新型同步电机的分析与优化研究

论文摘要

同步电机是一个复杂的非线性动态系统，广泛应用于航空、交通、建筑等领域，研究同步电机的新型结构和运行原理，准确计算同步电机的各项性能参数，具有非常重要的意义。电机优化是电机设计中一个重要的步骤，它直接影响着电机的性能及成本。因此新型同步电机的分析及优化设计是目前电机领域中的研究重点。在合理假设的基础上，文中利用有限元方法对长定子直线电机、振动电机和盘式电机三种新型同步电机进行了系统的分析，得到了其主要性能随电机尺寸及参数的变化规律。并在现有电机优化方法的基础上，提出了一种新的电机优化方法。该方法克服了原有方法结论适应性低、优化时间长等缺陷，具有计算准确、使用方便、结论适用性较广等优点。优化后新型电机的性能与现有电机相比，功率密度和效率更高。本文的主要工作和创新点如下：1．将现有的全局优化和部分优化方法相结合提出了一种新的优化设计方法。该方法首先利用有限元逐个分析电机各主要尺寸对电机性能的影响，通过归纳、分析、对比等方法得到在不受其它尺寸的影响下，其对应的各最佳尺寸值。然后基于有限元分析的结果，通过多项式拟合等方法得到电机各主要性能的计算公式，并将其作为电机的数学模型，进行全局优化。该方法既可得到电机各尺寸与电机性能的对应变化关系，总结得到适应性较广的结论；又能较解析法等其它方法更加精确地描述电机特性，并缩小了全局优化的分析范围，减少了运算时间。文中将其应用于长定子直线电机、振动电机和盘式电机的优化设计中，获得到了较为满意的结果。2．使用提出的优化方法对新型永磁体外置式直线振动发电机进行了系统的分析和优化。利用有限元方法详细分析了永磁体外径、永磁体高度、绕组高度和铁心直径等各主要参数对发电机感应电动势的影响，得到了一系列电机性能与参数间的变化对应关系。通过分析多个尺寸下的优化结果，获得了该电机准优化的设计准则。优化后的永磁体外置式直线振动发电机与现有的永磁体内置式电机相比，性能更优，成本更低。当这两种电机的外径同为31mm，运行速度均为1m／s时，永磁体外置式发电机效率为永磁体内置式的104％，而成本仅为后者的97％。3．利用新型优化方法对长定子直线电机、盘式复合电机进行系统的分析和设计。在有限元分析结果的基础上，通过傅立叶分解、多项式拟合等方法得到了直线电机电感、感应电动势和推力的计算公式，并且系统分析了电机中定子槽宽、槽高和极宽等主要参数对输出转矩和感应电动势的影响，获得了一系列适用性较广的结论。分析结果表明，定子槽宽和极宽的变化会对电机性能产生较大影响，永磁电机采用斜极结构，可有效减小电磁转矩波动。为了简化盘式电机的三维有限元分析，文中提出了使用二维近似求取三维的方法，仿真分析和实验均证明其准确性较高，完全满足工程需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 同步电机概论
• 1.2 新型同步电机研究的重要意义
• 1.3 同步电机分析和优化的现状及发展趋势
• 1.3.1 同步电机性能分析的现状及发展趋势
• 1.3.2 同步电机性能分析方法的现状及发展趋势
• 1.3.3 同步电机优化设计的现状及发展趋势
• 1.4 本文的主要工作及意义
• 第二章 磁悬浮列车用长定子直线电机电磁场分析
• 2.1 磁悬浮列车发展简介
• 2.1.1 磁悬浮列车研究的意义
• 2.1.2 磁悬浮列车的分类及研究现状
• 2.2 TR08型磁悬浮列车运行原理及数学模型
• 2.2.1 TR08型磁悬浮列车结构及运行原理
• 2.2.2 长定子直线同步电机数学模型
• 2.3 长定子直线同步电机磁场分布
• 2.4 长定子直线同步电机推力与悬浮力的分析与计算
• 2.5 长定子直线同步电机电感值分析与计算
• 2.6 直线发电机感应电动势分析与计算
• 2.7 导向电磁场分析与计算
• 2.7.1 导向系统磁场分析
• 2.7.2 导向系统电磁力分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 磁悬浮列车用长定子直线电机优化
• 3.1 电机优化方法
• 3.2 电机尺寸变化对性能的影响
• 3.2.1 定子槽宽对电机性能的影响
• 3.2.2 定子槽高对电机性能的影响
• 3.2.3 动子极面宽度对电机性能的影响
• 3.3 长定子直线电机的全局优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型直线振动发电机的分析与优化
• 4.1 直线振动电机发展简介
• 4.1.1 直线振动发电机研究的意义
• 4.1.2 直线振动电机的分类及研究现状
• 4.2 直线振动电机运行原理
• 4.3 轴对称磁场的有限元分析
• 4.3.1 电机内的磁场分布
• 4.3.2 感应电动势计算
• 4.4 直线振动发电机的尺寸优化
• 4.4.1 电机尺寸变化对性能的影响
• 4.4.2 振动发电机的全局优化
• 4.5 两种直线振动发电机性能比较
• 4.5.1 有限元分析比较
• 4.5.2 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 新型盘式复合永磁同步电机的分析与优化
• 5.1 盘式电机发展简介
• 5.1.1 盘式电机的分类及研究现状
• 5.1.2 盘式电机研究的意义
• 5.2 永磁同步电机解析模型
• 5.3 外转子电机的分析与优化
• 5.3.1 外转子电机的结构与运行原理
• 5.3.2 外转子电机的二维有限元分析
• 5.3.3 外转子电机尺寸变化对性能的影响
• 5.3.4 外转子电机的全局优化
• 5.3.5 外转子电机的三维有限元分析
• 5.4 盘式电机的分析与优化
• 5.4.1 盘式电机的结构与运行原理
• 5.4.2 盘式电机的二维有限元分析
• 5.4.3 盘式电机的尺寸优化
• 5.4.4 盘式电机的三维有限元分析
• 5.5 实验结果与分析
• 5.6 大型盘式复合式同步电机分析验证
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢