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摘 要

本课题的主要内容是介绍设计和分析单相双凸极永磁发电机。本设计以4/6极结构双凸极永磁电机为研究对象，分析其结构特点、工作原理和理论电磁特性，在此理论基础上建立电机的等效磁路模型，推导出该电机的感应电动势方程。通过等效磁路法并且利用有限元仿真软件对所设计的电机进行了二维建模，通过对电机模型的仿真可以得到仿真结果，包括磁场分布情况与各电气参量的曲线图。最后分析了空载情况下的磁场分布、气隙磁通走向、感应电动势、绕组电感、电磁转矩等电机特性。经过分析，所得仿真结果与设计目标吻合，符合理论分析，证明了本设计的可行性。

关键词：双凸极 永磁电机 有限元仿真

The Design of Single - phase Doubly Salient Permanent Magnet Generator

Abstract

The main content of this task is to introduce, design and analysis a single-phase doubly salient permanent magnet generator. This paper is aim to analyze its structural characteristics, operating principle and theoretical electromagnetic characteristics, based on the 4/6 pole salient pole permanent magnet generator, and establish equivalent magnetic circuit of the motor model, deduce the induced electromotive force equation of the generator. Based on the equivalent magnetic circuit method, the two dimension model of the motor model can be obtained by the finite element simulation software, and the simulation results include the magnetic field distribution and the curves of the electrical parameters. Finally, the characteristics of magnetic field distribution, air gap flux, induced electromotive force, winding inductance and electromagnetic torque are analyzed, and the results are consistent with the design objectives, which is in line with the theoretical analysis and prove the feasibility of the design.

Key words: Doubly salient; Permanent magnet generator; Finite element emulation analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究背景 1

1.2 双凸极电机的应用 1

1.3 双凸极永磁电机的国内外研究现状 2

1.4 课题主要工作内容 4

第二章 单相双凸极永磁发电机的结构与原理 5

2.1 双凸极永磁电机的基本分类 5

2.1.1 径向磁通双凸极永磁电机的结构与原理 5

2.1.2 轴向磁通双凸极永磁电机的结构与原理 6

2.2 单相双凸极永磁发电机的结构与原理 8

2.2.1 单相双凸极永磁发电机的结构 8

2.2.2 单相双凸极永磁发电机的数学模型 9

2.2.3 单相双凸极永磁发电机的工作原理 11

2.3 单相双凸极永磁发电机的分析方法 12

第三章 单相双凸极永磁发电机参数设计 15

3.1 等效磁路的建立 15

3.1.1 永磁体的等效磁路 15

3.1.2 永磁电机的内部磁路 16

3.1.3 单相双凸极永磁发电机的等效磁路图 17

3.2 参数设计 17

3.3 永磁体选择 19

第四章 单相双凸极永磁发电机的仿真与验证 22

4.1 有限元法基本原理 22

4.2 Ansoft Maxwell 软件的使用与电机建模 25

4.3 电机有限元分析 26

4.3.1 电机模型的网格剖分 26

4.3.2 电机模型的磁场分布情况 27

4.3.3 仿真结果分析 30

第五章 总结 33

参考文献 34

致谢 36

1. 引言
   1. 研究背景

双凸极电机（Doubly salient permanent magnet motor简称DSPM）的概念出现在20世纪50年代，在当时看来是一种新型结构的电机。90年代后，研究人员将注意力放到这种电机结构上，进行了深入研究。

转子采用双凸极，这种构造简单又适合用于高转速环境。并且作为发电的情况下，其输出的电压通常情况下不是正弦波，所以可以用来充当转速可调的高速电机。或者搭配二极管电路将波形整为直流作为无刷电机使用，也可以作为频率可变的交流电机使用。因为转子上没有永磁体和复杂结构，所以没有永磁电机和鼠笼式电机的缺陷，也可以应用在飞机上。电机工作状态下输出电压不需要经过繁琐的变换步骤，因此性能优于开关磁阻电机。

双凸极永磁电机也因为齿槽转矩较小的特点，常被用做发电机使用，因此大量学者从电机本体结构设计、非线性建模、变网格等效磁路分析、有限元仿真分析和不同结构参数对转矩脉动的影响等不同方向对永磁双凸极电机在小型发电、航空发电中的应用做了进一步的理论研究。

• 1. 双凸极电机的应用

双凸极电机属于磁阻可变电机，凸极分为单面和双面。双面凸极结构的能量变换性能更好，磁阻最大值与最小值之比更大，所以该类电机受到了研究人员更广泛的关注。典型的变磁阻电机根据磁阻最小原理来工作。磁场的路径倾向于沿阻力最小的封闭，于是磁场拉动转子旋转，也就是转矩的来由。将电动机的电枢绕组通入电后，产生的拉力的沿圆周向分量拉动转子，即产生转矩。工作前用传感器来检查转子的具体位置可以反推出给绕组通电的顺序，给对应的最有利于拉动转子的那一相定子绕组通电。然后，往接下来最方便转子继续工作的绕组通电。利用控制电路来有规律地控制电枢绕组的通电相序，使转子持续向一个方向转动，从而使电机工作起来。

开关磁阻电机（SRM）异于步进电机，其为有位置信号回馈的电机。步进电机运行状态非闭环，转速视驱动电路的脉动次数而定。前者运动部件构造简易，能够承受高温高速的工作环境，成为航空领域的深入研究对象。但开关磁阻电机的工作始终需要与功率变换器相配合，如此一来它的发电工作变得复杂并且不够可靠。

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