形永磁體和1套勵(lì)磁繞組元件。為了產(chǎn)生極性交錯(cuò)分布的空載磁場(chǎng)，圖2.5 (b

56、)中勵(lì)磁繞組元件的兩邊電流方向相同，這顯然是不合理的。圖2.5(a)電機(jī)也可有兩種輸出方式，單輸出和多輸出。</p><p>　　圖2.5 混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)（k=4，N=1）</p><p>　　由上分析可見，混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的構(gòu)成條件：</p><p>　?。?）永磁體必須為偶數(shù)，對(duì)稱排列；</p><p>　?。?）勵(lì)磁繞組元件

57、至少一個(gè)，且勵(lì)磁繞組元件的兩有效邊電流必須反向；</p><p>　　（3）相對(duì)定子極電樞繞組應(yīng)串聯(lián)。</p><p>　　表2.1給出幾種典型的混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)。勵(lì)磁元件數(shù)與永磁體數(shù)之半之比將確定電機(jī)調(diào)磁能力大小，比值大于1時(shí)氣隙平均磁場(chǎng)可調(diào)到0，小于1則調(diào)不到0。</p><p>　　采用同樣的方法，可以構(gòu)成多轉(zhuǎn)子極混合勵(lì)磁單元電機(jī)。</p>

58、<p>　　表2.1 HEDSG的單元電機(jī)</p><p>　　多個(gè)混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)可組合成多單元混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)。圖2.6(a) 的k=6，36/24極電機(jī)由2個(gè)圖2.4所示18/12極混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)組合而成。圖2.6 (b)的k=8，48/32極電機(jī)由2個(gè)圖2.4(a)所示24/16極混合勵(lì)磁雙凸極單元電機(jī)組合而成。</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)

59、的工作原理</p><p>　　圖2.7為 (k=2)極HEDS電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，定子上裝有集中直流勵(lì)磁繞組和電樞繞組，空間相對(duì)的四個(gè)定子齒上的電樞繞組兩兩串聯(lián)，兩組電樞繞組或串連或并聯(lián)形成三相電樞繞組，星形連接。定子軛部嵌入4塊切向沖磁的永磁體，形成電機(jī)在無(wú)直流調(diào)磁時(shí)的氣隙主磁場(chǎng)。與永磁體相鄰的定子槽內(nèi)放置電勵(lì)磁繞組，用以調(diào)節(jié)電機(jī)氣隙主磁場(chǎng)。

60、定子極弧為定子齒距的1/2，即/12機(jī)械角，這樣可以保證一個(gè)極（N極或S極）下轉(zhuǎn)子齒與定子齒的重疊角度之和恒等于轉(zhuǎn)子極弧，而與轉(zhuǎn)子位置角無(wú)關(guān)，從而使合成氣隙磁導(dǎo)為一常數(shù)，磁鋼工作點(diǎn)將不隨著轉(zhuǎn)子位置角的改變而變化，任一相電樞繞組所交鏈的勵(lì)磁磁鏈（永磁磁鏈和電勵(lì)磁磁鏈之和）僅與該相磁導(dǎo)成正比。 空載時(shí)，混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)電樞繞組所匝鏈的勵(lì)磁磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位置角、勵(lì)磁直流和電樞繞組與勵(lì)磁繞組間互感的函數(shù)。對(duì)圖2.7所示定、轉(zhuǎn)子極弧為/的混

61、合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的三相永磁磁鏈曲線和電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感曲線作線性化處理，圖2.8為轉(zhuǎn)子位置角在區(qū)間（，）內(nèi)（相當(dāng)于電角度），三相永磁磁鏈、電樞繞組和勵(lì)磁繞組間互感與轉(zhuǎn)</p><p>　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子在外力驅(qū)動(dòng)下以一定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，不同勵(lì)磁直流時(shí)電樞繞組上產(chǎn)生的空載感應(yīng)電勢(shì)波形如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9 不同勵(lì)磁直流下空載感應(yīng)電勢(shì)</p><p

62、><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本章從三相6/4極雙凸極單元電機(jī)出發(fā)，導(dǎo)出三相多轉(zhuǎn)子極雙凸極單元電機(jī)，討論了多單元結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，闡述了混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的工作原理。</p><p>　?。?）導(dǎo)出的雙凸極電機(jī)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)對(duì)稱，相鄰定子極電樞繞組元件電動(dòng)勢(shì)相位差和電機(jī)相數(shù)協(xié)調(diào)，勵(lì)磁繞組元件所跨過(guò)的定子極下氣隙磁導(dǎo)之和不受轉(zhuǎn)子位置

63、影響三個(gè)條件。</p><p>　?。?）三相雙凸極單元電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子配合關(guān)系為6/(4N)，其中N為除3和3的倍數(shù)以外的自然數(shù)。衍變出的多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機(jī)的電勢(shì)波形寬度相等，為。</p><p>　?。?）多極雙凸極電機(jī)是由多個(gè)單元電機(jī)構(gòu)成的多單元結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)。</p><p>　?。?）混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的永磁體必須為偶數(shù)塊，且對(duì)稱分布在定子軛兩側(cè)，勵(lì)

64、磁元件至少有一個(gè)，且它的兩有效邊電流反向。永磁體與勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生極性交錯(cuò)分布的空載磁場(chǎng)。相對(duì)兩定子極上的元件串聯(lián)。電機(jī)繞組有單輸出和雙輸出兩種連接方式。</p><p>　　第三章 混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要進(jìn)行混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。首先從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，依次介紹了混合勵(lì)磁雙凸極的磁鏈方程、電壓方程、功率方程等。之后根據(jù)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)

65、各參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行電機(jī)各參數(shù)的設(shè)計(jì)并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括磁鏈方程、電壓方程、功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械方程。由于雙凸極結(jié)構(gòu)以及磁路飽和效應(yīng)等因素的影響，電機(jī)參數(shù)如磁鏈、電感等都不是常數(shù)，不僅與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，而且還是電樞繞組電流和勵(lì)磁繞組電流的函數(shù)，很難用解析式準(zhǔn)確表達(dá)，但是混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的

66、工作原理仍滿足電學(xué)理論中的基本原理和定律，如能量守恒原理、磁路基本定律、電路基本定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律等。</p><p><b>　　磁鏈方程</b></p><p>　　對(duì)于雙凸極電機(jī)，繞組中通入電流時(shí)，三相電樞繞組所匝鏈的磁鏈可用下式表示：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p

67、>　　式中為各相繞組所匝鏈的磁鏈矩陣，為各相繞組所匝鏈的勵(lì)磁磁鏈矩陣，為繞組電感矩陣，為繞組中電流矩陣。</p><p>　　在混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)中，為永磁磁鏈與電勵(lì)磁磁鏈之和形成的磁鏈矩陣：</p><p>　　= （3.2）</p><p>　　故，混合勵(lì)磁

68、雙凸極電機(jī)的磁鏈方程也可表達(dá)為：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　式中, ，</p><p>　　, </p><p>　　其中，，，分別為a、b、c三相繞組匝鏈的磁鏈，為勵(lì)磁繞組匝鏈的磁鏈；，，，分別為a、b、c三相電樞繞組和勵(lì)磁繞組匝鏈的永磁磁鏈；、、、

69、分別為a、b、c相電樞繞組和勵(lì)磁繞組的自感；、、、、、分別為各相電樞繞組之間的互感；、、、、、分別為各項(xiàng)電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感；、、、分別為a、b、c相電樞繞組中的電流和勵(lì)磁電流。</p><p><b>　　電壓方程</b></p><p>　　根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電磁感應(yīng)定律，繞組端電壓等于因磁鏈變化產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與內(nèi)抗壓降之和，電壓平衡方程為：</

70、p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　其中，繞組端電壓=，繞組電阻。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩方程在參考文獻(xiàn)[]中通過(guò)功率平衡原理推得，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　?。?.5）<

71、;/b></p><p>　　式中 （3.6）</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　為電樞繞組自感和電樞繞組間互感隨轉(zhuǎn)子位置角θ變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩；為電樞繞組匝鏈的勵(lì)磁磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角θ變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，這是輸出轉(zhuǎn)矩的主要構(gòu)

72、成部分。</p><p><b>　　機(jī)械方程</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為摩擦系數(shù)，為

73、負(fù)載轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　混合勵(lì)磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)</p><p><b>　　磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)存在兩種類型的勵(lì)磁源：一種是永磁勵(lì)磁源，另一種是電勵(lì)磁源。額定狀態(tài)下，電機(jī)主磁場(chǎng)只由永磁勵(lì)磁源產(chǎn)生；在磁場(chǎng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下，除了永磁勵(lì)磁源產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)外，還有電勵(lì)磁源產(chǎn)生的調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，兩種勵(lì)磁源磁場(chǎng)在氣隙中相

74、互疊加，產(chǎn)生電機(jī)主磁場(chǎng)。當(dāng)電勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與永磁勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同時(shí)，氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)；當(dāng)電勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與永磁勵(lì)磁源產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反時(shí)，氣隙磁場(chǎng)減弱。因此通過(guò)改變直流勵(lì)磁磁勢(shì)的大小，就能夠有效調(diào)節(jié)主氣隙磁通。</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)第二章的分析，三相雙凸極電機(jī)的定子數(shù)和轉(zhuǎn)子數(shù)配合關(guān)系滿足：</p&

75、gt;<p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　其中，k=1,2,3………，正整數(shù)，N為除3及3倍數(shù)以外的自然數(shù)。</p><p>　　三相雙凸極電機(jī)定子極寬與定子極距的配合關(guān)系滿足：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙

76、凸極電機(jī)幾何尺寸間的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式中，指定子內(nèi)徑，鐵芯長(zhǎng)度，是額定功率，氣隙磁密，定子線負(fù)荷，是額定轉(zhuǎn)速，、、、是由電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的系數(shù)，表示效率。</p><p>　　當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式和主要尺寸確定后，可以根據(jù)以下兩式對(duì)永磁體尺寸進(jìn)行初步計(jì)算選擇：</p>

77、<p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p>　　式中，、分別為永磁體的寬度和高度。為氣隙厚度，漏磁系數(shù)，為三相定子極與轉(zhuǎn)子極重疊角度之和，為永磁體在工作點(diǎn)處的磁通密度，、分別為永磁體的剩磁密度和矯頑力，為氣隙磁導(dǎo)率，為勵(lì)磁直流，為永磁體長(zhǎng)度=。</p>&l

78、t;p>　　每相繞組匝數(shù)可以由下式進(jìn)行初步計(jì)算選擇：</p><p><b>　　（3.15）</b></p><p>　　式中，氣隙磁密，是額定轉(zhuǎn)速，指定子內(nèi)徑，鐵芯長(zhǎng)度。</p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)要求：額定功率2kW，額定電壓500V，電機(jī)

79、額定轉(zhuǎn)速500r/min。經(jīng)參考文獻(xiàn)并分析設(shè)計(jì)，得到混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3.1。</p><p>　　表3.1 三相HEDSG主要設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)電磁場(chǎng)研究方法</p><p>　　本章從電磁場(chǎng)研究的最基本理論——麥克斯韋方程組出發(fā)，引出了電磁場(chǎng)計(jì)算中所用到的位函數(shù)及邊界條件。進(jìn)而引出電機(jī)中電磁場(chǎng)常用計(jì)算方法——有限元法并

80、做了簡(jiǎn)要介紹和闡述。最后簡(jiǎn)要介紹了電機(jī)有限元計(jì)算軟件Ansoft Maxwell的基本原理及仿真的基本步驟。</p><p><b>　　電磁場(chǎng)基本理論</b></p><p>　　電磁場(chǎng)的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機(jī)中一切電磁過(guò)程都可以從麥克斯韋方程出發(fā)進(jìn)行分析。在解決電機(jī)具體問(wèn)題時(shí)，常常采用位函數(shù)表示，位函數(shù)比場(chǎng)量本身更容易建立邊界條件。</p>

81、<p><b>　　麥克斯韋方程</b></p><p>　　麥克斯韋方程組是麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出適用于所有宏觀電磁現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。麥克斯韋方程由四個(gè)定律組成：安培環(huán)路定律(4.1)、法拉第電磁感應(yīng)定律(4.2)、高斯定律(4.3)、磁通連續(xù)性原理(4.4)。</p><p>　　麥克斯韋方程組有兩種形式，積分形式和微分形式。</p>

82、;<p><b>　　積分形式：</b></p><p><b>　　(4.1a)</b></p><p><b>　　(4.2a)</b></p><p><b>　　(4.3a)</b></p><p><b>　　(4.4a)

83、</b></p><p><b>　　微分形式:</b></p><p><b>　　(4.1b)</b></p><p><b>　　(4.2b)</b></p><p><b>　　(4.3b)</b></p><p&g

84、t;<b>　　(4.4b)</b></p><p>　　其中，H—磁場(chǎng)強(qiáng)度，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，E—電場(chǎng)強(qiáng)度，D—電位移，J—電流密度，—電荷密度，分別為介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，則有：</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　位函數(shù)</b></p><p

85、>　　在計(jì)算電機(jī)電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，引用位函數(shù)作為輔助量可以減少未知數(shù)的個(gè)數(shù)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。在旋度為零的無(wú)旋場(chǎng)中可以采用標(biāo)量位函數(shù)，在有旋場(chǎng)中使用矢量位函數(shù)。比如在無(wú)旋場(chǎng)中引入標(biāo)量電位或標(biāo)量磁位，它們與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系是：</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p

86、>　　式中負(fù)號(hào)表示電位（或磁位）梯度與電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）強(qiáng)度方向相反。對(duì)（4.5）兩端取散度得：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　應(yīng)用高斯定律可得到：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　這就是靜電場(chǎng)的泊松方程。在沒(méi)有自由電荷區(qū)域

87、時(shí)，，此時(shí)的泊松方程稱為拉普拉斯方程：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　?。?.8）和（4.9）合稱為電位場(chǎng)的微分方程。</p><p>　　同理，對(duì)于磁場(chǎng)，在沒(méi)有電流的區(qū)域，滿足拉普拉斯方程：</p><p><b>　?。?.10）</b></p>

88、<p>　　在有電流的區(qū)域，由于，屬于有旋場(chǎng)，引入矢量磁位A（Wh/m）,A和B滿足：，則有：</p><p><b>　　(4.11）</b></p><p>　　對(duì)于沒(méi)有電流存在的區(qū)域，矢量磁位A同樣能夠應(yīng)用，因?yàn)槿我馐噶康男仍偃∩⒍群銥?，</p><p><b>　?。?.12）</b></p&

89、gt;<p>　　即磁通連續(xù)性的條件永遠(yuǎn)滿足。在求解具體問(wèn)題時(shí)，如在恒定磁場(chǎng)中，有庫(kù)倫規(guī)范條件：</p><p><b>　　(4.13)</b></p><p>　　由(4.11)可以得到A滿足矢量形式的泊松方程：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　

90、　由此可根據(jù)電流分布先求出矢量磁位A，再使用求出B。</p><p><b>　　邊界條件</b></p><p>　　電磁場(chǎng)的分析和計(jì)算通常歸結(jié)為求微分方程的解。對(duì)于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就成為唯一的。對(duì)于偏微分方程，使其能成為唯一的輔助條件可以分為兩種，一種是表達(dá)場(chǎng)的邊界所處的物理情況，稱為邊界條件；一種種是確定場(chǎng)的初始狀態(tài)，稱為初始條件

91、。邊界條件和初始條件合稱為定解條件。未附加定解條件的描寫普遍規(guī)律的微分方程稱為泛定方程。泛定方程是解決問(wèn)題的依據(jù)，但不能確定具體的物理過(guò)程，它的解的個(gè)數(shù)是無(wú)限多的。泛定方程和定解條件作為一個(gè)整體，稱為定解問(wèn)題。能得到唯一而穩(wěn)定的解才稱為適定的。</p><p>　　邊界條件通常有兩種情況：</p><p>　　邊界上的物理?xiàng)l件規(guī)定了物理量在邊界上的值，稱為第一類邊界條件：</p>

92、;<p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，稱為第一齊次邊界條件。</p><p>　?。?）邊界上的物理?xiàng)l件規(guī)定了物理量及其法向?qū)?shù)在邊界上的某一線性關(guān)系，稱為第二類邊界條件：</p><p><b>　　(4.16)</b></p><p>　　其中,為邊

93、界的外法線矢量，和為一般函數(shù)，當(dāng)為零時(shí)，稱為第二類齊次邊界條件。</p><p>　　在解拉普拉斯方程時(shí)，上面兩類邊值問(wèn)題分別稱為狄里克萊問(wèn)題和諾依曼問(wèn)題，所以這兩類邊界條件也分別稱為狄里克萊邊界條件和諾依曼邊界條件。</p><p>　　電磁場(chǎng)二維有限元計(jì)算方法簡(jiǎn)介</p><p>　　電機(jī)電磁場(chǎng)的計(jì)算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。在各種的求解偏微分方程的數(shù)學(xué)方

94、法中，有限元法由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展而被廣泛應(yīng)用于電磁場(chǎng)的計(jì)算。</p><p>　　有限元法是根據(jù)變分原理和離散化而求取近似解的方法。所謂有限元法，就是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為“單元”或者“有限元”，將求解邊界ent的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每個(gè)小區(qū)域，然后把各個(gè)小區(qū)域的結(jié)果綜合起來(lái)得到整個(gè)區(qū)域的解。</p><p>　　電機(jī)中的電磁場(chǎng)問(wèn)題一般歸結(jié)為一個(gè)

95、偏微分方程的邊值問(wèn)題，有限元法不是直接以它為對(duì)象去求解，而是首先從偏微分方程邊值問(wèn)題出發(fā)，找出一個(gè)稱為能量泛函的積分式，令它在滿足第一類邊界條件的前提下取極值，即構(gòu)成條件變分問(wèn)題。這個(gè)條件變分問(wèn)題是和偏微分方程邊值問(wèn)題等價(jià)的。有限元法便是以條件變分問(wèn)題作為對(duì)象來(lái)求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的。與此同時(shí)，將場(chǎng)的求解區(qū)域剖分成有限個(gè)單元，在每個(gè)單元內(nèi)部，近似地認(rèn)為任一點(diǎn)的求解函數(shù)是在單元節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值之間隨著坐標(biāo)變化而線性變化的，因此在單元中構(gòu)造出插值函數(shù)

96、。然后把插值函數(shù)代入能量泛函的積分式，把泛函離散化為多元函數(shù)。根據(jù)極值原理，將能量函數(shù)對(duì)每一個(gè)自變量求偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，便得到一個(gè)線性代數(shù)或非線性方程。最后對(duì)此方程組由第一類邊界條件作修正并借助于電子計(jì)算機(jī)求解。</p><p>　　可以將有限元法的歸納為下面四個(gè)基本步驟:</p><p>　　列出與偏微分方程邊值問(wèn)題等價(jià)的條件變分問(wèn)題；</p><p>　　將

97、區(qū)域作為三角單元剖分,并在單元中構(gòu)造出線性插值函數(shù)；</p><p>　　將能量泛函的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為能量函數(shù)的極值問(wèn)題,建立線性方程組；</p><p><b>　　求解線性方程組。</b></p><p>　　有限元軟件Ansoft Maxwell</p><p>　　Ansoft Maxwell是一款商用低頻電磁場(chǎng)有

98、限元軟件，在各個(gè)工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本論文主要應(yīng)用Maxwell 2D部分進(jìn)行混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的有限元仿真。Maxwell 2D仿真基本步驟為：</p><p>　　1.指定求解類型（Solution type）。</p><p>　　2.創(chuàng)建幾何模型并指定材料屬性（Draw Model & Material）。</p><p>　　3.施加邊

99、界條件和源（Boundary & Meterial）。</p><p>　　4.添加求解選項(xiàng)（Add Solution Setup）并驗(yàn)證模型（Validate）</p><p>　　5.求解（Analyze All）</p><p>　　6.求解后處理繪圖場(chǎng)量圖和取數(shù)據(jù)（Result & Field Overlays）</p><

100、;p>　　在一些具體問(wèn)題中，還需要運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置（Motion setup）、電機(jī)外電路（External Circuit）的創(chuàng)建及設(shè)置等步驟。</p><p>　　Maxwell 2D按照計(jì)算模型所需的求解器主要分為：靜磁場(chǎng)（Magnetostatic）、渦流場(chǎng)（Eddy Current）、瞬態(tài)磁場(chǎng)（Transient）、靜電場(chǎng)（Electrostatic）、交變電場(chǎng)（AC Conduction）直流傳導(dǎo)電

101、場(chǎng)（DC Conduction）。</p><p>　　Maxell 2D求解過(guò)程中主要施加的邊界條件有：</p><p>　?。?）狄里克萊邊界條件</p><p>　?。?）諾依曼邊界條件</p><p>　　（3）自然邊界條件：不同媒質(zhì)交界面上場(chǎng)量的切向分量和法向分量的邊界條件。自然邊界條件不需用戶指定，默認(rèn)的邊界條件。</p&g

102、t;<p>　　（4）對(duì)稱邊界條件：對(duì)稱邊界條件施加與求解場(chǎng)在物理或幾何上嚴(yán)格對(duì)稱，包括奇對(duì)稱和偶對(duì)稱兩大類。</p><p>　?。?）周期邊界條件：亦稱匹配邊界條件，是計(jì)算周期性重對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)采用的邊界條件。</p><p>　?。?）氣球邊界條件：指定求解區(qū)域外邊界處，一般用于絕緣系統(tǒng)，也可用于模擬無(wú)限元邊界。</p><p>　?。?）阻抗邊界條

103、件：用來(lái)模擬介質(zhì)層的邊界條件。</p><p>　　Ansoft Maxwell 2D中常用的求解方程有：</p><p>　?。?）二維靜電場(chǎng)求解器滿足的泊松方程（4.8）</p><p>　?。?）二維穩(wěn)恒電場(chǎng)求解器所滿足的拉普拉斯方程（4.9）</p><p>　　（3）二維交變電場(chǎng)求解器所滿足的復(fù)數(shù)拉普拉斯方程:</p>

104、<p><b>　?。?.17）</b></p><p>　?。?）二維靜磁場(chǎng)求解器所滿足的矢量形式的泊松方程（4.14）；</p><p>　?。?）二維渦流求解器所滿足的波動(dòng)方程：</p><p><b>　　（4.18）</b></p><p>　?。?）二維軸向磁場(chǎng)求解器所滿足的

105、齊次波動(dòng)方程：</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的有限元計(jì)算</p><p>　　本章根據(jù)前面幾章的原理闡述及計(jì)算設(shè)計(jì)，使用有限元軟件Ansoft Maxwell對(duì)三相24/16極混合勵(lì)磁凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)建立模型，并對(duì)其進(jìn)行了空載和負(fù)載兩種狀態(tài)下的有限元分析計(jì)算。</p>

106、<p>　　混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的模型建立</p><p>　　根據(jù)表1，建立的混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)模型如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 HEDSG模型</p><p>　　圖5.2為所建模型的有限元網(wǎng)格剖分圖。圖5.3為混合勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)各個(gè)部分的有限元網(wǎng)格圖。</p><p>　　圖5.4為電機(jī)

107、外整流電路。</p><p><b>　　圖5.4 整流電路</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的空載計(jì)算</p><p>　　如圖5.4為仿真空載外電路。</p><p><b>　　圖5.4 空載電路</b></p><p><b>　　空載磁場(chǎng)與

108、氣隙磁密</b></p><p>　　混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的空載磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子位置與勵(lì)磁電流有關(guān)。如圖5.1中，沿坐標(biāo)軸對(duì)稱的為A相定子極，定義轉(zhuǎn)子極中心線和A相定子極中心線夾角為轉(zhuǎn)子位置角。分別給出轉(zhuǎn)子位置角為0(0電角度)、3.75 (60電角度)、7.5 (12.5電角度)和11.25 (180電角度)時(shí)，不同勵(lì)磁電流的電機(jī)空載磁場(chǎng)，以及各角度的氣隙磁密分布圖。在氣隙磁密計(jì)算中，所作的氣隙弧半徑為11

109、1.3mm，弧長(zhǎng)約為350mm。在永磁勵(lì)磁磁鏈下的A相定子中心線處distance為0稱為AP，在永磁勵(lì)磁和電勵(lì)磁混合磁鏈下的A相定子中心線distance約為87mm稱為AH，在電樞繞組勵(lì)磁磁鏈下的A相定子極中心線distance約為175mm稱為AE。</p><p>　　圖5.5為=0轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極與A相定子極完全重合。相鄰的兩轉(zhuǎn)子極正好滑入C相定子極和滑出B相定子極。此時(shí)，A相定子極下為最大氣隙磁密，磁

110、密值在勵(lì)磁電流為6A時(shí)AP為1.32T，AH為1.08T，AE為0.78T，磁密值在勵(lì)磁電流為12A時(shí)AP為1.28T，AH為1.32T，AE為1.38T。</p><p>　　圖5.6為=3.75轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極滑出A相半個(gè)定子極，且相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子極滑入C相半個(gè)定子極。此時(shí)，由于定轉(zhuǎn)子的邊緣效應(yīng)，氣隙波形變得不再方正。A相定子極中心線下的氣隙磁密的磁密在勵(lì)磁電流為6A時(shí)AP為0.72T，AH為0.58T，AE為

111、0.42T，勵(lì)磁電流為12A時(shí)AP為0.75T，AH為1.54T，AE為1.64T。</p><p>　　圖5.7為=7.5轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極與C相定子極完全重合，且相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子極正好滑入B相定子極和正好滑出A相定子極。此時(shí)C相定子極下的氣隙磁密最大，A相定子磁密值在勵(lì)磁電流為6A時(shí)AP為0.14T，AH為0.2T，AE為0.05T，勵(lì)磁電流為12A時(shí)AP為0.06T，AH為0.1T，AE為0.12T。</

112、p><p>　　圖5.8為=11.25轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極滑出C相半個(gè)定子極，且相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子極滑入B相半個(gè)定子極。此時(shí)A相磁阻最大，A相定子磁密值在勵(lì)磁電流為6A時(shí)AP為0.1T，AH為0.075T，AE為0.05T，勵(lì)磁電流為12A時(shí)AP為0.05T，AH為0.075T，AE為0.1T。</p><p><b>　　磁鏈曲線與感應(yīng)電勢(shì)</b></p><

113、;p>　　圖5.9是空載條件下，勵(lì)磁電流分別為-6A、-3A、0A、3A、6A和12A時(shí)仿真時(shí)間為20ms的三相磁鏈曲線和繞組感應(yīng)電勢(shì)曲線。</p><p>　　圖5.10為空載狀態(tài)下，不同勵(lì)磁電流的A相磁鏈曲線比較。從上往下依次是勵(lì)磁電流為-6A,-3A,0A,3A,6A,8A,12A的磁鏈曲線。由圖可知磁鏈隨勵(lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，磁鏈?zhǔn)莿?lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子位置角的非線性函數(shù)。由圖中還可看出，相同轉(zhuǎn)