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基于电磁场数值计算的永磁电机性能分析方法研究

刘瑞芳  
【摘要】: 永磁电机的设计与应用是电机领域的前沿课题。本文从电磁场基本理论出 发,采用有限元法围绕永磁电机参数计算和性能分析进行了系统地研究。建立了 比较完整的理论分析模型和计算方法,对永磁电机的设计与优化有着重要的意 义。全文共分六章。 第一章阐述了本课题研究的目的和意义。分析了永磁电机和永磁材料的现 状与发展趋势,归纳了永磁电机的各种性能分析方法,指出有限元计算方法在电 机性能分析方面所具有的优越性。总结了永磁电机电磁场数值计算中的研究进展 与热点问题,并介绍了本文的研究内容。 第二章研究了永磁电机磁场计算中永磁体的数学模型。在全面分析解析计 算和数值计算中所采用的数学模型基础上,提出一种改进的边界等效面电流离散 化处理法,该方法不仅适用于任意复杂形状永磁体,而且可以统一方便的处理平 行、径向和周向几种永磁磁化方向,对实现永磁电机有限元程序的通用性具有重 要的意义。 第三章对永磁直流电动机有限元分析方法进行了研究。建立了合理的永磁 直流电动机动态有限元分析模型,该模型中考虑了齿槽效应和绕组换向对电机性 能的影响。首次对小功率奇数槽永磁直流电动机的性能进行了精确计算,并提出 计算斜槽或斜极电机齿槽转矩的简捷高效的有限元方法。分析了转矩脉动的原 因,讨论了削弱转矩脉动的方法。 第四章对异步起动永磁同步电动机进行了研究。当采用通用有限元软件对永 磁同步电动机进行分析时,存在着电机定转子轴线相对位置未知的问题,而确定 这个相对位置是进行电机负载磁场计算的前提。本文从研究永磁同步电动机物理 量的电磁关系出发,设计了高效的搜索算法,通过求解电磁场逆问题确定定、转 子空间位置。采用负载法计算永磁同步电动机的参数,使参数中的材料特性真正 反映了实际负载条件下磁介质的饱和情况。改进了现有的电枢反应电抗计算方 法,使得计算时间更短、计算精度更高。 第五章采用场路耦合时步有限元法分析了永磁同步电动机的稳态运行性 能。建立了考虑转子电路方程的永磁同步电动机场路耦合新模型,弥补了以往模 型中没有将转子电路与磁场方程耦合的不足。运用牛顿一拉夫逊法求解场路耦合 非线性方程组,推导了单元分析时雅克比矩阵和剩余矢量的计算格式。本文提出 的模型不仅改进了永磁同步电机的稳态性能分析,而且对暂态性能分析也具有重 要意义。 第六章中采用场路耦合时步有限元法分析了无刷直流电动机的稳态和暂态 东南大学博卜学位论义 性能。提出适用于无刷直流电机的分时段电路方程与磁场耦合的时步有限元分析 模型。通过深入研究无刷直流电动机的运行特性,导出各个运行区间和运行模式 的电路方程。研究了分时段电路与磁场方程耦合时有限元单元分析的处理方法。 本文提出的分析模型对无刷电机准确性能分析具有重要的意义。


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