MAXWELL基于有限元法的双凸极永磁电机分析与研究

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毕业论文

1 引言 1

2 双凸极永磁电机结构和工作原理 3

2.1 基本结构 3

2.2 工作原理 4

3 双凸极永磁电机的数字模型 7

3.2 电压方程7

3.3 磁链方程8

3.4 转矩方程8

4 有限元分析9

4.1 基于 Maxwell 2D有限元电机模型的建立10

4.2 6/4 极 DSPM 电机空载时的有限元分析11

4.2.1磁路分析11

4.2.2电感和磁链分析12

4.3 6/4 极 DSPM 电机负载时的有限元分析13

4.3.1 磁路分析13

4.3.2 理想情况下电感和磁链分析15

4.3.3 转矩研究18

4.3.4 12/8 级双凸极永磁电机的有限元分析21

结论 23

致谢 24

参考文献25
1 引言不知不觉中随着社会的发展，电能已经成为人们生活中不可缺少的能源。人们可以通过电机将热能、风能、潮汐能等转换成为电能，为社会生产提供能源，也可以通过电机将电能转换为其他势能为机械设备提供动力，节省大量的人力和物力，大大的提高了劳动生产效率。因此，电机的研究是社会进步的必要过程[1-6,23]。在 90 年代，伴随着功率电子学和微电子学的飞速发展，一种新型的机电一体化可控交流调速系统诞生了——双凸极永磁电机。双凸极永磁电机的电机上还装有功率变换器、位置传感器和控制器三个部件。从结构上来看，双凸极永磁电机看上去很像开关磁阻电机，因为双凸极永磁电机的定子转子也是双凸极，不过双凸极永磁电机的定子或者转子上多放了永磁体，这导致了双凸极永磁电机的运行原理和控制方式与开关磁阻电机有着很大的区别[15]。双凸极永磁电机一面世就受到了社会很大的关注，因为双凸极永磁电机不仅结构相对简单易于研究，其次装了功率变换器、位置传感器、控制器让电机的控制变得相当方便和灵活，动态响应非常迅速，整个电机具有良好的调速性能,对一些特殊的磁场同样可以适用，最重要的是电机的效率高，双凸极永磁电机的研究是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向[13,24,25]。不过现在来说，国内外对双凸极永磁电机的研究其实还处于刚起步阶段，如今的很多关于双凸极永磁电机的研究都是基于结构和运行原理进行的，还没有很多关于更深层次的探索，所以关于双凸极永磁电机的研究的路还很长，需要全世界共同努力就会有更精彩的发现让电机的作用更进一步。双凸极永磁电机虽然结构简单，但是磁场的变化规律缺很复杂，主要是因为它有一个永磁体。但是电机的磁场又是研究电机的基础，根据对磁场的研究才能对电机进行有效的分析、控制和改进，因此对双凸极永磁电机的磁场分布、永磁磁链、绕组电感和电磁转矩等基础理论进行深入的研究有利于对系统的组成和控制提供良好的参数依据，这样就能让我们更好的科学性的了解双凸极永磁电机并发展电机的潜力[9]。在正式研究双凸极永磁电机之前，还需要介绍一种很有效的研究方法——有限元法。有限元法在一开始是受到了物理学上的变分原理的启发而诞生的，目前在很多物理场中都很常见这种研究方法，尤其是要研究场的极值问题或者磁场较为复杂时[5]。有限元法不仅用处广泛而且效率也很显著。在研究各种电机的时候，常常需要研究人员求解各类微分方程，而这些微分方程一般都很复杂很难研究，这时候就需要研究人员使用有限元法将微分方程离散化，这样一来研究人员就可以自己编制程序借助计算机强大的计算能力求解。