基于场路耦合时空有限元的永磁电机瞬态特性研究

摘要

由于永磁电机结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、形状尺寸可以灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用。因此为了满足永磁电机高的性能要求，需要对永磁电机进行更加准确的计算分析，有必要建立一套更加适合永磁电机数值计算的计算方法。本文在完善时空有限元法的理论基础和应用技术下，并结合场路耦合法对永磁电机的瞬态过程进行研究，该方法对永磁电机瞬态过程的数值仿真计算研究有重要的意义，主要进行的工作有： 在时空有限元法的应用研究方面，讨论了时空有限元法应用中的媒质非线性问题、媒质相对运动问题。针对时空有限元法在电磁场领域的实际应用，提出了计及媒质非线性时空有限元方法，和时空有限元法考虑媒质运动的处理办法。本文针对永磁电机提出利用时空有限元法处理其定子、转子区域的方法，即对定子、转子采用两种坐标系，并用边界周期条件处理定子、转子接口，充分考虑磁场的周期性，建立计及电机周期数的旋转电机气隙磁场解析表达式。从而对时空有限元法的工程应用进行了较深入的讨论。 针对瞬变电磁场，提出了以矢量磁位A为变量的计及各类边界条件的含涡流效应方法，建立瞬态电磁场的基本模型，以及瞬态电磁场的场路耦合离散模型，并进行了时空有限元单元分析，推导了相应的瞬态电磁场的离散计算方法。 根据三维实体模型建立永磁电机的二维结构仿真模型，再根据建立的场路耦合时空有限元离散计算方法，在永磁电机的二维结构仿真模型上建立外加电路模型。将永磁电机的二维结构模型和电路模型进行场路耦合，进行永磁电机的二维电磁场分析。通过对永磁电机实体模型的测试结果，验证通过场路耦合时空有限元建立的永磁电机仿真分析模型的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1永磁电机研究现状

1.2瞬变时空电磁场研究方法现状

1.3关于耦合场问题的理论与分析方法

1.4论文的研究内容

第二章瞬变电磁场时空有限元

2.1概述

2.2时空有限元的构造基础

2.2.1涡流场微分方程

2.2.2边界条件处理

2.3瞬态电磁场的基本方程

2.4瞬态电磁场的场路耦合离散模型

2.5定子与转子接合处模型建立

2.5.1运动媒质时变电磁场问题的分域处理

2.5.2运动子域与静止子域的接口

2.5.3转速不恒定问题

2.6本章小结

第三章场路耦合

3.1概述

3.2耦合场分析类型

3.2.1顺序耦合方法

3.2.2直接耦合方法

3.2.3直接耦合法与顺序耦合法的应用场合

3.3永磁电机耦合机理简述

3.4永磁电机场间耦合形式

3.5本章小结

第四章永磁电机场路耦合时空有限元分析

4.1永磁电机结构设计原理

4.1.1永磁电机结构组成

4.1.2永磁电机设计

4.2电磁仿真模型设计

4.2.1概述

4.2.2电磁仿真模型的建立

4.3模型仿真

4.3.1空载气隙磁密分析

4.3.2永磁电机瞬态特性仿真

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

附录仿真程序