畢業(yè)論文---混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的有限元分析

1、<p>　　編號 </p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　二〇一一年六月</b></p><p>　　混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的有限元分析</p><p><b>　　摘 要</b></p>

2、<p>　　混合勵磁雙凸極電機是在永磁雙凸極電機的基礎上演變而來的，它將永磁勵磁與電勵磁進行了有機結(jié)合?；旌蟿畲烹p凸極電機最大限度地綜合兩者優(yōu)勢又能克服各自缺陷的一種新型電機，因此受到較廣泛的關(guān)注。</p><p>　　本文主要致力于混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)研究和有限元計算。具體主要進行了下列的工作：</p><p>　　首先，介紹研究了雙凸極電機的定子極寬與定子極距之

3、比，給出了混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件和多單元混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)，闡述了混合勵磁雙凸極電機的基本工作原理。給出混合勵磁雙凸極電機的數(shù)學模型，包括磁鏈方程、電壓方程及功率方程等。</p><p>　　然后，根據(jù)雙凸極電機各參數(shù)之間的關(guān)系對混合勵磁雙凸極電機的各參數(shù)進行了電磁設計，并給出三相24/16極混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的設計參數(shù)。</p><p>　　最后，從電磁場計

4、算原理及方法入手引入并簡要介紹了有限元法及電機有限元軟件Ansoft Maxwell。根據(jù)設計參數(shù)使用Ansoft Maxwell建立了三相24/16極混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機模型，并分別進行了空載和負載條件下的有限元計算，對電機模型的磁場分布與氣隙磁密進行了研究，給出了電機的空載特性曲線及外特性、功率曲線并做出相關(guān)的分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合勵磁雙凸極電機，有限元法，Ansoft Maxwel

5、l ，空載特性，負載特性</p><p>　　Finite Element Analysis of a Hybrid Excitation Doubly Salient Brushless DC Generator </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Hybrid excitation doubly sa

6、lient machine is evolved from doubly salient permanent magnet machine ,it linked up permanent magnet with electromagnetism associatedlly . Hybrid excitation doubly salient machine ,as a novle mashine ,draws the benefits

7、of the other two doubly salient machines and releases the disadvantages of each ,being attended much.</p><p>　　The basic configuration and finite element calculation on hybrid excitation doubly salient gener

8、ator is studied in this paper .The specific jobs are following :</p><p>　　The Ratio of stator pole width to stator pole pitch of generator is introducted and studied at first . The structure and qualificatio

9、n of hybrid excitation doubly salient generator are describe ,and the basic work theroy is .The mathematical model of hybrid excitation doubly salient generator is also provided ,including flux equation , voltage equatio

10、n , and efficiency equation .</p><p>　　Than the parameters design of structure of hybrid excitation doubly salient generator is done occording to the relatives among parameters .The parameters designed of 24

11、/16 hybrid excitation doubly salient generator is given .</p><p>　　The solution begins with Maxwell's equations ,the basic theroy of electromagnetic ,the finite element method following .Ansoft Maxwell ,

12、a software based finite element method is intructed briefly .And build the model according the parameters of 24/16 hybrid excitation doubly salient generator with the software .Simulation and analysis with the software o

13、n the model is done on the both no-load and load condictions . Magnetic field distribution and air gap flux density are studied and combined on </p><p>　　Key Words：hybrid excitation doubly salient generator;

14、 finite element method; Ansoft Maxwell; no-load characteristics; load characteristics</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要ⅰ</b></p><p>　　Abstractⅱ</p&g

15、t;<p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 研究背景10</p><p>　　1.2 混合勵磁雙凸極電機發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀15</p><p>　　1.3 本文研究的目的及意義</p><p>　　第二章 混合勵磁雙凸極無刷電機的結(jié)構(gòu)20</p><p><b>

16、;　　2.1 概述20</b></p><p>　　2.2 三相雙凸極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　……</b></p><p>　　第XX章 總結(jié)與展望XX</p><p><b>　　參考文獻XX</b></p><p><b>

17、　　致謝XX</b></p><p><b>　　附錄XX</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　雙凸極發(fā)電機（Doubly Salient Generator

18、，簡稱DSG）是隨著功率電子學和微電子學的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型調(diào)速電機。自上世紀90年代得到美國Lipo T.A教授重視以來，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能，使它得到越來越多的關(guān)注和研究，國內(nèi)外學者亦是紛紛展開相關(guān)研究。雙凸極發(fā)電機按勵磁源可分為開關(guān)磁阻發(fā)電機（Switch Reluctance Generator，簡稱SRG）、永磁雙凸極發(fā)電機（Doubly Salient Permanent Magnet Generator，

19、簡稱DSPG）、電勵磁雙凸極發(fā)電機（Doubly Salient Electromagnetic Generator，簡稱DSEG）和混合勵磁雙凸極發(fā)電機（Hybrid Excitation Doubly Salient Generator，簡稱HEDSG）。</p><p>　　勵磁方式的不同使得電機輸出特性、功率密度以及效率等性能有很大區(qū)別。電勵磁電機通過改變電機勵磁繞組電流可以方便地調(diào)劑氣隙磁場強度，從而實

20、現(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速特性，斷開勵磁回路可以有效滅磁，實現(xiàn)電機系統(tǒng)的短路和故障保護，但由于勵磁損耗的存在使得電機系統(tǒng)效率相對較低，難以實現(xiàn)高功率密度。永磁電機省去了勵磁繞組和勵磁電源，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，同時消除了勵磁損耗，提高了電機效率，功率密度大，結(jié)構(gòu)形式靈活多樣。但是，由于永磁材料的固有特性，永磁電機制成后其氣隙磁場基本保持恒定，這導致發(fā)電運行時，氣隙磁場難以調(diào)節(jié)和控制成為限制高性能永磁電機應用和推廣的重要技術(shù)瓶頸，從電機本體

21、和控制度系統(tǒng)的角度出發(fā)，如何實現(xiàn)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)成為永磁電機研究領(lǐng)域的熱點和難點之一。</p><p>　　混合勵磁電機正是為解決永磁電機的上述問題，努力將永磁勵磁和電勵磁兩種勵磁方式進行合理的有機結(jié)合，最大限度地綜合兩者優(yōu)勢又能克服各自缺陷的一種新型電機。</p><p>　　混合勵磁電機是在永磁電機基礎上通過合理的結(jié)構(gòu)改進，引入輔助電勵磁繞組，達到改變永勵磁電機驅(qū)動或調(diào)壓性能的目的。

22、無論是電機本體方面，還是控制系統(tǒng)方面，混合勵磁電機與傳統(tǒng)電機相比都有較明顯的區(qū)別，在許多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。所以，混合勵磁電機的研究不僅具有一定的理論意義，而且具有一定的工程應用價值。</p><p>　　1.2 混合勵磁雙凸極電機發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀</p><p>　　1995年Lipo.T.A等人提出混合勵磁雙凸極（簡稱HEDS）電機，如圖1.1，它

23、是在永磁式雙凸極電機的基礎上演變出的，將永磁與電勵磁進行有機的結(jié)合，通過控制勵磁電流的方向和大小，可以調(diào)節(jié)氣隙磁場，從而實現(xiàn)弱磁升速、增磁提高轉(zhuǎn)矩的功能?；谶@種混合勵磁思想，衍生出多種不同結(jié)構(gòu)型式的混合勵磁雙凸極電機：</p><p>　　上海大學江建中教授提出了一種定子雙饋雙凸極永磁電機，如圖1.2，同樣，定子上既有永磁體，又有勵磁繞組，但與Lipo.T.A等人提出的混合勵磁雙凸極電機不同之處在于，永磁體旁邊

24、附加了一條并聯(lián)磁分路，為直流勵磁磁通提供了一個通路，避免了直流勵磁磁勢直接作用于永磁體，減小了永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的風險，并且通過磁分路磁阻的適當設計，可以達到用較小的直流勵磁磁勢獲得較大氣隙磁通調(diào)節(jié)范圍的目的；</p><p>　　東南大學程明教授所領(lǐng)導的課題組提出了磁橋式混合勵磁雙凸極電機，電機結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，其特點是在電機永磁體與直流勵磁繞組之間設置了一定尺寸的導磁橋，使電機定子鐵芯保持一個整體；<

25、;/p><p>　　南京航空航天大學的嚴仰光教授等在雙凸極電機方面作了很多研究工作，他們提出了一種新型的12/8極磁路獨立式的混合勵磁雙凸極電機結(jié)構(gòu)，如圖1.4,這種并列結(jié)構(gòu)混合勵磁雙凸極電機定子有兩并列的電樞鐵芯，一段為永磁勵磁，另一段為電勵磁，電樞繞組則共用，永磁部分電機和與電勵磁部分電機間用氣隙或非磁性金屬材料隔開一段距離，這樣可以減少永磁體作為磁勢源和勵磁繞組電流作為磁勢源產(chǎn)生的沿軸向的磁通間的交鏈，減少兩部

26、分電機的耦合，從而使兩部分電機磁勢建立的磁通互不關(guān)聯(lián)，經(jīng)各自的磁路閉合。</p><p>　　鑒于雙凸極電機的諸多優(yōu)點，學者們對各結(jié)構(gòu)型式的雙凸極電機進行了大量的研究工作，主要集中于以下幾個方面：</p><p>　　1、電機結(jié)構(gòu)設計。如電機中定轉(zhuǎn)子數(shù)目及幾何結(jié)構(gòu)的設計，繞組匝數(shù)的設計，氣隙的設計以及對各結(jié)構(gòu)之間不同關(guān)系下對電機的影響等設計。</p><p>　　2

27、、雙凸極電動機轉(zhuǎn)矩脈動的問題。雙凸極電機的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電源的開關(guān)形式，使這種電機也存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題。轉(zhuǎn)矩脈動是電機振動、噪聲、速度波動的根源，限制了這種電機的應用范圍。因此，采取措施降低轉(zhuǎn)矩脈動，對于拓寬混合勵磁雙凸極電機的應用范圍、增強其競爭力，具有重要意義。學者們就減小雙凸極電機轉(zhuǎn)矩脈動的問題也進行了大量的研究。</p><p>　　3、雙凸極電機作為發(fā)電機運行時電壓紋波問題。對電壓紋波產(chǎn)生影響的有很

28、多因素，如定轉(zhuǎn)子、氣隙等結(jié)構(gòu)的參數(shù)，勵磁磁場的強弱以及繞組及繞組曹的形狀等。學者們也在對此進行各方面的優(yōu)化設計。</p><p>　　4、雙凸極電機控制原理。電機控制策略的研究始終是電機研究的一個重要的方面。</p><p>　　本文研究的目的和意義</p><p>　　相比傳統(tǒng)電機，雙凸極電機有很大的不同，而它在工業(yè)各領(lǐng)域的飛速發(fā)展和廣泛應用也表證了它的優(yōu)越性?；?/p>

29、合勵磁電機中既有永磁又有電勵磁，它是永磁電機和電勵磁的電機的有機結(jié)合。所以，對于剛剛進入研究領(lǐng)域的人來說，學習研究混合雙凸極電機既有助于鞏固傳統(tǒng)電機的知識，也有助于理解并掌握現(xiàn)代電機的原理和不同電機之間的區(qū)別。</p><p>　　混合勵磁電機較好地解決了永磁雙凸極電機勵磁調(diào)節(jié)困難以及電勵磁雙凸極電機效率低的問題，在許多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。混合勵磁發(fā)電機既可在飛機、艦艇和車輛中作

30、為獨立的發(fā)電系統(tǒng)用，也可并網(wǎng)運行；混合勵磁電動機適合于作節(jié)能驅(qū)動使用，而其中的寬調(diào)速系統(tǒng)可以在電動車輛、機床驅(qū)動和武器設備等高要求場合應用，其優(yōu)越技術(shù)性能是其它類型電機所不具備的。</p><p>　　因此本課題的研究不僅具有一定的理論意義，而且具有一定的工程應用價值。</p><p>　　本文研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一章為緒論部分，主要包括從雙凸極

31、電機到混合勵磁雙凸極電機的介紹，本文的研究背景，以及混合勵磁雙凸極電機的國內(nèi)國外發(fā)展狀況，同時闡述了本文的研究目標及意義；</p><p>　　第二章以6/4極電勵磁雙凸極發(fā)電機單元電機為引子，推出雙凸極電機定子極寬與定子極距之比，給出了混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件和多單元混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)。最后，以12/8混合勵磁雙凸極電機為例闡述了混合勵磁雙凸極電機的工作原理。</p><p

32、>　　第三章從電機的數(shù)學模型入手，依次介紹了混合勵磁雙凸極的磁鏈方程、電壓方程、功率方程等。根據(jù)混合勵磁雙凸極電機各參數(shù)之間的關(guān)系進行電機各參數(shù)的設計并給出設計參數(shù)。</p><p>　　第四章由電磁場計算的基本原理麥克斯韋方程組出發(fā)，簡要闡述了電磁場有限元計算方法，引出并簡要介紹了電機有限元軟件Ansoft Maxwell的計算原理。</p><p>　　第五章使用有限元軟件Ans

33、oft Maxwell對三相24/16極混合勵磁凸極無刷直流發(fā)電機建立模型，并對其進行了空載和負載兩種狀態(tài)下的有限元分析計算。</p><p>　　第六章對本次畢業(yè)設計進行了總結(jié)，對工作中存在的問題稍作總結(jié)，并對以后的工作做出展望。</p><p>　　混合勵磁雙凸極無刷電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙凸極發(fā)電機是在開關(guān)磁阻發(fā)電機的基礎上發(fā)展起來的新型電機，同屬于

34、變磁阻發(fā)電機（Variable Reluctance Generator，簡稱VRG）。由于雙凸極發(fā)電機輸出電壓波形非正弦，一般后接整流電路，輸出直流電，也稱為雙凸極無刷直流發(fā)電機。</p><p>　　本章闡述了DSG定子極寬與定子極距之比的選擇、DSG三種不同的發(fā)電方式以及不同勵磁磁源DSG的結(jié)構(gòu)特點。以6/4極電勵磁雙凸極發(fā)電機（DSEG）單元電機為雛形，衍變出一組多轉(zhuǎn)子極6/4N 極DSEG單元電機，討論

35、了多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機N的取值，推導了定子極寬與定子極距之比和電勢波形寬度表達式，總結(jié)出構(gòu)建新電機結(jié)構(gòu)應滿足的三個條件。之后，給出了混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成條件，并給出了多單元混合勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)。最后，以12/8混合勵磁雙凸極電機為例闡述了混合勵磁雙凸極電機的基本工作原理。</p><p>　　三相雙凸極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.1 單元電機結(jié)構(gòu)型式與類

36、型</p><p>　　圖2.1三相6/4極雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)</p><p>　　三相雙凸極發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)型式為6/4極結(jié)構(gòu)，為最簡單的三相雙凸極發(fā)電機，稱為單元電機，如圖2.1所示。電機的定子有6個在圓周上均勻分布的定子極，每個定子極上裝有集中非疊繞組，空間相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。轉(zhuǎn)子上有均勻分布的4個轉(zhuǎn)子極，轉(zhuǎn)子極上沒有繞組。</p><p>　　與開

37、關(guān)磁阻發(fā)電機不同的是，雙凸極發(fā)電機的定子比開關(guān)磁阻發(fā)電機多一套勵磁磁源。為使勵磁磁源產(chǎn)生的定位力矩理論上為零，勵磁磁路磁導應不受轉(zhuǎn)子位置影響。則雙凸極發(fā)電機的定子極的寬度與定子極距之比應滿足（2.1），而轉(zhuǎn)子極的寬度一般等于或大于定子極的寬度。</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　單元電機結(jié)構(gòu)型式的衍變</p><p

38、>　　6/4極DSEG單元電機的定子極數(shù)為轉(zhuǎn)子極數(shù)的1.5倍。若保持三相DSEG單元電機的定子極數(shù)不變，轉(zhuǎn)子極數(shù)成倍增加，可以衍變出一組DSEG單元電機的派生形式，即6/4N極DSEG單元電機（N=1、2……正整數(shù)），如6/8、6/16極等。當N2時，派生形式DSEG單元電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)大于定子極數(shù)，也稱為多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機。由于單元電機的定子極數(shù)未變，僅轉(zhuǎn)子極數(shù)成倍增加，電機仍為對稱結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子所受徑向電磁力平衡。</p

39、><p>　　DSEG單元電機的頻率與轉(zhuǎn)子極數(shù)4N有關(guān)，電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，定子極和轉(zhuǎn)子極完全重合4N次，電樞繞組匝鏈的磁鏈也變化4N個周期，則相電勢的頻率與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：</p><p>　　= （2.2）</p><p>　　式中為電機轉(zhuǎn)速r/min。

40、對6/4極DSEG電機，N=1，=/15。雙凸極電機的極對數(shù)等于轉(zhuǎn)子極數(shù)，則單元電機定子內(nèi)表面圓周的電角度與機械角度有如下關(guān)系:</p><p><b>　　=</b></p><p>　　= （2.3）</p><p>　　雙凸極電機電

41、樞繞組為集中非疊繞組，相鄰定子電樞繞組元件的相位差取決于相鄰定子極之間的電角度：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　= （2.4）</p><p><b>　　=</b></p><

42、p>　　(1) 為構(gòu)成三相電樞繞組，相鄰定子極電樞繞組元件的相位差應等于電角度或電角度，因此N為3及3的整數(shù)倍以外的正整數(shù)，由此得到三相雙凸極單元電機定子極數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)可能的配合關(guān)系為：6/4、6/8、6/16、6/20、6/28……</p><p>　　(2) 由（2.4）可知，當N=1時，電機為6/4極DSEG，=，沿電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，定子極電樞繞組元件的相序為A相C相B相A相C相。當N=2時，電機為6

43、/8極DSEG，=，沿電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，定子極電樞繞組元件的相序為A相B相 C相A相 B相。</p><p>　　雙凸極發(fā)電機按主電路接法不同，有三種發(fā)電方式,即開關(guān)磁阻發(fā)電方式（Switched Reluctance Generation mode，簡稱SRG發(fā)電方式）、雙凸極發(fā)電方式1(Doubly Salient Generation mode 1，簡稱DSG1發(fā)電方式)和雙凸極發(fā)電方式2((Doubly

44、Salient Generation mode 2，簡稱DSG2發(fā)電方式)，如圖2.2。</p><p>　　SRG發(fā)電方式：當轉(zhuǎn)子極滑出定子極時，相繞組匝鏈的勵磁磁鏈減小，繞組感應電勢為正。若在此區(qū)間電機向負載供電，由楞次定律，負載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵磁磁鏈減小，繞組的連接方式如圖2.2(a)所示。</p><p>　　DSG1發(fā)電方式：當轉(zhuǎn)子極滑入定子極時，相繞組匝鏈的勵磁磁鏈增加，繞

45、組感應電勢為負。若在此區(qū)間電機向負載供電，負載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵磁磁鏈增加，繞組的連接方式如圖2.2(b)所示。</p><p>　　DSG2發(fā)電方式：為SRG發(fā)電方式和DSG1發(fā)電方式的組合，轉(zhuǎn)子極滑入和滑出區(qū)間都發(fā)電。在轉(zhuǎn)子極滑入定子極區(qū)間，負載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵磁磁鏈增加。在轉(zhuǎn)子極滑出定子極區(qū)間，負載電流產(chǎn)生的磁鏈阻止勵磁磁鏈減小，如圖2.2（c）所示。</p><p>　　圖2

46、.2三種發(fā)電方式繞組連接</p><p>　　2.1.3 定子極寬/定子極距之比</p><p>　　若不考慮定、轉(zhuǎn)子極間邊緣效應，6/4N極DSEG單元電機的三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導之和應與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，從而保證勵磁磁路磁導不受轉(zhuǎn)子位置的影響。其定子極寬/定子極距可以由6/4極單元電機的定子極寬/定子極距之比推導得出。</p><p>　　給出12/8極DSEG，為

47、兩個6/4極DSEG單元電機的組合，其定子極寬/定子極距之比為1/2。若省去圖2.3(a) 12/8極DSEG相間的定子極，得到圖2.3 (b) 所示6/8極DSEG單元電機。由于定子極寬不變而極數(shù)減半，6/8極DSEG單元電機的定子極寬/定子極距之比降低為1/4，且勵磁繞組元件數(shù)比12/8極DSEG減小一半。由于勵磁繞組元件仍然跨過A、B、C三相定子極且三相定子極與轉(zhuǎn)子極之間的相對位置未變，則三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導之和與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。

48、</p><p>　　同理，圖2.3 (c)所示12/16極DSEG為2個6/8極DSEG單元電機的組合。若省去圖2.3 (c) 12/16極DSEG相間的定子極，得到圖2.3 (d)所示6/16極DSEG單元電機，6/16極DSEG單元電機的定子極寬/定子極距降低為1/8，且三相定轉(zhuǎn)子極間氣隙磁導之和與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。</p><p>　　圖2.3 定子極寬與轉(zhuǎn)子極距的導出</p&

49、gt;<p>　　一般地，對三相6/(4N)極DSEG單元電機，其定子極寬與定子極距比為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　電勢波形寬度</b></p><p>　　由式（2.3）和（2.5）可得到三相6/4N極DSEG單元電機的定子極弧所占電角度為：</p&

50、gt;<p>　　= （2.6）</p><p>　　由（2.6）可以看出，三相6/4N極DSEG定子極弧所占電角度為不變，與N無關(guān)。即三相6/4N極DSEG電勢波形寬度為不變。</p><p>　　多單元結(jié)構(gòu)雙凸極發(fā)電機</p><p>　　

51、(N＝1、2、4、5……) 為三相雙凸極發(fā)電機的單元電機，則三相多單元雙凸極發(fā)電機是指由多個三相單元電機構(gòu)成的電機，即，k=1、2、3……正整數(shù)。當k2時即為多單元雙凸極發(fā)電機。隨k的增加，電機轉(zhuǎn)子內(nèi)徑與定子內(nèi)徑比越接近1，轉(zhuǎn)子內(nèi)為機械支撐的輻條和轉(zhuǎn)軸，外形接近自行車車輪形狀。</p><p>　　為了在大直徑的情況下降低電機的體積重量、提高效率，必須采用多極結(jié)構(gòu)。而對雙凸極電機而言，多極電機就是多單元電機。&l

52、t;/p><p>　　混合勵磁雙凸極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　混合勵磁雙凸極單元電機由多個（設為k個）勵磁磁源性質(zhì)不同的雙凸極單元電機組成。</p><p>　　圖2.4是（k=3）極三相混合勵磁雙凸極單元電機截面圖，電機的勵磁磁源為4塊條形永磁體和1套勵磁繞組元件。永磁體和勵磁繞組產(chǎn)生極性交錯分布的空載磁場，如圖2.4中箭頭所示。為使轉(zhuǎn)子受到的徑向電磁力平衡，

53、4塊條形永磁體分兩組，對稱分布在定子軛兩側(cè)。</p><p>　　圖2.4 混合勵磁雙凸極單元電機（k=3，N=1）</p><p>　　定子極A1、A4、B1、B4 、C1和C4上電樞繞組所匝鏈的磁鏈由永磁體產(chǎn)生。定子極A2、A3、A5、A6、B2、B3、B5、B6、C2、C3、C5和C6上電樞繞組所匝鏈的磁鏈由電勵磁繞組和永磁體共同產(chǎn)生。正向加大勵磁電流使這些電樞繞組元件的磁鏈最大值加

54、大。反向加大勵磁電流，可減小磁鏈最大值。</p><p>　　若將定子極A1~A6、B1~B6、C1~C6上電樞繞組互相串聯(lián)，就構(gòu)成單輸出混合勵磁雙凸極發(fā)電機。若將定子極A1、A4、B1、B4、C1、C4上電樞繞組分別串聯(lián)后構(gòu)成一組三相繞組，定子極A2、A3、A5、A6，B2、B3、B5、B6，C2、C3、C5、C6上電樞繞組分別串聯(lián)后構(gòu)成另一組三相繞組，則混合勵磁雙凸極發(fā)電機為雙輸出電機。</p>

55、<p>　　雙輸出電機通常作發(fā)電機使用，前者為永磁發(fā)電機，后者為混合勵磁發(fā)電機。若不計漏磁，則當勵磁電流=0時，混合勵磁電機三相電動勢為零，而永磁發(fā)電機的電動勢最大。</p><p>　　圖2.5是（k=4）極混合勵磁雙凸極單元電機，圖2.5 (a)電機勵磁磁源為4塊條形永磁體和2套勵磁繞組元件，圖 2.5(b)勵磁磁源為6塊條形永磁體和1套勵磁繞組元件。為了產(chǎn)生極性交錯分布的空載磁場，圖2.5 (b

56、)中勵磁繞組元件的兩邊電流方向相同，這顯然是不合理的。圖2.5(a)電機也可有兩種輸出方式，單輸出和多輸出。</p><p>　　圖2.5 混合勵磁雙凸極單元電機（k=4，N=1）</p><p>　　由上分析可見，混合勵磁雙凸極發(fā)電機的構(gòu)成條件：</p><p>　?。?）永磁體必須為偶數(shù)，對稱排列；</p><p>　?。?）勵磁繞組元件

57、至少一個，且勵磁繞組元件的兩有效邊電流必須反向；</p><p>　?。?）相對定子極電樞繞組應串聯(lián)。</p><p>　　表2.1給出幾種典型的混合勵磁雙凸極單元電機。勵磁元件數(shù)與永磁體數(shù)之半之比將確定電機調(diào)磁能力大小，比值大于1時氣隙平均磁場可調(diào)到0，小于1則調(diào)不到0。</p><p>　　采用同樣的方法，可以構(gòu)成多轉(zhuǎn)子極混合勵磁單元電機。</p>

58、<p>　　表2.1 HEDSG的單元電機</p><p>　　多個混合勵磁雙凸極單元電機可組合成多單元混合勵磁雙凸極發(fā)電機。圖2.6(a) 的k=6，36/24極電機由2個圖2.4所示18/12極混合勵磁雙凸極單元電機組合而成。圖2.6 (b)的k=8，48/32極電機由2個圖2.4(a)所示24/16極混合勵磁雙凸極單元電機組合而成。</p><p>　　混合勵磁雙凸極電機

59、的工作原理</p><p>　　圖2.7為 (k=2)極HEDS電機的結(jié)構(gòu)圖，定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上無繞組，定子上裝有集中直流勵磁繞組和電樞繞組，空間相對的四個定子齒上的電樞繞組兩兩串聯(lián)，兩組電樞繞組或串連或并聯(lián)形成三相電樞繞組，星形連接。定子軛部嵌入4塊切向沖磁的永磁體，形成電機在無直流調(diào)磁時的氣隙主磁場。與永磁體相鄰的定子槽內(nèi)放置電勵磁繞組，用以調(diào)節(jié)電機氣隙主磁場。

60、定子極弧為定子齒距的1/2，即/12機械角，這樣可以保證一個極（N極或S極）下轉(zhuǎn)子齒與定子齒的重疊角度之和恒等于轉(zhuǎn)子極弧，而與轉(zhuǎn)子位置角無關(guān)，從而使合成氣隙磁導為一常數(shù)，磁鋼工作點將不隨著轉(zhuǎn)子位置角的改變而變化，任一相電樞繞組所交鏈的勵磁磁鏈（永磁磁鏈和電勵磁磁鏈之和）僅與該相磁導成正比。 空載時，混合勵磁雙凸極電機電樞繞組所匝鏈的勵磁磁鏈是轉(zhuǎn)子位置角、勵磁直流和電樞繞組與勵磁繞組間互感的函數(shù)。對圖2.7所示定、轉(zhuǎn)子極弧為/的混

61、合勵磁雙凸極電機的三相永磁磁鏈曲線和電樞繞組與勵磁繞組之間的互感曲線作線性化處理，圖2.8為轉(zhuǎn)子位置角在區(qū)間（，）內(nèi)（相當于電角度），三相永磁磁鏈、電樞繞組和勵磁繞組間互感與轉(zhuǎn)</p><p>　　當電機轉(zhuǎn)子在外力驅(qū)動下以一定速度運轉(zhuǎn)，不同勵磁直流時電樞繞組上產(chǎn)生的空載感應電勢波形如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9 不同勵磁直流下空載感應電勢</p><p

62、><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本章從三相6/4極雙凸極單元電機出發(fā)，導出三相多轉(zhuǎn)子極雙凸極單元電機，討論了多單元結(jié)構(gòu)發(fā)電機和勵磁雙凸極發(fā)電機結(jié)構(gòu)，闡述了混合勵磁雙凸極發(fā)電機的工作原理。</p><p>　　（1）導出的雙凸極電機應滿足結(jié)構(gòu)對稱，相鄰定子極電樞繞組元件電動勢相位差和電機相數(shù)協(xié)調(diào)，勵磁繞組元件所跨過的定子極下氣隙磁導之和不受轉(zhuǎn)子位置

63、影響三個條件。</p><p>　?。?）三相雙凸極單元電機的定、轉(zhuǎn)子配合關(guān)系為6/(4N)，其中N為除3和3的倍數(shù)以外的自然數(shù)。衍變出的多轉(zhuǎn)子極DSEG單元電機的電勢波形寬度相等，為。</p><p>　?。?）多極雙凸極電機是由多個單元電機構(gòu)成的多單元結(jié)構(gòu)雙凸極電機。</p><p>　?。?）混合勵磁雙凸極發(fā)電機的永磁體必須為偶數(shù)塊，且對稱分布在定子軛兩側(cè)，勵

64、磁元件至少有一個，且它的兩有效邊電流反向。永磁體與勵磁繞組共同產(chǎn)生極性交錯分布的空載磁場。相對兩定子極上的元件串聯(lián)。電機繞組有單輸出和雙輸出兩種連接方式。</p><p>　　第三章 混合勵磁雙凸極無刷電機的設計</p><p>　　本章主要進行混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的設計。首先從電機的數(shù)學模型入手，依次介紹了混合勵磁雙凸極的磁鏈方程、電壓方程、功率方程等。之后根據(jù)混合勵磁雙凸極電機

65、各參數(shù)之間的關(guān)系進行電機各參數(shù)的設計并給出設計參數(shù)。</p><p>　　混合勵磁雙凸極電機的數(shù)學模型</p><p>　　混合勵磁雙凸極電機的數(shù)學模型包括磁鏈方程、電壓方程、功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和機械方程。由于雙凸極結(jié)構(gòu)以及磁路飽和效應等因素的影響，電機參數(shù)如磁鏈、電感等都不是常數(shù)，不僅與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，而且還是電樞繞組電流和勵磁繞組電流的函數(shù)，很難用解析式準確表達，但是混合勵磁雙凸極電機的

66、工作原理仍滿足電學理論中的基本原理和定律，如能量守恒原理、磁路基本定律、電路基本定律和牛頓運動定律等。</p><p><b>　　磁鏈方程</b></p><p>　　對于雙凸極電機，繞組中通入電流時，三相電樞繞組所匝鏈的磁鏈可用下式表示：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p

67、>　　式中為各相繞組所匝鏈的磁鏈矩陣，為各相繞組所匝鏈的勵磁磁鏈矩陣，為繞組電感矩陣，為繞組中電流矩陣。</p><p>　　在混合勵磁雙凸極電機中，為永磁磁鏈與電勵磁磁鏈之和形成的磁鏈矩陣：</p><p>　　= （3.2）</p><p>　　故，混合勵磁

68、雙凸極電機的磁鏈方程也可表達為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中, ，</p><p>　　, </p><p>　　其中，，，分別為a、b、c三相繞組匝鏈的磁鏈，為勵磁繞組匝鏈的磁鏈；，，，分別為a、b、c三相電樞繞組和勵磁繞組匝鏈的永磁磁鏈；、、、

69、分別為a、b、c相電樞繞組和勵磁繞組的自感；、、、、、分別為各相電樞繞組之間的互感；、、、、、分別為各項電樞繞組和勵磁繞組之間的互感；、、、分別為a、b、c相電樞繞組中的電流和勵磁電流。</p><p><b>　　電壓方程</b></p><p>　　根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電磁感應定律，繞組端電壓等于因磁鏈變化產(chǎn)生的感應電勢與內(nèi)抗壓降之和，電壓平衡方程為：</

70、p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　其中，繞組端電壓=，繞組電阻。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩方程在參考文獻[]中通過功率平衡原理推得，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　?。?.5）<

71、;/b></p><p>　　式中 （3.6）</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　為電樞繞組自感和電樞繞組間互感隨轉(zhuǎn)子位置角θ變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩；為電樞繞組匝鏈的勵磁磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角θ變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為勵磁轉(zhuǎn)矩，這是輸出轉(zhuǎn)矩的主要構(gòu)

72、成部分。</p><p><b>　　機械方程</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)電機的機械運動方程為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（3.9）</b></p><p>　　式中J為轉(zhuǎn)動慣量，B為摩擦系數(shù)，為

73、負載轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　混合勵磁電機的電磁設計</p><p><b>　　磁場調(diào)節(jié)原理</b></p><p>　　混合勵磁雙凸極電機存在兩種類型的勵磁源：一種是永磁勵磁源，另一種是電勵磁源。額定狀態(tài)下，電機主磁場只由永磁勵磁源產(chǎn)生；在磁場調(diào)節(jié)狀態(tài)下，除了永磁勵磁源產(chǎn)生的氣隙磁場外，還有電勵磁源產(chǎn)生的調(diào)節(jié)磁場，兩種勵磁源磁場在氣隙中相

74、互疊加，產(chǎn)生電機主磁場。當電勵磁源產(chǎn)生的磁場方向與永磁勵磁源產(chǎn)生的磁場方向相同時，氣隙磁場增強；當電勵磁源產(chǎn)生的磁場方向與永磁勵磁源產(chǎn)生的磁場方向相反時，氣隙磁場減弱。因此通過改變直流勵磁磁勢的大小，就能夠有效調(diào)節(jié)主氣隙磁通。</p><p><b>　　參數(shù)設計</b></p><p>　　根據(jù)第二章的分析，三相雙凸極電機的定子數(shù)和轉(zhuǎn)子數(shù)配合關(guān)系滿足：</p&

75、gt;<p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　其中，k=1,2,3………，正整數(shù)，N為除3及3倍數(shù)以外的自然數(shù)。</p><p>　　三相雙凸極電機定子極寬與定子極距的配合關(guān)系滿足：</p><p><b>　　（3.11）</b></p><p>　　混合勵磁雙

76、凸極電機幾何尺寸間的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式中，指定子內(nèi)徑，鐵芯長度，是額定功率，氣隙磁密，定子線負荷，是額定轉(zhuǎn)速，、、、是由電機結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的系數(shù)，表示效率。</p><p>　　當電機結(jié)構(gòu)型式和主要尺寸確定后，可以根據(jù)以下兩式對永磁體尺寸進行初步計算選擇：</p>

77、<p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　式中，、分別為永磁體的寬度和高度。為氣隙厚度，漏磁系數(shù)，為三相定子極與轉(zhuǎn)子極重疊角度之和，為永磁體在工作點處的磁通密度，、分別為永磁體的剩磁密度和矯頑力，為氣隙磁導率，為勵磁直流，為永磁體長度=。</p>&l

78、t;p>　　每相繞組匝數(shù)可以由下式進行初步計算選擇：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　式中，氣隙磁密，是額定轉(zhuǎn)速，指定子內(nèi)徑，鐵芯長度。</p><p><b>　　主要設計參數(shù)</b></p><p>　　設計要求：額定功率2kW，額定電壓500V，電機

79、額定轉(zhuǎn)速500r/min。經(jīng)參考文獻并分析設計，得到混合勵磁雙凸極電機的設計參數(shù)如表3.1。</p><p>　　表3.1 三相HEDSG主要設計參數(shù)</p><p>　　混合勵磁雙凸極電機電磁場研究方法</p><p>　　本章從電磁場研究的最基本理論——麥克斯韋方程組出發(fā)，引出了電磁場計算中所用到的位函數(shù)及邊界條件。進而引出電機中電磁場常用計算方法——有限元法并

80、做了簡要介紹和闡述。最后簡要介紹了電機有限元計算軟件Ansoft Maxwell的基本原理及仿真的基本步驟。</p><p><b>　　電磁場基本理論</b></p><p>　　電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機中一切電磁過程都可以從麥克斯韋方程出發(fā)進行分析。在解決電機具體問題時，常常采用位函數(shù)表示，位函數(shù)比場量本身更容易建立邊界條件。</p>

81、<p><b>　　麥克斯韋方程</b></p><p>　　麥克斯韋方程組是麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎上，提出適用于所有宏觀電磁現(xiàn)的數(shù)學模型。麥克斯韋方程由四個定律組成：安培環(huán)路定律(4.1)、法拉第電磁感應定律(4.2)、高斯定律(4.3)、磁通連續(xù)性原理(4.4)。</p><p>　　麥克斯韋方程組有兩種形式，積分形式和微分形式。</p>

82、;<p><b>　　積分形式：</b></p><p><b>　　(4.1a)</b></p><p><b>　　(4.2a)</b></p><p><b>　　(4.3a)</b></p><p><b>　　(4.4a)

83、</b></p><p><b>　　微分形式:</b></p><p><b>　　(4.1b)</b></p><p><b>　　(4.2b)</b></p><p><b>　　(4.3b)</b></p><p&g

84、t;<b>　　(4.4b)</b></p><p>　　其中，H—磁場強度，B—磁感應強度，E—電場強度，D—電位移，J—電流密度，—電荷密度，分別為介電常數(shù)、磁導率和電導率，則有：</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　位函數(shù)</b></p><p

85、>　　在計算電機電磁場問題時，引用位函數(shù)作為輔助量可以減少未知數(shù)的個數(shù)，使問題得到簡化。在旋度為零的無旋場中可以采用標量位函數(shù)，在有旋場中使用矢量位函數(shù)。比如在無旋場中引入標量電位或標量磁位，它們與場強的關(guān)系是：</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p

86、>　　式中負號表示電位（或磁位）梯度與電場（或磁場）強度方向相反。對（4.5）兩端取散度得：</p><p><b>　　（4.7）</b></p><p>　　應用高斯定律可得到：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　這就是靜電場的泊松方程。在沒有自由電荷區(qū)域

87、時，，此時的泊松方程稱為拉普拉斯方程：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　（4.8）和（4.9）合稱為電位場的微分方程。</p><p>　　同理，對于磁場，在沒有電流的區(qū)域，滿足拉普拉斯方程：</p><p><b>　　（4.10）</b></p>

88、<p>　　在有電流的區(qū)域，由于，屬于有旋場，引入矢量磁位A（Wh/m）,A和B滿足：，則有：</p><p><b>　　(4.11）</b></p><p>　　對于沒有電流存在的區(qū)域，矢量磁位A同樣能夠應用，因為任意矢量的旋度再取散度恒為0，</p><p><b>　?。?.12）</b></p&

89、gt;<p>　　即磁通連續(xù)性的條件永遠滿足。在求解具體問題時，如在恒定磁場中，有庫倫規(guī)范條件：</p><p><b>　　(4.13)</b></p><p>　　由(4.11)可以得到A滿足矢量形式的泊松方程：</p><p><b>　　（4.14）</b></p><p>　

90、　由此可根據(jù)電流分布先求出矢量磁位A，再使用求出B。</p><p><b>　　邊界條件</b></p><p>　　電磁場的分析和計算通常歸結(jié)為求微分方程的解。對于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就成為唯一的。對于偏微分方程，使其能成為唯一的輔助條件可以分為兩種，一種是表達場的邊界所處的物理情況，稱為邊界條件；一種種是確定場的初始狀態(tài)，稱為初始條件

91、。邊界條件和初始條件合稱為定解條件。未附加定解條件的描寫普遍規(guī)律的微分方程稱為泛定方程。泛定方程是解決問題的依據(jù)，但不能確定具體的物理過程，它的解的個數(shù)是無限多的。泛定方程和定解條件作為一個整體，稱為定解問題。能得到唯一而穩(wěn)定的解才稱為適定的。</p><p>　　邊界條件通常有兩種情況：</p><p>　　邊界上的物理條件規(guī)定了物理量在邊界上的值，稱為第一類邊界條件：</p>

92、;<p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　當時，稱為第一齊次邊界條件。</p><p>　?。?）邊界上的物理條件規(guī)定了物理量及其法向?qū)?shù)在邊界上的某一線性關(guān)系，稱為第二類邊界條件：</p><p><b>　　(4.16)</b></p><p>　　其中,為邊

93、界的外法線矢量，和為一般函數(shù)，當為零時，稱為第二類齊次邊界條件。</p><p>　　在解拉普拉斯方程時，上面兩類邊值問題分別稱為狄里克萊問題和諾依曼問題，所以這兩類邊界條件也分別稱為狄里克萊邊界條件和諾依曼邊界條件。</p><p>　　電磁場二維有限元計算方法簡介</p><p>　　電機電磁場的計算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。在各種的求解偏微分方程的數(shù)學方

94、法中，有限元法由于電子計算機的飛速發(fā)展而被廣泛應用于電磁場的計算。</p><p>　　有限元法是根據(jù)變分原理和離散化而求取近似解的方法。所謂有限元法，就是將整個區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為“單元”或者“有限元”，將求解邊界ent的原理應用于這些子區(qū)域中，求解每個小區(qū)域，然后把各個小區(qū)域的結(jié)果綜合起來得到整個區(qū)域的解。</p><p>　　電機中的電磁場問題一般歸結(jié)為一個

95、偏微分方程的邊值問題，有限元法不是直接以它為對象去求解，而是首先從偏微分方程邊值問題出發(fā)，找出一個稱為能量泛函的積分式，令它在滿足第一類邊界條件的前提下取極值，即構(gòu)成條件變分問題。這個條件變分問題是和偏微分方程邊值問題等價的。有限元法便是以條件變分問題作為對象來求解電磁場問題的。與此同時，將場的求解區(qū)域剖分成有限個單元，在每個單元內(nèi)部，近似地認為任一點的求解函數(shù)是在單元節(jié)點的函數(shù)值之間隨著坐標變化而線性變化的，因此在單元中構(gòu)造出插值函數(shù)

96、。然后把插值函數(shù)代入能量泛函的積分式，把泛函離散化為多元函數(shù)。根據(jù)極值原理，將能量函數(shù)對每一個自變量求偏導數(shù)，并令其等于零，便得到一個線性代數(shù)或非線性方程。最后對此方程組由第一類邊界條件作修正并借助于電子計算機求解。</p><p>　　可以將有限元法的歸納為下面四個基本步驟:</p><p>　　列出與偏微分方程邊值問題等價的條件變分問題；</p><p>　　將

97、區(qū)域作為三角單元剖分,并在單元中構(gòu)造出線性插值函數(shù)；</p><p>　　將能量泛函的極值問題轉(zhuǎn)化為能量函數(shù)的極值問題,建立線性方程組；</p><p><b>　　求解線性方程組。</b></p><p>　　有限元軟件Ansoft Maxwell</p><p>　　Ansoft Maxwell是一款商用低頻電磁場有

98、限元軟件，在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。本論文主要應用Maxwell 2D部分進行混合勵磁雙凸極電機的有限元仿真。Maxwell 2D仿真基本步驟為：</p><p>　　1.指定求解類型（Solution type）。</p><p>　　2.創(chuàng)建幾何模型并指定材料屬性（Draw Model & Material）。</p><p>　　3.施加邊

99、界條件和源（Boundary & Meterial）。</p><p>　　4.添加求解選項（Add Solution Setup）并驗證模型（Validate）</p><p>　　5.求解（Analyze All）</p><p>　　6.求解后處理繪圖場量圖和取數(shù)據(jù)（Result & Field Overlays）</p><

100、;p>　　在一些具體問題中，還需要運動選項設置（Motion setup）、電機外電路（External Circuit）的創(chuàng)建及設置等步驟。</p><p>　　Maxwell 2D按照計算模型所需的求解器主要分為：靜磁場（Magnetostatic）、渦流場（Eddy Current）、瞬態(tài)磁場（Transient）、靜電場（Electrostatic）、交變電場（AC Conduction）直流傳導電

101、場（DC Conduction）。</p><p>　　Maxell 2D求解過程中主要施加的邊界條件有：</p><p>　?。?）狄里克萊邊界條件</p><p>　?。?）諾依曼邊界條件</p><p>　?。?）自然邊界條件：不同媒質(zhì)交界面上場量的切向分量和法向分量的邊界條件。自然邊界條件不需用戶指定，默認的邊界條件。</p&g

102、t;<p>　?。?）對稱邊界條件：對稱邊界條件施加與求解場在物理或幾何上嚴格對稱，包括奇對稱和偶對稱兩大類。</p><p>　?。?）周期邊界條件：亦稱匹配邊界條件，是計算周期性重對稱結(jié)構(gòu)時采用的邊界條件。</p><p>　?。?）氣球邊界條件：指定求解區(qū)域外邊界處，一般用于絕緣系統(tǒng)，也可用于模擬無限元邊界。</p><p>　　（7）阻抗邊界條

103、件：用來模擬介質(zhì)層的邊界條件。</p><p>　　Ansoft Maxwell 2D中常用的求解方程有：</p><p>　?。?）二維靜電場求解器滿足的泊松方程（4.8）</p><p>　?。?）二維穩(wěn)恒電場求解器所滿足的拉普拉斯方程（4.9）</p><p>　　（3）二維交變電場求解器所滿足的復數(shù)拉普拉斯方程:</p>

104、<p><b>　?。?.17）</b></p><p>　?。?）二維靜磁場求解器所滿足的矢量形式的泊松方程（4.14）；</p><p>　?。?）二維渦流求解器所滿足的波動方程：</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　?。?）二維軸向磁場求解器所滿足的

105、齊次波動方程：</p><p><b>　　（4.19）</b></p><p>　　混合勵磁雙凸極發(fā)電機的有限元計算</p><p>　　本章根據(jù)前面幾章的原理闡述及計算設計，使用有限元軟件Ansoft Maxwell對三相24/16極混合勵磁凸極無刷直流發(fā)電機建立模型，并對其進行了空載和負載兩種狀態(tài)下的有限元分析計算。</p>

106、<p>　　混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機的模型建立</p><p>　　根據(jù)表1，建立的混合勵磁雙凸極發(fā)電機模型如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 HEDSG模型</p><p>　　圖5.2為所建模型的有限元網(wǎng)格剖分圖。圖5.3為混合勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機各個部分的有限元網(wǎng)格圖。</p><p>　　圖5.4為電機

107、外整流電路。</p><p><b>　　圖5.4 整流電路</b></p><p>　　混合勵磁雙凸極發(fā)電機的空載計算</p><p>　　如圖5.4為仿真空載外電路。</p><p><b>　　圖5.4 空載電路</b></p><p><b>　　空載磁場與

108、氣隙磁密</b></p><p>　　混合勵磁雙凸極電機的空載磁場和轉(zhuǎn)子位置與勵磁電流有關(guān)。如圖5.1中，沿坐標軸對稱的為A相定子極，定義轉(zhuǎn)子極中心線和A相定子極中心線夾角為轉(zhuǎn)子位置角。分別給出轉(zhuǎn)子位置角為0(0電角度)、3.75 (60電角度)、7.5 (12.5電角度)和11.25 (180電角度)時，不同勵磁電流的電機空載磁場，以及各角度的氣隙磁密分布圖。在氣隙磁密計算中，所作的氣隙弧半徑為11

109、1.3mm，弧長約為350mm。在永磁勵磁磁鏈下的A相定子中心線處distance為0稱為AP，在永磁勵磁和電勵磁混合磁鏈下的A相定子中心線distance約為87mm稱為AH，在電樞繞組勵磁磁鏈下的A相定子極中心線distance約為175mm稱為AE。</p><p>　　圖5.5為=0轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極與A相定子極完全重合。相鄰的兩轉(zhuǎn)子極正好滑入C相定子極和滑出B相定子極。此時，A相定子極下為最大氣隙磁密，磁

110、密值在勵磁電流為6A時AP為1.32T，AH為1.08T，AE為0.78T，磁密值在勵磁電流為12A時AP為1.28T，AH為1.32T，AE為1.38T。</p><p>　　圖5.6為=3.75轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極滑出A相半個定子極，且相鄰的兩個轉(zhuǎn)子極滑入C相半個定子極。此時，由于定轉(zhuǎn)子的邊緣效應，氣隙波形變得不再方正。A相定子極中心線下的氣隙磁密的磁密在勵磁電流為6A時AP為0.72T，AH為0.58T，AE為

111、0.42T，勵磁電流為12A時AP為0.75T，AH為1.54T，AE為1.64T。</p><p>　　圖5.7為=7.5轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極與C相定子極完全重合，且相鄰的兩個轉(zhuǎn)子極正好滑入B相定子極和正好滑出A相定子極。此時C相定子極下的氣隙磁密最大，A相定子磁密值在勵磁電流為6A時AP為0.14T，AH為0.2T，AE為0.05T，勵磁電流為12A時AP為0.06T，AH為0.1T，AE為0.12T。</

112、p><p>　　圖5.8為=11.25轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子極滑出C相半個定子極，且相鄰的兩個轉(zhuǎn)子極滑入B相半個定子極。此時A相磁阻最大，A相定子磁密值在勵磁電流為6A時AP為0.1T，AH為0.075T，AE為0.05T，勵磁電流為12A時AP為0.05T，AH為0.075T，AE為0.1T。</p><p><b>　　磁鏈曲線與感應電勢</b></p><

113、;p>　　圖5.9是空載條件下，勵磁電流分別為-6A、-3A、0A、3A、6A和12A時仿真時間為20ms的三相磁鏈曲線和繞組感應電勢曲線。</p><p>　　圖5.10為空載狀態(tài)下，不同勵磁電流的A相磁鏈曲線比較。從上往下依次是勵磁電流為-6A,-3A,0A,3A,6A,8A,12A的磁鏈曲線。由圖可知磁鏈隨勵磁磁勢和轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，磁鏈是勵磁磁勢和轉(zhuǎn)子位置角的非線性函數(shù)。由圖中還可看出，相同轉(zhuǎn)