基于电感曲线优化的开关磁阻发电机效率提升设计方法研究

摘要

开关磁阻电机起源于十九世纪，目前已经被应用于航空航天，电动车，纺织，焦炭等多个领域。由于具有的结构简单，易于控制，容错性能良好等特点，开关磁阻电机已经引起广泛关注，并且在发电领域具有广阔前景。在世界能源问题日渐突出的今天，提高设备效率不失为一种现实选择。同时由于风力、水利发电等对于发电机的要求，提高开关磁阻发电机的效率有着重要意义。
　　本论文基于现存的3.5kW，12/8结构的开关磁阻电机，以提升发电效率为目的，针对电机本体优化设计展开较为详细的讨论，并且进行了相关理论分析及其仿真计算。首先，对开关磁阻电机的结构，电动运行原理，发电运行原理做出阐述，建立数学模型，并对其发电原理着重进行讨论。为提高开关磁阻电机的发电效率，通过ANSYS对样本开关磁阻电机进行有限元分析，以样本电机的电感曲线为基础设计了六种电感曲线变形。之后基于二维查找表模块建立开关磁阻电机的SIMULINK非线性仿真模型，以验证不同电感曲线下开关磁阻电机的发电效率，并依据发电效率确定最优电感曲线。通过仿真获取开关磁阻电机形变与电感曲线改变之间联系，以最优电感曲线为优化设计目标，对电机本体进行优化设计。最终对优化后开关磁阻电机进行有限元分析以及效率仿真，以验证优化设计方法的正确性与可行性。本论文对开关磁阻发电机优化设计取得了良好的效果，验证了该优化设计方法的可行性，为开关磁阻发电机本体的优化设计提供了借鉴意义。

目录

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摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 开关磁阻电机研究现状

1．3 有限元分析法与ANSYS

1．3．1 有限元法简介

1．3．2 ANSYS软件简介

1．4 论文的主要研究内容

2 开关磁阻电机的运行原理及数学模型

2．1 开关磁阻电机运行原理

2．2 开关磁阻电机数学模型

2．2．1 开关磁阻电机的电压方程和机械方程

2．2．2 开关磁阻电机的线性电感模型

2．3 开关磁阻电机发电原理及过程分析

2．4 开关磁阻发电机的优势及不足

2．5 本章小结

3 基于ANSYS的有限元建模与分析

3．1 开关磁阻电机电磁场的基本理论

3．1．1 ANSYS软件基础

3．1．2 微分方程与位函数

3．1．3 边界条件的设定

3．1．4 求解器的设定

3．1．5 后处理

3．2 二维有限元解法分析

3．3 标准开关磁阻电机建模及仿真分析

3．3．1 ANSYS电磁分析基本流程

3．3．2 标准开关磁阻电机有限元分析模型的建立

3．3．3 创建物理环境

3．3．4 开关磁阻电机二维模型的建立

3．3．5 网格剖分及添加激励源

3．3．6 求解及电感矩阵的计算

3．4 求解结果与数据分析

3．4．1 周期内相电感数据的求解

3．4．2 周期内相电感数据的处理与分析

3．5 本章小结

4 SIMULINK建模与分析

4．1 基于非线性电感的开关磁阻电机建模

4．1．1 建模流程分析

4．1．2 开关磁阻电机建模前提

4．2 基于非线性电感的开关磁阻电机模型参量计算

4．2．1 开关磁阻电机磁势特性

4．2．2 开关磁阻电机转矩特性

4．3 基于非线性电感的开关磁阻电机Simulink建模

4．3．1 开关磁阻电机的电机本体模块建立

4．3．2 开关磁阻电机控制模块建立

4．3．3 开关磁阻电机机械模块建立

4．3．4 开关磁阻电机测量模块建立

4．4 标准开关磁阻电机的发电效率

4．5 本章小结

5 开关磁阻电机电感曲线优化设计与最优曲线选择

5．1 对于开关磁阻电机本体的优化设计思路

5．2 电感曲线的可能变形

5．2．1 电感曲线变化一

5．2．2 电感曲线变化二

5．2．3 电感曲线变化三

5．2．4 电感曲线变化四

5．2．5 电感曲线变化五

5．2．6 电感曲线变化六

5．3 六种变形后电感对应的磁势以及转矩数据

5．4 六种变形电感对应的开关磁阻电机的发电效率测试

5．5 六种变形电感中最优电感曲线选择

5．6 本章小结

6 开关磁阻电机本体优化设计及效率仿真

6．1 开关磁阻电机的设计理论

6．1．1 开关磁阻电机的定转子极弧确定

6．1．2 开关磁阻电机电磁参数计算

6．1．3 开关磁阻电机主尺寸设计

6．1．4 开关磁阻电机其它参量设计

6．2 开关磁阻电机外形优化设计方案选择

6．3 开关磁阻电机转子齿优化设计

6．4 优化后开关磁阻电机的效率仿真

6．4．1 优化后开关磁阻电机各项数据获取

6．4．2 优化后电机效率验证

6．5 优化前后开关磁阻电机效率对比

6．6 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献