1、電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的建模與仿真方法研究目錄 摘 要3 Abstract.4第一章 緒論.51.1 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的發(fā)展.51.2 飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展.61.3 課題研究的目的和容.6第二章 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī).72.1 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu).72.2 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型.72.3 發(fā)電運(yùn)行工作原理.8第三章 電磁場(chǎng)有限元分析簡(jiǎn)介.11 3.1 電磁場(chǎng)基本理論.113.1.1麥克斯韋方程.113.1.2一般形式的電磁場(chǎng)微分方程. 123.1.3電磁場(chǎng)中常見(jiàn)的邊界條件13 3.2 電磁場(chǎng)求解的有限元法.143.2.1一維有限元法143.2.2電磁場(chǎng)解后處理16第四章電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)模型的

2、建立.17 4.1 建模工具的探討.17 4.2 電機(jī)模型的建立.174.2.1定轉(zhuǎn)子模型.174.2.2繞組模型.184.2.3電機(jī)材料的分配194.2.4勵(lì)磁電流方向和大小的判定194.2.5相繞組電流方向和大小的判定204.2.6給定邊界條件214.2.7其它條件的設(shè)定22第五章電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的靜態(tài)特性23 5.1 雙凸極電機(jī)的空載磁鏈與電勢(shì).24 5.2 空載特性.25 5.3 負(fù)載特性.27第六章 總結(jié)與展望28致 29參考文獻(xiàn).30附 錄31電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的建模與仿真方法研究摘 要電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)是一種較為新型的電機(jī)，本文研究的是12/8極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，首先簡(jiǎn)要介紹了電機(jī)的

3、基本結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)學(xué)模型，并給出了電磁場(chǎng)有限元分析的理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立了Ansoft模型，利用二維電磁場(chǎng)有限元的方法分析了其靜態(tài)特性，得出了其空載和負(fù)載特性。本文在研究電機(jī)性能的同時(shí)，對(duì)Ansoft仿真軟件也進(jìn)行了比較詳細(xì)的探討，在沒(méi)有具體資料的情況下，對(duì)該軟件有了初步的認(rèn)識(shí)。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 dissertationfocuses on the basic theory of a nove

4、l 12/8-poledoubly 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 machi

5、ne 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 word

6、s: doubly salient machine with field excitation, finite element analysis, Ansoft第一章緒論1.1電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的發(fā)展在上世紀(jì)80年代，新的調(diào)速電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)正式得到國(guó)際社會(huì)的承認(rèn)1。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，定、轉(zhuǎn)子都是凸極齒槽結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子上無(wú)任何繞組，因此轉(zhuǎn)子上沒(méi)有銅耗，且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，所以特別適合高速運(yùn)行，其定子上只有集中繞組，制造工藝簡(jiǎn)單。因此，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以其調(diào)速性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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。1992

7、年，美國(guó)著名電機(jī)專(zhuān)家T.A.Lipo等人在對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)深入研究的基礎(chǔ)上，提出在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子上(或轉(zhuǎn)子上)增加一套簡(jiǎn)單的勵(lì)磁裝置，如永磁體，并進(jìn)行了初步的理論和實(shí)驗(yàn)研究2。此后英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)也相繼開(kāi)展了此種電機(jī)與其控制系統(tǒng)的研制工作。改進(jìn)后的電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與原開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)類(lèi)似，仍呈雙凸極結(jié)構(gòu)，故稱(chēng)為永磁式雙凸極電機(jī)(DSPM)。由于附加了永磁磁場(chǎng)，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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比較有較大的區(qū)別：在控制上，與無(wú)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。雙凸極電機(jī)由于全周期出力，力矩/電流比大。國(guó)外初步研究表明，在額定功率一樣

8、、外形尺寸基本一致的情況下，雙凸極電機(jī)的力矩/電流比是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的1.7倍，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的1.6倍，同步電機(jī)的1.2倍，感應(yīng)電機(jī)的3.2倍；力矩/慣量比是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的5.8倍，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的1.4倍，同步電機(jī)的3.6倍，感應(yīng)電機(jī)的10倍3。永磁式雙凸極電機(jī)的不足之處在于：(1)由于采用了永磁材料，電機(jī)高溫運(yùn)行能力降低，削弱了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原有的高溫能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；(2)不能用作無(wú)刷起動(dòng)發(fā)電機(jī)(起動(dòng)發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，作為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作，起動(dòng)結(jié)束后作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行)，因?yàn)閯?lì)磁磁場(chǎng)由永磁材料提供，發(fā)電時(shí)調(diào)壓困難，且沒(méi)有故障滅磁能力。1998年航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在永磁式雙凸極

9、電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型電勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流電機(jī)，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利4。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)是在雙凸極永磁電機(jī)基礎(chǔ)上，用電勵(lì)磁代替原電機(jī)的永磁結(jié)構(gòu)，這種新型電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)使用。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(jiǎn)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(kāi)勵(lì)磁電路滅磁，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)故障保護(hù)。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能正成為一種應(yīng)用前景看好的新型電機(jī)，可望

10、成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的新型無(wú)刷電機(jī)。1.2飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展飛機(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。相應(yīng)的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)也經(jīng)歷了從28V低壓直流發(fā)電系統(tǒng)，400Hz 115/200V恒速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)，變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)，到270V高壓無(wú)刷直流發(fā)電系統(tǒng)5。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)。恒速恒頻交流電源目前得到了廣泛使用，但恒速傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)性差和效率低，限制了它在高性能飛機(jī)上的使用。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。同時(shí)交流電源難于實(shí)現(xiàn)不中

11、斷供電，不適合于計(jì)算機(jī)、飛控、電傳和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等要求不中斷供電的設(shè)備使用。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(duì)人體的危害比115/220伏交流電小、主電源和二次電源部的損耗小效率高、通過(guò)反流保護(hù)二極管實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，主電源故障不會(huì)導(dǎo)致供電中斷的優(yōu)點(diǎn)。高壓直流電源和固態(tài)配電系統(tǒng)的結(jié)合，完美地實(shí)現(xiàn)了電能供給的余度、容錯(cuò)和不中斷，為21世紀(jì)先進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件6。1.3課題研究的目的和容電勵(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(lái)越多的關(guān)注，對(duì)它的研究有著非常重要的意義。本文利用MATLAB和Ansoft對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的各種特性進(jìn)行了仿真研究。主

12、要研究容如下：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(jiǎn)要闡述了有關(guān)電磁場(chǎng)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(duì)電機(jī)建模的過(guò)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(jiǎn)單、控制靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率密度高使之成為繼開(kāi)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)是在雙凸極永磁電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)刷電機(jī)，發(fā)電運(yùn)行時(shí)不需要知道轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。2.1 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2-1 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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)類(lèi)似，其定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定

13、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(wú)繞組，空間相對(duì)的定子齒上的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。按相數(shù)和極對(duì)數(shù)來(lái)分，電勵(lì)磁式雙凸極電機(jī)有單相4/6極、8/12極或三相6/4極、12/8極或四相8/6極、16/12極等。圖21是12/8極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)截面圖。轉(zhuǎn)子極弧等于定子極弧，均為定子齒距的1/2，定轉(zhuǎn)子極弧取機(jī)械角，從而使合成氣隙磁導(dǎo)為一常數(shù)，這樣不僅保證電機(jī)勵(lì)磁繞組所匝鏈的磁鏈將不隨轉(zhuǎn)子位置角而改變，勵(lì)磁繞組不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，而且電機(jī)靜止加勵(lì)磁時(shí)無(wú)定位力矩，另外任一相定子繞組所交鏈的互感磁鏈僅與該相磁導(dǎo)成正比。轉(zhuǎn)子極弧稍大于定子極弧，對(duì)于電勵(lì)磁雙凸極電

14、機(jī)來(lái)說(shuō)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(xiàn)性曲線(xiàn)，電機(jī)勵(lì)磁繞組的自感視為常數(shù)，如圖22所示。圖22 雙凸極電機(jī)電感的分段線(xiàn)性曲線(xiàn)2.2電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型雙凸極發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括磁鏈方程、電壓方程等。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)。(1) 磁鏈方程為：(2-1)式中各參量分別為：，(2) 電壓方程為：(2-2)其中，2.3發(fā)電運(yùn)行工作原理電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，無(wú)電刷和換向器，而且發(fā)電工作時(shí)也不需要位置傳感器和功率變換器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，壽命長(zhǎng)，維修方便，制造工藝也很簡(jiǎn)單，電機(jī)壽命僅由軸承壽命來(lái)決定。

15、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(shì)波形不規(guī)則，并且三相電勢(shì)具有不對(duì)稱(chēng)性，因此三相繞組通常外接三相全橋整流電路,如圖23所示，作為無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)。圖23發(fā)電運(yùn)行外接全橋整流電路圖24電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)磁場(chǎng)分布其基本工作原理是，當(dāng)勵(lì)磁繞組通有恒定電流時(shí)，在電機(jī)產(chǎn)生的磁通將經(jīng)過(guò)定子軛部、定子齒部、氣隙、轉(zhuǎn)子齒部、轉(zhuǎn)子軛部形成閉合磁路，如圖24所示。外加機(jī)械力傳動(dòng)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(dòng)勢(shì)，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。當(dāng)負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小來(lái)維持恒定電壓輸出。電樞電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)

16、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)。以發(fā)電機(jī)的電流電壓參考方向?yàn)闇?zhǔn)，電樞繞組的電壓方程為：(2-3)假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)勵(lì)磁電流不變，同時(shí)忽略電機(jī)阻，電樞電壓方程為：(2-4)其中是由于電樞電流變化引起電樞磁鏈變化而感應(yīng)的電勢(shì)，稱(chēng)變壓器電勢(shì)；是由于轉(zhuǎn)子位置變化，勵(lì)磁磁鏈隨之變化而在電樞繞組中感應(yīng)的電勢(shì)，稱(chēng)勵(lì)磁電勢(shì)；是由于轉(zhuǎn)子位置變化，電樞繞組閉合磁路磁阻隨之變化，由電樞電流產(chǎn)生的磁鏈變化并在繞組上感應(yīng)的電勢(shì)，稱(chēng)磁阻電勢(shì)。勵(lì)磁電勢(shì)和磁阻電勢(shì)是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，是運(yùn)動(dòng)電勢(shì)，它們與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān)。圖25畫(huà)出了在勵(lì)磁電流和輸出電流恒定條件下勵(lì)磁電勢(shì)和磁阻電

17、勢(shì)相對(duì)各相電感的波形。勵(lì)磁電勢(shì)為交流量，它的幅值與勵(lì)磁電流成正比。磁阻電勢(shì)為直流量，它與電樞電流成正比。(a)各相勵(lì)磁電勢(shì)(b)各相磁阻電勢(shì)圖25 雙凸極電機(jī)運(yùn)動(dòng)電勢(shì)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(shì)和磁阻電勢(shì)均為零，只有勵(lì)磁電勢(shì)起作用。加載后，電機(jī)輸出電壓還要受到電機(jī)變壓器電勢(shì)和磁阻電勢(shì)的影響。第三章電磁場(chǎng)有限元分析簡(jiǎn)介這一章將對(duì)電磁場(chǎng)的基本理論、電磁場(chǎng)有限元求解作簡(jiǎn)單的介紹，簡(jiǎn)要給出了電磁場(chǎng)方程以與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。3.1 電磁場(chǎng)基本理論3.1.1麥克斯韋方程電磁場(chǎng)理論由一套麥克斯韋方程組描述，分析和研究電磁場(chǎng)的出發(fā)點(diǎn)就是

18、對(duì)麥克斯韋方程組的研究，包括這個(gè)方程的求解與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。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(jiǎn)稱(chēng)高斯定律）和高斯磁通定律（亦稱(chēng)磁通連續(xù)性定律）7。安培環(huán)路定律無(wú)論介質(zhì)和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的分布如何，磁場(chǎng)中磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任何一閉合路徑的線(xiàn)積分等于穿過(guò)改積分路徑所確定的曲面的電流的總和，或者說(shuō)該線(xiàn)積分等于積分路徑所包圍的總電流。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(chǎng)變化產(chǎn)生）。如3-1(3-1)這里為曲面的邊界，J為傳導(dǎo)電流密度矢量（上標(biāo)箭頭表示矢量，下同A/m2），為位移電流密度，D為電通密度(C/m2)。法拉第電磁感應(yīng)定律閉合回路

19、中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過(guò)此回路的磁通量隨時(shí)間的變化率成正比。用積分表示則為：(3-2)E為電場(chǎng)強(qiáng)度(v/m)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T或Wb/m2)高斯電通定律在電場(chǎng)中，不管電解質(zhì)與電通密度矢量的分布如何，穿出任何一個(gè)閉合曲面的電通量等于這一閉合曲面所包圍的電荷量，這里指出電通量也就是電通密度矢量對(duì)此閉合曲面的積分。該定律的積分形式可表達(dá)如下：(3-3)為電荷體密度(C/m3)，V為閉合曲面S所圍成的體積區(qū)域。高斯磁通定律磁場(chǎng)中，不管磁介質(zhì)與磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一個(gè)閉合曲面的磁通量恒等于零，這里指出磁通量即為磁通量矢量對(duì)此閉合曲面的有向積分。高斯磁通定律的積分形式為：(3-4)方程(3-1)

20、至(3-4)便構(gòu)成了描述電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組。對(duì)上述四個(gè)積分方程，我們有必要指出它們描述電磁場(chǎng)時(shí)的側(cè)重：(3-1)表明不僅傳導(dǎo)電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)；(3-2)為推廣的電磁感應(yīng)定律，表明變化的磁場(chǎng)亦會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)；(3-3)表明電荷以發(fā)散的方式產(chǎn)生電場(chǎng)；(3-4)說(shuō)明磁力線(xiàn)是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線(xiàn)。這組麥克斯韋方程表明了變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)間相互激發(fā)、相互聯(lián)系形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。(3-1)至(3-4)方程還分別有自己的微分形式，也就是微分形式的麥克斯韋方程組，它們分別對(duì)應(yīng)(3-5)至(3-8)：(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)3.1.2一般形式的電磁場(chǎng)微分方程電磁場(chǎng)的計(jì)算

21、中，經(jīng)常對(duì)上述這些偏微分進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便能夠用分離變量法、格林函數(shù)法等解得電磁場(chǎng)的解析解，其解的形式為三角函數(shù)的指數(shù)形式以與一些用特殊函數(shù)（吐貝塞爾函數(shù)、勒讓得多項(xiàng)式等）表示的形式。但工程實(shí)踐上，要精確得到問(wèn)題的解析解，除了極個(gè)別情況，通常是很困難的。于是只能根據(jù)具體情況給定的邊界條件和初始條件，用數(shù)值解法求其數(shù)值解，有限元法就是其中最為有效、應(yīng)用最廣的一種數(shù)值計(jì)算方法。矢量磁勢(shì)和標(biāo)量電勢(shì)對(duì)于電磁場(chǎng)的計(jì)算，為了使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，通過(guò)定義兩個(gè)量來(lái)把電場(chǎng)和磁場(chǎng)變量分離開(kāi)來(lái)，分別形成一個(gè)獨(dú)立的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的偏微分方程，這樣便有利于數(shù)值求解。這兩個(gè)量一個(gè)是矢量磁勢(shì)A（亦稱(chēng)磁矢位），另一個(gè)是標(biāo)量電勢(shì)，它們的定

22、義如下：矢量磁勢(shì)定義為：(3-9)也就是說(shuō)磁勢(shì)的旋度等于磁通量密度。而標(biāo)量電勢(shì)可按(3-10)定義：(3-10)電磁場(chǎng)偏微分方程按(3-9)和(3-10)定義的矢量磁勢(shì)和標(biāo)量電勢(shì)能自動(dòng)地滿(mǎn)足法拉第電磁感應(yīng)定律和高斯磁通定律。然后再應(yīng)用到安培環(huán)路定律和高斯電通定律，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，分別得到了磁場(chǎng)偏微分方程(3-11)和電場(chǎng)偏微分方程(3-12)：(3-11)(3-12)和分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，2為拉普拉斯算子：(3-13)很明顯式(3-11)和(3-12)具有一樣的形式，是彼此對(duì)稱(chēng)的，這意味著求解它們的方法一樣。至此，我們可以對(duì)方程(3-11)和(3-12)進(jìn)行數(shù)值求解，如采用有限元法，解得磁

23、勢(shì)和電勢(shì)的場(chǎng)分布值，然后再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化（即后處理）可得到電磁場(chǎng)的各種物理量，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、儲(chǔ)能。3.1.3電磁場(chǎng)中常見(jiàn)邊界條件電磁場(chǎng)問(wèn)題實(shí)際求解過(guò)程中，有各種各樣的邊界條件，但歸結(jié)起來(lái)可概括為三種：狄利克萊(Dirichlet)邊界條件、諾依曼(Neumann)邊界條件以與它們的組合。狄利克萊邊界條件可表示為：(3-14)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。當(dāng)為零時(shí)稱(chēng)此狄利克萊邊界條件為其次邊界條件，如平行電容器的一個(gè)極板電勢(shì)可假定為零，而另一個(gè)假定為常數(shù)，為零的邊界即為其次邊界條件。諾依曼邊界條件可表示為：(3-15)其中為諾依曼邊界，n為邊界的外法線(xiàn)矢量，和為一般函數(shù)（可為

24、常數(shù)和零）。當(dāng)為零時(shí)為其次諾依曼條件。實(shí)際上電磁場(chǎng)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(chǎng)才有確定解。鑒于此，通常稱(chēng)求解此類(lèi)問(wèn)題為邊值問(wèn)題和初值問(wèn)題。3.2電磁場(chǎng)求解的有限元法可以這樣描述有限元法：把求解的區(qū)域劃分成若干小區(qū)域，這些小區(qū)域稱(chēng)為“單元”和“有限元”，從而采用線(xiàn)性（當(dāng)然也可以采用非線(xiàn)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。整體區(qū)域劃分成小區(qū)域后，在小區(qū)域上求解變得非常簡(jiǎn)單，僅是一些代數(shù)運(yùn)算，如在小區(qū)域應(yīng)用線(xiàn)性插值就得到小區(qū)域未知點(diǎn)的值，而區(qū)域積分變成了小區(qū)域的求和。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(jiǎn)單介紹

25、有限元法的基本原理。3.2.1一維有限元法圖3-1為一個(gè)無(wú)限大平行板電容器，該電容器的兩極板間充有電荷密度的自由電荷，并假設(shè)極板都接在電壓為u的電源上，極板距離為2d。很明顯，電容器的激勵(lì)和幾何形狀都對(duì)稱(chēng)于y軸，并且不難知道電場(chǎng)中電力線(xiàn)垂直穿過(guò)y軸，使電勢(shì)在對(duì)稱(chēng)軸上沿x方向的變化率為零，于是這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可用齊次諾依曼邊界條件來(lái)表示。描述這個(gè)平行板電容器靜電場(chǎng)的微分方程為(3-16)： x(3-16)這里實(shí)際上僅為x的一元函數(shù)，第一個(gè)方程右邊為-1是因?yàn)榧?lì)電荷密度的結(jié)果。圖3-1 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(chǎng)求解問(wèn)題詳細(xì)介紹有限元法。將平行板電容器的電勢(shì)分布問(wèn)題簡(jiǎn)化為

26、如圖3-1所示的一維邊值問(wèn)題，靜電場(chǎng)用式(3-16)描述。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）。這里我們把（0，d）區(qū)間分割成五單元，分別記為單元e1，e2，e3，e4和e5。劃分過(guò)程中1、2和3單元較小，也就是說(shuō)在這個(gè)區(qū)域單元較密，這也體現(xiàn)了劃分單元疏密適當(dāng)?shù)乃枷?。通常劃分的區(qū)域越多，則解的精度越高，當(dāng)然計(jì)算量也就越大，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。劃分單元的大小可以不同，視具體情況而定，如場(chǎng)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。劃分后的區(qū)域，由不同的尺寸的四個(gè)單元和五個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，如圖3-2(a)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電勢(shì)值分別記為和。而每個(gè)單元由相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所

27、限定，單元中的值采用單元節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行線(xiàn)性插值得到，如圖3-2(b)。(a) 區(qū)域和單元 (b) 有限元線(xiàn)性插值原理圖3-2 一維靜電場(chǎng)問(wèn)題的區(qū)域和單元最后計(jì)算結(jié)果為（具體過(guò)程可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)12）：，注意結(jié)果中沒(méi)有考慮各個(gè)物理量的單位。從解得的近似節(jié)點(diǎn)電勢(shì)值，利用先前介紹的節(jié)點(diǎn)間線(xiàn)性插值，便可以得到（0，d）上各個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)值，從而獲得方向上的電勢(shì)分布并進(jìn)而可得到電場(chǎng)分布。另外，應(yīng)用問(wèn)題的對(duì)稱(chēng)性，就得到整個(gè)區(qū)域的解。3.2.2電磁場(chǎng)解后處理上一節(jié)中，用有限元法求解出了節(jié)點(diǎn)電勢(shì)值（或磁勢(shì)值），而實(shí)際問(wèn)題當(dāng)中，顯然僅僅知道電勢(shì)和磁勢(shì)的分布是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，并且這對(duì)進(jìn)一步的應(yīng)用提供的信息也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。因此，

28、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(chǎng)能量、電磁場(chǎng)力與力矩、電感和電容等。當(dāng)然，以求得的電勢(shì)和磁勢(shì)為基礎(chǔ)，容易地導(dǎo)出這些物理量，導(dǎo)出這些物理量的過(guò)程就是電磁場(chǎng)解后處理，即有限元解后處理。這里僅以電磁場(chǎng)儲(chǔ)能簡(jiǎn)單討論解后處理的基本思想和原理。電場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì)于無(wú)源，電場(chǎng)中的儲(chǔ)能可表示如下：(3-17)其中W為能量，其余符號(hào)意義同前。從能量的表達(dá)式可以看出，只要知道了電場(chǎng)的電勢(shì)分布，就可以得到儲(chǔ)能的大小。應(yīng)用前面介紹的有限元思想，同樣把整個(gè)區(qū)域劃分為若干個(gè)單元子區(qū)域，然后分別求出每個(gè)單元的能量后再總和就得到了整個(gè)區(qū)域的總能量大小，于是有（假設(shè)為二維靜電場(chǎng)，并設(shè)介電系數(shù)

29、為常數(shù)）：(3-18)可以看出，從求出的電勢(shì)出發(fā)便可以計(jì)算出電場(chǎng)儲(chǔ)能。磁場(chǎng)儲(chǔ)能與電場(chǎng)類(lèi)似，磁場(chǎng)的能量可表示為：(3-19)同樣求出了磁勢(shì)A便可以根據(jù)上式得到磁場(chǎng)能量。關(guān)于其他物理量的有限元后處理推導(dǎo)，可參看有關(guān)文獻(xiàn)。第四章電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)模型的建立4.1 建模工具的探討 Maxwell以其在電磁場(chǎng)仿真領(lǐng)域中的卓越表現(xiàn)而著稱(chēng)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。當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用中的電磁元件，如傳感器，調(diào)節(jié)器，電動(dòng)機(jī)，變壓器，以與其它工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時(shí)候使用的都廣泛。由于設(shè)計(jì)者對(duì)性能和體積設(shè)計(jì)封裝的希望，先進(jìn)而便于使用的數(shù)字場(chǎng)仿真技術(shù)的需求也顯著

30、增長(zhǎng)。在工程人員所關(guān)心的實(shí)用性和數(shù)字化功能方面，Maxwell的產(chǎn)品有著突出的優(yōu)勢(shì)。Maxwell 2D包括交流/直流磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)，以與瞬態(tài)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析，參數(shù)化分極，以與優(yōu)化功能，此外Maxwell 2D還能產(chǎn)生高精度的等效電路模型以供Ansoft的SIMPLORER模塊和其它電路分析工具調(diào)用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是利用其進(jìn)行直流磁場(chǎng)的分析。利用Maxwell 2D的直流磁場(chǎng)模塊可以分析由直流電流、永磁體以與外部激磁引起的磁場(chǎng)。它適用于激勵(lì)器、傳感器、電機(jī)以與永磁體等。分析的對(duì)象可包括非線(xiàn)性的BH曲線(xiàn)(如鋼材、鐵氧體以與永磁體)，材料的各向異性和隨位置變化等特性都包含其中。該模塊可自動(dòng)計(jì)算力

31、、轉(zhuǎn)矩、電感和儲(chǔ)能，而其它需要測(cè)量的物理量可利用后處理中集成的計(jì)算器從磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中提取，此外，后處理還能繪制磁力線(xiàn)、B和H場(chǎng)分布、能量密度以與飽和程度圖。4.2 電機(jī)模型的建立電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)模型的建立對(duì)其性能的研究有著非常重要的影響，因而模型的建立至關(guān)重要，本小節(jié)將詳細(xì)敘述建模過(guò)程。4.2.1定轉(zhuǎn)子模型考慮到在Ansoft中取點(diǎn)的復(fù)雜性，可以直接從AutoCAD中將模型導(dǎo)入，這首先應(yīng)確保模型在AutoCAD中處于同一圖層，然后進(jìn)行導(dǎo)入，其具體步驟為：雙擊Maxwell PROJECTS NEW.(命名) Define Model.(drawing model) file import. 選

32、擇所需圖形，即可。但由于AutoCAD模型的不完善，在導(dǎo)入過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，通過(guò)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，主要是曲線(xiàn)不封閉，利用AutoCAD中的剪裁，拉伸等工具，可以對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到要求，如圖4-1所示。圖4-1 定轉(zhuǎn)子截面圖4.2.2繞組模型繞組模型的建立應(yīng)該說(shuō)花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，主要問(wèn)題是無(wú)法分相，通過(guò)反復(fù)研究嘗試，發(fā)現(xiàn)其原因是繞組連接處無(wú)結(jié)點(diǎn)，建模的具體步驟如下：在原有模型基礎(chǔ)上，點(diǎn)擊Edit Attributes by clicking 選中定子圖4-2 實(shí)體選擇對(duì)話(huà)框圖4-3 節(jié)點(diǎn)激活圖出現(xiàn)一對(duì)話(huà)框，按圖4-2選擇，則圖形如圖4-3所示，為了保證繞組的封閉性和對(duì)稱(chēng)性，可在齒根部分連接一

33、條弧，并使其劃分為30等分，同樣的，顯示結(jié)點(diǎn)，遵循面積基本相等的原則，連接各結(jié)點(diǎn)，即可得到繞組模型，如圖4-4所示4-4(a)定子一個(gè)齒的繞組模型 4-4(b)整個(gè)電機(jī)模型(含勵(lì)磁繞組)4.2.3電機(jī)材料的分配單擊Setup Materials，根據(jù)給定條件，相繞組和勵(lì)磁繞組材料為銅，定轉(zhuǎn)子材料為D41，軸材料為45號(hào)鋼。其中材料D41不是Ansoft中的默認(rèn)材料，需要根據(jù)參考手冊(cè)得到，這里利用了它的B-H曲線(xiàn)。4.2.4勵(lì)磁電流方向和大小的判定電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的勵(lì)磁電流方向與普通電機(jī)不同，普通電機(jī)的勵(lì)磁電流方向是由永磁體的NS極決定的，假設(shè)某一時(shí)刻正上方為N極，則磁場(chǎng)方向向上，根據(jù)右手定則，

34、勵(lì)磁電流方向?yàn)橛疫M(jìn)左出，在與其相差180º的位置，磁場(chǎng)方向?yàn)橄蛳拢砜傻闷鋭?lì)磁電流方向?yàn)樽筮M(jìn)右出，并且隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)方向?qū)?huì)呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律，那么勵(lì)磁電流的大小和方向即會(huì)跟隨變化。而電勵(lì)磁電機(jī)的磁場(chǎng)在圖3-5的位置為最大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，變化規(guī)律也呈現(xiàn)正弦規(guī)律，但方向不變，僅在大小上有變化，也就是說(shuō)勵(lì)磁電流的方向是確定的，如圖4-5。圖4-5 雙凸極電機(jī)勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)的關(guān)系如圖4-6示，將繞組平分，得到的A1，A2為一組勵(lì)磁，假設(shè)磁鏈方向?yàn)閳D4-5所示，那么電流方向?yàn)锳1進(jìn)A2出，根據(jù)要求，勵(lì)磁為4根并繞60匝20A，其電流大小為2×60匝×20A，

35、即2400A，則在Ansoft中分配電流時(shí)，每一塊繞組中的電流應(yīng)為2400A×2，即4800A。圖4-6 勵(lì)磁繞組電流分配4.2.5相繞組電流大小和方向的判定本文研究的電機(jī)功率為30kw，電壓為270V，由公式P3UI，可得每相電流值為37.037A，由于本電機(jī)的相繞組是12匝，每相有4個(gè)繞組，則在Ansoft中定義電流時(shí)應(yīng)為37.037A×12匝×41778A。假設(shè)圖4-4(b)時(shí)的轉(zhuǎn)子角度為0度，且轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，勵(lì)磁電流方向在上半平面為左正右負(fù)，則在該位置B相繞組中的磁鏈最大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，B相磁鏈逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)至15度時(shí)，減至最小，即零。在這個(gè)過(guò)程中

36、，根據(jù)楞次定律，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，感應(yīng)電流會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，其方向?qū)⒆璧K原磁場(chǎng)的變化，由于磁場(chǎng)減小，那么感應(yīng)的磁場(chǎng)會(huì)使其增加，即產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng)方向一致的磁場(chǎng)，也就是說(shuō)B相感應(yīng)電流的方向?yàn)樽笳邑?fù)，通入正電流，同理在15度到30度時(shí)，B相電流為零；30度到45度為左負(fù)右正，通負(fù)電流。圖4-7為各相磁鏈和電流的變化規(guī)律。圖4-7(a) 各相磁鏈變化圖4-7(b) 各相電流變化4.2.6給定邊界條件對(duì)電機(jī)進(jìn)行磁路仿真時(shí)，需要給定一個(gè)邊界條件，即電機(jī)外殼所在面的磁場(chǎng)為零，下面具體說(shuō)明此條件的依據(jù)。設(shè)分界面媒質(zhì)2一側(cè)為鐵磁質(zhì)，媒質(zhì)1一側(cè)為真空或非鐵磁質(zhì)。由磁場(chǎng)折射定律，分界面兩側(cè)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向滿(mǎn)足其中是

37、磁力線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角。由于兩種媒質(zhì)磁導(dǎo)率相差懸殊，r11，而r2可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)十萬(wàn)，因而除120的特殊情況外，一般總有1<<2,且常常是290º，10º。這樣在接近分界面處的鐵磁質(zhì)B線(xiàn)幾乎與分界面平行，而且也非常密集，2越大，2越接近于90º，B線(xiàn)就越接近于與表面平行，從而漏到外面的磁通越小，即B在鐵磁質(zhì)遠(yuǎn)大于其外。實(shí)際仿真得到的結(jié)果如圖4-8所示。圖4-8 磁力線(xiàn)分布圖4.2.7其它條件的設(shè)定到上述部分，主要條件都已經(jīng)定義的差不多了，以下條件主要是對(duì)計(jì)算的用途比較大。例如計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要定義電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，即轉(zhuǎn)子和軸；計(jì)算電感和磁鏈時(shí)，需要定義相繞組和

38、勵(lì)磁繞組的正負(fù)，即規(guī)定正方向。第五章 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的靜態(tài)特性雙凸極電機(jī)由于其定、轉(zhuǎn)子極均為凸極結(jié)構(gòu)，存在著顯著的邊緣效應(yīng)和高度的局部飽和現(xiàn)象，所以電機(jī)氣隙磁場(chǎng)空間分布非常復(fù)雜，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)中的磁場(chǎng)分布也要作周期性變化，在運(yùn)行中，隨著負(fù)載和轉(zhuǎn)速的不同，磁通、電流、轉(zhuǎn)矩各量均呈現(xiàn)出不同的變化波形，因此，在進(jìn)行電機(jī)部磁場(chǎng)分析和電機(jī)性能計(jì)算時(shí)，用通常的解析法或等效磁路法就很難奏效。一般說(shuō)，在磁場(chǎng)分布和變化比較復(fù)雜并且非線(xiàn)性嚴(yán)重的情況下，采用有限元是十分有效的，它可以準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的磁場(chǎng)分布和靜態(tài)特性。為了建立電機(jī)部磁場(chǎng)的微分方程，確定求解區(qū)域和有限元求解的邊界條件，根據(jù)雙凸極電機(jī)的特點(diǎn)，作如下假

39、定：1忽略電機(jī)端部效應(yīng)，電機(jī)磁場(chǎng)沿軸向均勻分布，即電流密度矢量和矢量磁位只有軸向分量，；2鐵芯沖片材料各向同性，且磁化曲線(xiàn)是單值的，即忽略磁滯效應(yīng)；3電機(jī)外部磁場(chǎng)忽略不計(jì)，定子外表面圓周和轉(zhuǎn)子表面圓周為一零矢量位面；4采用直角坐標(biāo)；5根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電機(jī)磁場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)分布的。其有限元網(wǎng)格剖分如圖5-1所示,由圖可見(jiàn)有限元?jiǎng)澐钟惺栌忻?，這是因?yàn)樵诟魈幋艌?chǎng)分布的疏密程度不同，由實(shí)際仿真出的磁鏈分布圖，即圖5-2得到驗(yàn)證，網(wǎng)格劃分越密的地方，磁場(chǎng)分布也越密，即能量分布越密。圖5-1 電機(jī)的有限元?jiǎng)澐?圖5-2 電機(jī)磁鏈分布以下即利用有限元方法仿真得到的電機(jī)靜態(tài)特性曲線(xiàn)。圖5-3 Ansoft仿真數(shù)據(jù)圖

40、5-3是用Ansoft仿真得到的各組數(shù)據(jù)，圖示為勵(lì)磁電流為6A時(shí)的空載數(shù)據(jù)，共45組，即一個(gè)電感周期，其余條件下的數(shù)據(jù)同理可以仿出，以下各波形是在此基礎(chǔ)上用Matlab處理（相關(guān)程序可參見(jiàn)附錄）得出的。5.1 雙凸極電機(jī)的空載磁鏈與電勢(shì)空載感應(yīng)電勢(shì)公式為。圖5-4給出了12/8極雙凸極電機(jī)仿真得到的磁鏈和感應(yīng)電勢(shì)波形。(a) DSEM三相空載磁鏈(If=25A) (b) DSEM三相空載電勢(shì)(If=25A)圖5-4 電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)空載磁鏈與電勢(shì)波形從圖5-4中可以看出，三相電勢(shì)波形隨轉(zhuǎn)角近似呈梯形波；電機(jī)A相磁鏈大于B、C兩相磁鏈，其不對(duì)稱(chēng)性是由勵(lì)磁繞組的安放位置引起的局部飽和程度不同造成的

41、。5.2 空載特性圖5-5為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)在空載，不同勵(lì)磁電流下三相繞組的磁鏈波形。 (a) 勵(lì)磁3A (b) 勵(lì)磁6A(c) 勵(lì)磁10A (d) 勵(lì)磁20A 圖5-5 空載三相磁鏈波形圖5-6為空載時(shí)B相繞組在不同勵(lì)磁電流情況下的磁鏈和電勢(shì)波形 (a) B相空載磁鏈 (b) B相空載電勢(shì)圖5-6 空載B相磁鏈和電勢(shì)波形圖5-7為電機(jī)在不同角度下的磁場(chǎng)分布情況。(a) (b) (c) (d) 圖5-7 電機(jī)空載時(shí)磁場(chǎng)分布情況5.3 負(fù)載特性圖5-8為勵(lì)磁電流分別為10A和20A時(shí)的負(fù)載磁鏈波形。(a) 勵(lì)磁10A (b) 勵(lì)磁20A圖5-8 負(fù)載磁鏈波形第六章 總結(jié)與展望在兩個(gè)多月的課題研究

42、過(guò)程中，本人做了以下工作：1、 查閱了國(guó)外有關(guān)雙凸極電機(jī)的文獻(xiàn)和書(shū)籍，了解了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用前景。2、 分析了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型。3、通過(guò)與周?chē)瑢W(xué)老師的互相討論，初步了解了Ansoft軟件的建模和仿真過(guò)程。4、根據(jù)電磁場(chǎng)的相關(guān)理論，建立了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的Ansoft模型，利用二維電磁場(chǎng)有限元法分析了電機(jī)的空載特性。以下根據(jù)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的特點(diǎn)提出一點(diǎn)改進(jìn)方案：鐵磁性物質(zhì)的部，可以分成許許多多的小區(qū)域，這些小區(qū)域叫做磁疇。如圖6-1所示是鐵磁性物質(zhì)某一截面上的磁疇示意圖，圖上每一小箭頭的方向代表了該磁疇的磁矩方向。磁疇的形狀、大小、以與它們之間的排

43、列方式，統(tǒng)稱(chēng)為磁疇的結(jié)構(gòu)。種類(lèi)繁多的磁性材料，其不同的磁性能，正是由于不同的磁疇結(jié)構(gòu)與其變化形式所決定。在鐵磁物質(zhì)部的任意區(qū)域，由于自發(fā)磁化已經(jīng)使每一個(gè)原子磁矩都朝著同一個(gè)反向排列起來(lái)，除了永磁體外，其它鐵磁性物質(zhì)中的這些小區(qū)域（磁疇）的磁矩都可取不同的方向，使得其疊加起來(lái)的總磁矩仍等于零，因而對(duì)外不呈磁性。 圖6-1 磁疇示意圖普通電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體，當(dāng)N極向上時(shí)，該處的磁場(chǎng)方向也向上，則定子中的磁疇方向?yàn)檎ㄒ?guī)定N極向上為正），隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，在同一點(diǎn)處將經(jīng)歷N-S-N-S的交替，那么磁疇的方向也會(huì)隨著發(fā)生正負(fù)正負(fù)的變化，定子中磁疇方向的不斷變化導(dǎo)致了其互相摩擦而發(fā)熱，而轉(zhuǎn)子中的磁疇由于相

44、對(duì)于轉(zhuǎn)子是靜止的，因而轉(zhuǎn)子基本不發(fā)熱。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)磁體，其磁場(chǎng)是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，由于勵(lì)磁電流為直流，故它在定轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生一個(gè)方向不變的磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，里面的磁疇方向?qū)l(fā)生變化，即轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)熱，而定子發(fā)熱很少，這樣不利于熱量的散發(fā)，所以可以考慮在勵(lì)磁入交流電流，這樣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)于勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是靜止的了，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)化為定子發(fā)熱。參考文獻(xiàn)1 迪吉等編著，開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)，機(jī)械工業(yè)，19942 Y. Liao, F. Liang, T. A. Lipo, “A Novel Permanent Magnet Motor with Doubly Salient Structure”, P

45、orceed. of LAS 92, 1992, pp. 308-314.3 孟小利，嚴(yán)仰光，雙凸極永磁電機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀，南航學(xué)報(bào)，1998，第3期：3303354 孟小利，雙凸極無(wú)刷直流電機(jī)研究報(bào)告，20005 嚴(yán)仰光 主編航空航天器供電系統(tǒng)，航空工業(yè)，19956 嚴(yán)仰光，飛機(jī)高壓直流電氣系統(tǒng)的構(gòu)成與發(fā)展, 飛機(jī)高壓直流電氣系統(tǒng)研討會(huì)論文集，2001，pp. 8-167 慈璋，馬西奎編著，工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論，高等教育，2000年6月8 Bulent Sarlioglu, Thomas A.Lipo, nonlinear modeling and simulation of single phas

46、e doubly salient permanent9 亞萍，混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)性能研究碩士學(xué)位論文，航空航天大學(xué)，2005.310 王振永等，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)辨識(shí)，機(jī)械工業(yè)，198911 迪吉，航空電機(jī)學(xué)12 唐興倫，群波等編著，ANSYS工程應(yīng)用教程，2003年1月13 孟小利，嚴(yán)仰光等，4/6極與8/12極雙凸極永磁電機(jī)的比較，微特電機(jī)，2000，第2期：24-2614 薛定宇，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用，清華大學(xué)，199615 家榮，鄧智泉，沙德尚編著，雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)空載特性的分析，微特機(jī)，2002年02期16 Liu Chuang, Zhou Bo, Ya

47、n Yangguang, Implementation and Study of a Novel Doubly Salient Structure Starter Generator System, Chinese Journal of Aeronautics, 200217 周波，相蓉，王川云，孟小利，電磁式雙凸極電機(jī)電磁特性的理論分析，航空學(xué)報(bào)，2003年04期18 振浩，周波，電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)，航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年02期19 胡勤豐，孟小利，嚴(yán)仰光，電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)兩種電動(dòng)控制策略的分析和比較，航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004年02期附 錄用Matlab處理相關(guān)數(shù)據(jù)

48、的程序：load If10Ia30.datload If10Ia60.datload If10Ia90.datload If10Ia111.datload If15Ia30.datload If15Ia60.datload If15Ia90.datload If15Ia111.datload If20Ia30.datload If20Ia60.datload If20Ia90.datload If20Ia111.datload If3.datload If6.datload If10.datload If12.datload If15.datload If20.datload If25.dat

49、 導(dǎo)入Ansoft中的數(shù)據(jù)；t=1:46;figure(1)h=plot(t,If20Ia30(:,14),t,If20Ia60(:,14),t,If20Ia90(:,14),t,If20Ia111(:,14);set(h,'linewidth',2); 顯示磁鏈波形；figure(2)h=plot(t,-If20Ia30(:,13),t,-If20Ia60(:,13),t,-If20Ia90(:,13),t,-If20Ia111(:,13);set(h,'linewidth',2);figure(3)h=plot(t,If20Ia30(:,12),t,If20Ia60(:,12),t,If20Ia90(:,12),t,If20Ia111(:,12);set(h,'linewidth',2);figure(4)h=plot(t,If15Ia30(:,14),t,If15Ia60(:,14),t,If15Ia90(:,14),t,If15Ia111(:,14);set(h,'linewidth',2