单相自起动永磁同步电机电磁分析

论文摘要

单相自起动永磁同步电动机在接通单相工频交流电源后不需要任何控制装置就能够实现自起动,在结构上比无刷直流电机等永磁电机要简单;而与同容量的单相异步电动机相比,其效率却能提高。总之,单相自起动永磁同步电动机具有结构简单、效率高、生产成本低等诸多优点,在家用电器领域中有着广阔的应用前景。本课题从电机的结构特点和基本原理出发,对电机的径向气隙磁密、绕组电感、反电动势以及磁阻转矩等重要参数和性能指标进行详细分析和计算,为该电机的优化设计打下了理论基础。径向气隙磁密计算是进行电机设计的基础,也是进一步分析电机振动和噪声的前提。本文用磁路法计算电机的径向气隙磁密,针对定子端口处磁通分布无法考虑之难点,利用Schwarz-Christoffel变换构造出考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数,进而求出定子端口处磁密分布。另外,针对定子电流波形与永磁转子轴线间的相互关系,用二维有限元法对两种运行情况下电机磁场进行分析,给出了四种典型模式下磁力线分布图和径向气隙磁密波形。为克服磁路法和磁场有限元法之不足,本文在用二维有限元法求解出电机三种典型情况下磁力线分布图和径向气隙磁密波形的基础上,根据双反应理论,将磁势分解到直轴和交轴,然后利用叠加原理计算出定子绕组施加电流后的磁密波形。从而准确快速地求解出电机转子处于任意位置、定子绕组施加任意电流时的径向气隙磁密波形。本文分别利用磁路法和有限元法,对电机的定子绕组电感、反电动势以及磁阻转矩进行了计算,并通过实验验证了计算的可靠性和准确性。本文工作为该电机的进一步深入研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 0.1 课题背景及研究意义
• 0.2 国内外的研究现状
• 0.2.1 数学模型
• 0.2.2 参数计算
• 0.2.3 起动和同步运行问题的研究
• 0.2.4 旋转方向的研究
• 0.3 本文主要研究内容及研究方法
• 第一章 单相永磁同步电动机结构及运行原理分析
• 1.1 单相永磁同步电动机结构
• 1.2 电机的运行原理
• 1.3 电机定子特殊结构的作用及影响
• 1.3.1 定子铁芯的两种特殊结构
• 1.3.2 特殊结构对电机的作用
• 1.3.3 特殊结构对电机的影响
• 1.4 小结
• 第二章 单相永磁同步电动机径向气隙磁密计算
• 2.1 概述
• 2.2 径向气隙磁密的磁路计算法
• 2.2.1 磁路法基本原理
• 2.2.2 单相永磁同步电动机的等效磁路
• 2.2.3 区域划分与假设条件
• 2.2.4 阶梯气隙部分磁密求解
• 2.2.5 定子端口部分磁密求解
• 2.2.6 磁路法计算结果
• 2.3 径向气隙磁密计算的磁场有限元法
• 2.3.1 电磁场基本原理
• 2.3.1.1 恒定磁场基本方程
• 2.3.1.2 旋度场和矢量磁位
• 2.3.2 有限元法原理
• 2.3.2.1 边界条件
• 2.3.2.2 边值问题和条件变分问题
• 2.3.2.3 剖分差值、条件变分离散化和求解
• 2.3.3 ANSYS简介
• 2.3.4 建模与剖分
• 2.3.4.1 假设条件
• 2.3.4.2 求解区域及剖分
• 2.3.5 基本方程与边界条件
• 2.3.6 有限元计算
• 2.3.6.1 定子电流波形与转子位置关系
• 2.3.6.2 不同情况下磁场的磁力线分布
• 2.3.6.3 径向气隙磁密波形
• 2.3.6.4 结果分析
• 2.4 组合法计算径向气隙磁密
• 2.4.1 三种特殊情况的磁密有限元计算
• 2.4.2 任意情况下磁密求解
• 2.4.2.1 转子任意位置空载径向气隙磁密
• 2.4.2.2 负载径向气隙磁密
• 2.4.3 结果对比分析
• 2.5 小结
• 第三章 单相永磁同步电动机部分参数和性能计算
• 3.1 概述
• 3.2 磁路法求解
• 3.2.1 电感计算
• 3.2.2 反电动势计算
• 3.3 磁场有限元法求解
• 3.3.1 绕组电感计算
• 3.3.2 反电动势计算
• 3.3.3 磁阻转矩计算
• 3.4 小结
• 第四章 计算结果的实验验证
• 4.1 概述
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 绕组电感结果比较
• 4.2.2 反电动势结果比较
• 4.2.3 磁阻转矩结果比较
• 4.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 个人简历、攻读学位期间的研究成果
• 附录
• 致谢