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新型半导体换流低速磁阻电动机的研究

作　者: 史涔（氵山一几攵）
导　师: 林瑞光
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 半导体换流低速磁阻大力矩直接驱动有限元变频调速仿真
分类号: TM352
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文首次提出了一种新型结构原理的低速大力矩电动机-半导体换流低速磁阻电动机(SCLRM)。该种电机无需任何减速机构，仅由六只二极管构成的变流器与传统磁阻型低速同步电动机相结合，既保留了传统磁阻型低速电机结构工艺简单的优点，又克服了传统磁阻型低速电机难以输出大转矩的局限，为直接驱动的低速大力矩电动机的研究开辟了一条新的途径。在本文中对该新型电机的运行机理、设计特点、磁场分布、稳态运行性能及调速控制系统进行了系统的理论分析和实验研究，为发展这类电机奠定了坚实的理论和实践基础。在介绍电机结构的基础上，深入分析了SCLRM在三相交流电源下的自激换流工作原理。通过分析SCLRM的气隙磁导和气隙磁场，推导出SCLRM低速同步的条件和定转子可行的齿配合关系。建立了SCLRM在多相坐标系和复变量坐标系下的数学模型，并依据所提出线性磁网络模型推导出了绕组电感参数的计算公式。利用虚位移原理推导出了SCLRM中的磁场能量和电磁转矩的计算方法，并详细分析了电磁转矩产生的物理本质。全面分析了SCLRM的设计特点，在此基础上给出了线性假定下SCLRM的工程计算方法。对样机的计算值和实验值进行对比分析表明，本文中的计算方法满足工程精度的要求。采用二维有限元法，详细计算了不同转子位置时SCLRM的磁场分布和一个极下不同转子位置时的气隙磁密分布，分析了该新型电机的磁场性质及分布特点，并对样机的电感特性进行了深入分析和计算。根据SCLRM独特的绕组结构，采用与普通三相桥式电路不同的逆变电路，研制了SCLRM开环变频调速系统，并在样机上进行了实验研究，结果表明，SCLRM具有近似恒功率调速特性。另外文中也给出了一种闭环控制方案。建立了基于PSPICE的系统仿真模型，对SCLRM在自激方式和逆变器驱动方式下的稳态运行特性进行了仿真计算，分析了电机参数及驱动方式对稳态电压、电流及电磁转矩的影响。另外，从能量的观点仿真分析了SCLRM动态转矩波动的主要原因。仿真结果与样机实验结果相符，说明SCLRM稳态仿真模型能满足一定的精度要求。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
第一章绪论  9-29
  §1．1 课题的背景及选题的意义  9-10
  §1．2 低速电动机国内外研究概况  10-18
  §1．3 两种典型的磁阻电机分析理论的发展概况  18-22
    1．3．1 步进电机分析理论的发展  18-19
    1．3．2 开关磁阻电机分析理论的发展  19-20
    1．3．3 磁阻电机特性的几种典型分析方法  20-22
  §1．4 半导体换流低速磁阻电动机的提出  22-27
    1．4．1 两种电机产生转矩能力的比较  22-25
    1．4．2 SCLRM的结构型式  25-27
  §1．5 本文研究的主要内容  27-29
第二章半导体换流低速磁阻电动机的基本理论  29-47
  §2．1 引言  29
  §2．2 SCLRM的基本结构与工作原理  29-32
    2．2．1 SCLRM的基本结构  29-30
    2．2．2 SCLRM的自激换流工作原理  30-31
    2．2．3 SCLRM的续流分析  31-32
  §2．3 用气隙磁导波概念分析SCLRM低速同步的条件  32-36
    2．3．1 SCLRM气隙比磁导  32-34
    2．3．2 SCLRM的气隙磁场及低速同步条件  34-35
    2．3．3 SCLRM气隙齿距比磁导  35-36
  §2．4 SCLRM的数学模型  36-45
    2．4．1 SCLRM的基本方程  36-38
    2．4．2 坐标变换  38-41
    2．4．3 电感参数  41-43
    2．4．4 电磁转矩  43-45
  §2．5 本章小结  45-47
第三章半导体换流低速磁阻电动机的设计特点  47-64
  §3．1 引言  47
  §3．2 SCLRM的设计特点  47-58
    3．2．1 主要尺寸的确定  47-48
    3．2．2 转子外径的最佳值与电磁负荷的关系  48-51
    3．2．3 定、转子齿层结构的设计  51-58
      3．2．3．1 定、转子齿数的选择  51-53
      3．2．3．2 定子凸极形状  53
      3．2．3．3 齿层最佳尺寸的确定  53-58
  §3．3 设计中的几个特殊问题  58-59
    3．3．1 磁路饱和的影响  58
    3．3．2 绕组匝数的确定  58-59
  §3．4 样机的工程计算  59-62
  §3．5 本章小结  62-64
第四章半导体换流低速磁阻电动机的磁场分析  64-80
  §4．1 引言  64
  §4．2 SCLRM的二维矢量位分析模型  64-65
  §4．3 SCLRM的磁场分析  65-72
  §4．4 SCLRM的静态参数计算  72-79
    4．4．1 绕组磁链的计算  72-73
    4．4．2 绕组电感特性的分析  73-78
    4．4．3 绕组磁通—电流特性分析  78-79
  §4．5 本章小结  79-80
第五章半导体换流低速磁阻电动机的调速控制  80-97
  §5．1 引言  80-81
  §5．2 SCLRM开环调速系统的设计  81-86
    5．2．1 功率变换及相应驱动电路  81-82
    5．2．2 控制与环分电路  82-85
    5．2．3 单相/三相复合整流  85-86
  §5．3 样机实验结果  86-92
  §5．4 SCLRM闭环控制方案  92-96
    5．4．1 SCLRM闭环控制思路的提出  92-93
    5．4．2 SCLRM闭环系统的一种方案  93-96
  §5．5 本章小结  96-97
第六章半导体换流低速磁阻电动机的稳态运行特性仿真  97-115
  §6．1 引言  97
  §6．2 SCLRM的仿真建模  97-99
  §6．3 SCLRM自激方式稳态运行特性  99-105
    6．3．1 相电流的仿真  99-101
    6．3．2 电磁转矩的仿真  101-103
    6．3．3 电机参数对稳态特性的影响  103-105
  §6．4 SCLRM逆变器驱动方式稳态运行特性  105-114
    6．4．1 三相六拍导通方式稳态运行特性  105-106
    6．4．2 导通方式对稳态特性的影响  106-114
  §6．5 本章小结  114-115
全文总结  115-118
攻读博士学位期间发表的论文  118-119
致谢  119-120
附录SCLRM系统实物照片  120-121
参考文献  121-128

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