开关磁阻电机转子动力学建模与分析

论文摘要

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SR电机)结构简单坚固、可靠性高、容错能力强、调速性能优异,非常适合于超高速应用领域。随着转速的提高,转子动力学性能已经越来越成为高速SR电机设计必需关注的问题。SR电机为双凸极结构,工作原理不同于传统的交流电机。因此,其转子轴系是一个涉及电磁、机械高度耦合的非线性系统。本文首先对6/2和6/4结构SR电机的磁场进行了有限元分析。在JMAG软件平台下,计算了SR电机偏心转子在各种电流和偏心度下的不平衡磁拉力,得出了SR电机不平衡磁拉力所特有的脉冲性。为了作进一步的定量分析,建立了小偏心情况下线性化磁路模型,对小偏心情况下不平衡电磁力特性进行了系统的分析,得到了切合实际的数值化模型。通过与有限元仿真结果的对比,验证了小偏心情况下线性化磁路模型的正确性。采用有限元法,建立了包含离心力和不平衡磁拉力的转子动力学方程,并做了一系列仿真。分别分析了转子转速、支承结构和转子轴结构对临界转速的影响。通过转子的不平衡响应分析,得到了转子中心的轨迹图,为高速开关磁阻电机的设计提供参考依据。同时,本文对转子振动进行测试,试验验证了仿真结果的正确性。另外,本文提出了高速开关磁阻电机的多参数化设计。对转子应力、定子振动、铁损等其他高速性能进行研究,为开关磁阻电机的系统优化设计提供参考依据。通过定子振动试验,验证了定子固有频率的仿真结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关磁阻电机转子动力学国内外的研究现状
• 1.3 国内外对高速开关磁阻电机的工程实践与应用情况
• 1.4 本文研究的课题背景、主要内容和意义
• 第二章 SR 电机不平衡电磁力分析
• 2.1 场-路耦合电磁场有限元模型
• 2.2 不平衡电磁力数值计算
• 2.2.1 6/2 结构不平衡电磁力数值计算
• 2.2.2 6/4 结构不平衡电磁力数值计算
• 2.3 小偏心情况下的不平衡电磁力的线性解耦
• 2.3.1 简化磁路模型
• 2.3.2 不平衡电磁力计算
• 2.3.3 不平衡电磁力与偏心的关系
• 2.3.4 不平衡电磁力与电流的关系
• 2.3.5 不平衡电磁力与转子角度的关系
• 2.3.6 转子中心在其他象限偏心时受到的不平衡电磁力
• 2.4 不平衡电磁力的动态特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 SR 电机转子动力学模型
• 3.1 单元的划分与节点位移向量
• 3.2 单元的运动方程
• 3.2.1 刚性圆盘
• 3.2.2 圆形截面弹性轴段
• 3.2.3 非圆形截面弹性轴段
• 3.2.4 轴承
• 3.3 系统的运动方程
• 3.4 有限元程序设计
• 3.4.1 前处理模块
• 3.4.2 分析计算模块
• 3.4.3 后处理模块
• 3.5 本章小结
• 第四章 数值计算和分析
• 4.1 临界转速计算
• 4.1.1 转子转速对临界转速的影响
• 4.1.2 支承结构对临界转速的影响
• 4.1.3 转子轴结构对临界转速的影响
• 4.2 不平衡响应分析
• 4.2.1 Newmark 算法
• 4.2.2 不平衡响应数值计算
• 4.3 本章小结
• 第五章 高速开关磁阻电机多参数化设计
• 5.1 定子模态分析和实验
• 5.1.1 SR 电机定子的模态分析
• 5.1.2 定子模态试验
• 5.2 转子应力分析
• 5.3 铁损计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间获得的荣誉及发表的学术论文