永磁直流无刷电机的有限元分析及参数优化研究

论文摘要

直流无刷电机是一种应用广阔、性能稳定的电动机,在很多领域作为重要的驱动部件。对于直流无刷电机的性能改善可以从两个方面进行研究,一方面是对电机的控制方法的研究；另一方面是对电机本体的结构进行研究,在满足电机性能要求的同时,对电机本体结构尺寸进行合理化设计。由于电机的内部情况较为复杂,电机本体的各个结构参数对于电机性能的影响具有高度的非线性,各参数量之间的关系存在相互的影响,因此电机本体的设计需要综合的考察各个参数量,精确可靠的选取电机的各个结构参数,提高电机运行性能。本文通过电机本体的设计对电机性能进行改善,采用ANSYS分析软件的电磁仿真模块建立直流无刷电机的有限元模型,考察电机内部的电磁场分布情况,同时准确的对直流无刷电机的结构参数进行仿真计算和验证,以考察结构参数对电机性能的相关影响,并以仿真所得样本数据继续进行相关优化算法,为电机设计提供理论依据,使得直流无刷电机迈向高效率和节能化。主要完成的研究工作包括：1、调研国内外直流无刷电机的现状和发展状况,得到可通过分析结构参数来改善电机性能的研究方案。2、开展对电机的理论模型的研究,分别对电机的非线性电磁场采用解析法和数值方法进行计算,建立起电机的主要电磁方程。3、建立直流无刷电机的有限元模型,对电机模型进行瞬态电磁场仿真,得到气隙磁密、转矩等波形图,以及相关电机结构参数和转矩的样本数据,并分析了电机结构参数对电机性能的影响,为电机设计提供了目标模型。4、基于有限元分析得到的样本数据,选择差分进化算法对结构参数进行优化,得到直流无刷电机的最优化结构参数,并重新进行有限元建模验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 表格清单
• 第1章 绪论
• 1.1 直流无刷电机的概述
• 1.2 直流无刷电机在各领域的应用
• 1.3 本文研究目的及内容
• 第2章 直流无刷电机的结构及基本原理
• 2.1 直流无刷电机的基本结构
• 2.1.1 电动机本体
• 2.1.2 直流无刷电机的转子位置检测
• 2.1.2.1 常用转子位置检测方法
• 2.1.2.2 霍尔传感器工作原理
• 2.1.3 驱动控制电路
• 2.2 直流无刷电机的工作原理
• 2.3 直流无刷电机的数学模型
• 第3章 永磁直流无刷电机磁场计算
• 3.1 电磁解析方法的概述
• 3.2 电磁计算的数值方法
• 3.3 直流无刷电机非线性磁场的解析方法研究
• 3.3.1 直流无刷电机的空载磁场
• 3.3.2 负载情况下的电机磁场计算
• 3.3.3 电磁转矩的计算
• 3.4 直流无刷电机非线性磁场的数值分析
• 3.4.1 非线性磁场的二维泊松方程
• 3.4.2 差分离散化
• 3.4.3 迭代法求解泊松方程的边界问题
• 3.4.3.1 逐次迭代法
• 3.4.3.2 磁阻系数的调整
• 3.4.4 计算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 直流无刷电机电磁模型有限元分析
• 4.1 电磁场问题的有限元求解
• 4.1.1 有限元方法的概述
• 4.1.2 边界条件和关系
• 4.1.3 有限元法在电磁场中的应用
• 4.2 直流无刷电机有限元模型的建立
• 4.2.1 有限元方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 ANSYS 2D/3D电磁仿真软件简介
• 4.3.1 ANSYS 2D/3D软件简介
• 4.3.2 ANSYS软件的使用步骤
• 4.3.3 瞬态场中激励源的处理
• 4.4 直流无刷电机的ANSYS 2D仿真
• 4.4.1 仿真建模
• 4.4.2 定义材料属性
• 4.4.3 网格划分
• 4.4.4 加载边界、载荷、力标识
• 4.4.5 求解以及后处理分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 直流无刷电机电磁场及参数分析
• 5.1 验证仿真结果的正确性
• 5.1.1 仿真计算和仿真结果
• 5.1.2 仿真结果的验证
• 5.1.2.1 验证的方案
• 5.1.2.2 仿真结果和实验结果的比较
• 5.2 电磁场仿真结果分析
• 5.2.1 电磁场仿真结果的电机结构参数分析
• 5.2.2 转子材料对电机性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 基于差分优化算法的直流无刷电机结构参数优化
• 6.1 优化算法的简介
• 6.2 基于差分进化算法的电机结构参数优化研究
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 本文不足之处和后续研究
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文