直线感应电机电磁场数值计算及其仿真运行

摘要

直线感应电机能够将电能直接转换成直线运动机械能，具有结构简单、可靠性高、控制精度高等特点，在需要直线运动的场合具有广泛的应用前景，因此对直线感应电机开展深入的研究是十分必要的。尽管直线感应电机和旋转感应电机具有相似的工作原理，但是由于气隙较大、端部开断等特点使其性能与传统的旋转感应电机有很大的差异。本文在详细阐述电磁场数值计算方法的基础上对直线感应电机的电磁特性进行了有针对性的研究。
　　 首先，基于Maxwell方程组和介质的结构方程本文推导了二维正弦电磁场矢量磁位满足的涡流方程，将电磁场的求解归结为矢量磁位偏微分方程的求解。根据变分原理，推导了与涡流方程边值问题等价的条件变分问题，并对变分问题的离散格式进行了推导，对系数矩阵的整体合成和边界条件处理方式进行了说明，最终将问题转化为-复线性方程组的求解。
　　 其次，在二维正弦电磁场分析的基础上，给出了以初级端电压为约束条件，通过对初级电流进行迭代计算起动电流的方法以及基于虚功原理计算电磁力的方法。通过和仿真值的比较，表明这种计算直线感应电机起动性能的方法具有较高的精度。根据上述方法，分析了气隙大小、电源频率、次级材料以及次级厚度对直线感应电机起动性能的影响。
　　 再次，介绍了二维电磁场瞬态分析理论，并利用软件Ansoft/Maxwell2D的瞬态模块对-设计的磁发射用双边直线感应电机进行了瞬态仿真，研究了运动速度对相关物理场的影响、空载运行性能、负载运行性能以及不同的供电方式对分段直线感应电机运行性能的影响。通过仿真可以对所设计电机的动态性能进行预估，并根据仿真结果对设计的电机作进一步的修改，从而避免了设计-试制-修正这种繁琐的电机设计程序。
　　 最后，针对有限元法最终离散得到的大型稀疏复矩阵，提出了利用正交链表来实现系数矩阵的非零元素存储，并对大型稀疏复线性方程组的求解方法进行了研究，指出将复线性方程组转化为实线性方程组来求解虽然理论上可行但是会带来存储增加以及计算量过大的问题。将稳定双共轭梯度法（BiCGStab）算法引入复线性方程组的求解，并和不完全LU分解算法结合，形成预处理的稳定双共轭梯度法（PBiCGStab）算法。计算实例表明在相同的精度条件下，PBiCGStab算法需要更少的迭代步数，而且收敛曲线非常平滑。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 直线感应电机的发展与应用现状

1.3 直线感应电机分析方法的研究现状

1.3.1 等效电路法

1.3.2 电磁场分析方法

1.3.3 场路耦合法

1.4 大型稀疏复矩阵求解的研究现状

1.5 本论文的研究内容

第二章 正弦电磁场有限元数值计算

2.1 前言

2.2 二维涡流场的电磁场方程

2.3 涡流场的条件变分问题

2.4 条件变分问题的离散化

2.4.1 单元剖分及其形状函数

2.4.2 单元分析

2.4.3 总体系数矩阵合成

2.4.4 边界条件处理

2.5 场值计算

2.6 本章小结

第三章 直线感应电机起动性能计算

3.1 前言

3.2 直线感应电机的基本原理

3.2.1 直线感应电机的工作原理

3.2.2 直线感应电机的等效电路

3.3 起动参数的数值计算

3.3.1 初级端电压的计算

3.3.2 起动电流的计算方法

3.3.3 电磁力的数值计算

3.4 电气参数的计算方法

3.4.1 励磁电抗计算

3.4.2 初级漏电抗计算

3.4.3 初级相电阻计算

3.4.4 实例验证

3.5 起动性能分析

3.5.1 气隙对起动性能的影响

3.5.2 频率对起动性能的影响

3.5.3 次级对起动性能的影响

3.6 本章小结

第四章 磁悬浮发射用直线感应电机的瞬态仿真

4.1 前言

4.2 二维瞬态分析理论

4.2.1 运动电磁场数学模型

4.2.2 瞬态场对激励源的处理方法

4.2.3 平移运动方程

4.3 磁发射用直线感应电机的动态仿真

4.3.1 仿真模型的建立

4.3.2 材料属性的设置

4.3.3 激励源的设置

4.4 仿真结果及其分析

4.4.1 堵转性能分析

4.4.2 空载运行性能分析

4.4.3 负载运行性能分析

4.5 机械特性分析

4.6 供电方式对电机运行性能的影响

4.6.1 分段电压源供电

4.6.2 分段电流源供电

4.6.3 两段串联电压源供电

4.7 本章小结

第五章 大型稀疏复矩阵的有效求解

5.1 前言

5.2 系数矩阵的有效存储

5.3 复矩阵的数值求解

5.3.1 复矩阵实数化求解法

5.3.2 直接复矩阵求解法

5.4 复矩阵的预处理技术

5.5 算法验证与结果分析

5.5.1 计算实例的模型

5.5.2 计算结果的比较与分析

5.6 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况