外转子开关磁阻电动机的设计及其有限元分析

摘要

近年来,电动自行车作为一种新兴的绿色代步工具正在兴起.电动自行车的驱动系统是决定其运行性能和经济性的关键所在.目前电动自行车所使用的驱动电机主要有直流电动机、感应电动机和无刷直流电动机.然而实验证明,开关磁阻电机以其控制灵活、结构简单、可靠性高、电气性能优良等优势,将成为电动车辆较好的驱动系统之一.开关磁阻电机系统是一种较为新型的调速系统,该系统主要由双凸极式磁阻电机、功率变换器、转子位置传感器和控制器组成.国内外许多学者对开关磁阻电机系统进行了研究.但是,开关磁阻电机的一些基础理论,包括电机设计方法、发电工作原理和控制策略等尚未成熟和完善,还有许多问题需要进一步研究.该文在对前人成果的广泛了解和研究的基础上,总结了开关磁阻电机的基本方程、数学模型及其控制方法,提出了外转子开关磁阻电机的设计理论方法.与传统交流电机不同,开关磁阻电机采用双凸极铁心结构,并且只在定子上安装各相励磁绕组.绕组电流的非正弦与铁心磁通密度的高饱和是开关磁阻电机运行的两个特点;另外,开关磁阻电机控制参数多,控制方案灵活,相电流波形随着电机工作状态的不同而变化,无法得到简单、统一的数学模型及解析式.因此,传统电机的性能分析方法对开关磁阻电机不尽适用.该文在认真总结研究前人关于开关磁阻电动机设计工作的基础上,对部分设计公式进行了改造,使之适用于外转子开关磁阻电动机的设计工作.并由此设计了一台32/24极外转子开关磁阻电动机.该文最后阐述了有限元方法应用与开关磁阻电机静特性的分析.文中应用通用有限元分析软件ANSYS计算出该文所设计外转子开关磁阻电机的磁化曲线族以及其电感特性.分别绘出了不同电流及转子位置时的剖分模型.并绘出几个典型位置在励磁电流非饱和和饱和时的磁场分布图,为设计该电机提供有效的参考.

目录

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第一章绪论

1.1 SRM的发展概况和发展趋势

1.1.1 SRM的发展史

1.1.2 SRM存在的问题和发展方向

1.2本文选题意义及所做主要工作

1.2.1选题现实及理论意义

1.2.2本文所作的工作

第二章SRM基本方程和性能计算

2.1 SRM的基本方程

2.1.1电路方程

2.1.2机械方程

2.1.3机电联系方程

2.2 SRM线性模型

2.2.1电感特性

2.2.2磁链特性

2.2.3电流特性

2.2.4转矩特性

2.2.5定子振动特性

2.3 SRM准线性模型

2.4 SRM非线性模型

2.5 SRM控制模式

2.5.1引言

2.5.2角度位置控制

2.5.3电流斩波控制

2.5.4电压控制

2.6本章小结

第三章外转子SRM的设计

3.1极数、相数和极弧

3.1.1极弧确定的必要条件

3.1.2极弧对电机特性影响的线性分析

3.2结构参数对转矩波动的影响

3.2.1研究方法

3.2.2结构参数对转矩波动的影响

3.3主要尺寸和电磁负荷的关系

3.4主要尺寸的确定

3.5其它尺寸的确定

3.5.1绕组端电压

3.5.2气隙

3.5.3转子轭高

3.5.4定子轭高

3.5.5定子槽深

3.5.6每相绕组匝数

3.5.7电流密度

3.6外转子SRM设计实例

3.6.1相数、极数和绕组端电压

3.6.2主要尺寸

3.6.3其他结构尺寸及绕组匝数

3.6.4对齐位置和不对齐位置的磁化曲线计算

3.6.5电流及转矩计算

3.6.6绕组设计

3.6.7其他参数计算

3.7本章小结

第四章外转子SRM有限元分析

4.1通用有限元软件ANSYS简介

4.2 SRM计算模型和基本假设

4.2.1基本假设

4.2.2几何模型的建立

4.3通用有限元软件ANSYS分析求解过程

4.3.1过虑图形界面

4.3.2建立模型

4.3.3网格剖分

4.3.4设置边界条件及负载属性

4.3.5求解

4.3.6结果分析

4.4磁链与电感的计算

4.4.1磁链的计算

4.4.2电感的计算

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表与学位论文内容相关的学术论文

致谢

附录一二维ANSYS磁场分析的命令流

附录二B-H曲线