非晶电机

工作报告
一、三相异步电机的工作原理：
将定子三相绕组通入三相电流后产生的旋转磁场用一对旋转的磁极来表示，它以同步转速n0顺时针方向旋转。

于是，转子绕组切割磁感线而产生感应电动势。

由于转子绕组是闭合的，在交变的感应电动势作用下，其中就有交变的感应电流流动。

各导体中感应电流的有功分量和感应电动势同向，两者的方向一致。

导体中电流的有功分量和旋转磁场相互作用而产生电磁力F，这些电磁力将对转子产生电磁转矩，推动转子沿着旋转磁场的旋转方向转动。

二、非晶合金材料
矫顽力很小（Hc<102A/m）的铁磁材料叫软磁材料。

因为矫顽力小，所以软磁材料就容易磁化，也容易退磁，磁滞损耗小，适宜用于交变的磁场中。

非晶合金材料就是一种软磁材料。

非晶态合金即金属玻璃，固态时具有短程有序、长程无序的特征，是一种亚稳态结构，其原子在三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围保持这种状态相对稳定。

金属玻璃作为一种新型材料，不仅具有极高的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，而且表现出优良的软磁性和超导性。

铁基非晶合金由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成，它具有高饱和磁感应强度（1.56T）。

与硅钢相比，在磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5）。

铁基非晶在非晶合金中突出优点的应用：
最高的饱和磁感应强度--缩小器件体积
∙低矫顽力--提高器件效率
低铁损--减小器件温升
∙可变的磁导率--通过不同的铁芯热处理工艺来满足不同的应用要求良好的稳定性--可在130 o C 长时间工作
三、非晶电机
近年来，能源危机已迫在眉睫，而世界能源消费每年却以巨速增长。

电机是世界上最主要的能耗设备，而采用传统材料及工艺制作的电机，成本高，能耗大，而且传统硅钢电机在频率高于基频的情况下铁损急剧增加，铁芯温度迅速升高，导致电机不能正常工作，所以迫切需要高效节能新型电机的问世。

鉴于以上非晶材料的优点，用铁基非晶代替硅钢做电机的定子和转子。

将要做的小电机型号为AO2 7124。

四、研究电机电磁场问题的基本方法
离散化—单元分析—整体分析
电机运行时，电机内的整个空间区域里存在着电磁场。

电机电磁场在不同媒质的分布、变化以及与电流的交链情况决定了电机的运行性能及运行状态。

因此，对电机电磁场的精确计算与分析是合理设计电机和进行优化设计的重要依据。

电机电磁场的计算归根结底是某些偏微分方程的求解，求解偏微分方程的各种数学方法都可应用于求解电机电磁场问题，常用的方法有解析法、图解法、模拟法、数值计算法等几种。

这些方法在不同的场合有其自身的特点，在计算电机电磁场的过程中，可以选择最优的方法。

一、解析法
解析法是设法找到一个连续函数，将它和它的各阶偏导数代入求解的偏微分方程后得到恒等式；并且在初始状态以及在区域边界上的边界条件下求解。

解析法的优点是解的公式为显式，各物理量之间的关系比较清楚，适合定性分析，但是只能在一定条件下应用，对于某些实际电机内部复杂的电磁场问题常常无能为力。

（解析法又包括：镜象法、保角变换法、分离变量法等）
二、图解法
电机中的稳定磁场问题可以用图解法近似求解。

图解法是根据稳定磁场的特性画出磁场的等位线和磁力线，从这些曲线分布的密集或稀疏的程度得到磁场的强弱。

图解法比较形象、直观，也便于掌握，但要经过多次修改才能得出较满意的图形，且精度较差。

对于有电流的区域或非线性媒质，图解法非常繁复，因此它适用线性无电流区域的二维稳定磁场或忽略涡流效应的磁场，不适用于求解交流电机的磁场。

三、模拟法
模拟法是根据微分方程的相同及几何尺寸的相似，用某一装置来模拟所求解的实际问题，通过测试这一装置上的量来获得实际问题的解答。

模拟法能解决稳态磁场问题和交变电磁场问题，对于边界条件复杂的电机电磁场，用解析方法求解比较困难或图解法精度不够的时候，模拟法便得到了发展和应用，成为电机电磁场计算方法中一种有效的方法。

（模拟法包括数学模拟和物理模拟两种）
四、数值计算法
数值计算法是将电磁场连续域内的问题变换成离散系统的问题来求解。

目前，在解决电机电磁场问题中最常用数值计算法是有限差分法和有限元法，它们都是将所求的电磁场区域划分成很多的网格，通过数学上的处理，建立网格上各点与直接相邻各点间的场量的代数方程组，通过计算机解出这组庞大的代数方程组，从而得到问题的解。

有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。

有限元分析可分成前处理、处理和后处理三个阶段：前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

应用有限元法求解的过程大致为
1．作一定的假设，简化求解的物理模型；
2．根据基本方程及二类边界条件，求解相应的泛函；
3．对求解区域剖分单元，并确定相应的差值函数，将连续场域进行离散化，形成系数矩阵；
4．对多元函数的泛函求极值，构成线性代数方程组；
5．将一类及周期性边界条件代入，修改系数矩阵及自由项；
6．用追赶法求解线性方程组，得出节点上的函数值；
7．求其它的物理量。

近些年，有限元方法得到了很大的发展和应用，有限元数值计算技术己经比较成熟，目前已有许多现成的应用软件，基于有限元原理的ANSYS、ANSOFT 等商业软件给计算电机电磁场带来了方便，它可以考虑电机结构的几何形状和铁磁材料的饱和特性，可以很好地计算仿真电机内部电磁场的分布情况，准确地计算各个不同转子位置和不同绕组电流时绕组磁链和电感。

ANSOFT Maxwell 软件简介
ANSOFT公司推出的大型电磁场有限元分析软件Maxwell 2D/3D用于电磁
场数值分析和计算机仿真模拟，是ANSOFT 机电系统设计解决方案的重要组成部分，可以为产品的设计和优化提供最可靠的依据，非常适合于电磁装置的有限元分析。

Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分
析软件。

它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。

Maxwell 3D用来进行三维电磁场有限元分析，包括了Maxwell 2D所有的模块并新增了3D应力场分析模块。

五、分析
研究内容：
本课题依照传统电机Y132S-4结构和制造工艺，采用新型非晶合金材料制作该类电机的定子和转子。

通过理论分析、仿真分析，完成非晶合金电机的相关性能分析，主要分为以下几个方面：
（1）铁基非晶合金材料的BH曲线的获得和分析
铁基非晶合金材料的BH曲线是做仿真分析时一个至关重要的指标，所以BH曲线的获取以及分析是一个难题，如果没有准确的BH曲线，就无法保证非晶电机性能分析的准确性。

（2）采用有限元分析软件对非晶合金电机进行有限元分析
利用Ansoft软件对非晶合金电机的空载起动和额定运行时的场量分布（磁力线分布、磁场强度分布、磁通密度分布、转子导条电流分布、定转子铁心损耗分布等）、磁电流、力矩、损耗、效率、电磁转矩、功率因数、高频高速特性、调速特性等电气和机械特性进行分析，与传统硅钢电机对比，理论上研究非晶电机代替硅钢电机的优越性，为非晶电机的研制提供理论依据。

（3）对非晶合金电机的控制策略进行研究
借鉴硅钢电机的传统控制方法，采用MATLAB中的SIMULINK工具箱对非晶电机的控制策略进行仿真，与传统硅钢电机对比。

综合考虑非晶材料磁滞回线窄、矫顽力小等典型特性，研究非晶电机的控制策略，分析非晶合金电机的响
应时间、转矩脉动以及在高频下输出转矩等。

利用Ansoft软件对非晶合金电机进行瞬态场有限元建模与求解，分析电机空载起动和额定运行时的特性，并且分析电机起动时的磁场分布、磁通密度、磁电流、力矩、损耗等。

1、首先用ANSOFT/RMXPRT对电机进行电磁设计。

电磁设计是根据设计技术要求确定电机的电磁负荷，与电磁性能有关的有效部分的尺寸和绕组数据，选定材料，并核算电磁性能和有关参数。

通过这一模块，可以得到三相感应电机的最大转矩点数据、堵转转矩、材料消耗情况、空载运行数据、额定电参数、额定磁参数、额定参数、额定性能等数据，输入电流、效率、输出功率、功率因数、输出转矩和速度的关系曲线。

2、根据有限元原理，利用ANSOFT分别对电机的定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子绕组、气隙等建立几何模型，然后进行瞬态场求解，得到不同运行条件（空载运行和负载运行）下的磁动势、磁通密度、磁场强度等场量的分布。

（1）求解结果数据
包括求解本例的起始与终止时间、自适应求解每步的三角单元数、占用内存，模型各个部件的剖分单元数目，剖分单元最大边长、最小边长、平均边长以及剖分单元最大面积、最小面积、平均面积等信息。

（2）磁力矩与时间的关系，绕组电流与时间的关系。

（3）可以查看某一时刻的场图，包括矢量磁位A、磁场强度H、磁感应强度B、电密J、能量energy和一些其他的场量。

磁力线分布图
红色磁力线为正向极值而蓝色磁力线为负向极值，可以看出负载后电机定子槽内漏磁增加。

磁感应强度B分布图
给出的是0.2s 时的磁感应强度 B 的分布图，不难看出电机在轭部磁密较高，颜色较深。

Mag_B 项的意义是显示模型磁密的模。

从以上两图可以看出电机的磁力线分布均匀，饱和区域非常小，说明新电机的设计是合理的。

（4）还可以查看指定路径上（边界）的场量。

六、非晶电机的特点
非晶合金材料电机与传统材料电机相比具有卓越的性能和优势，非晶电机的使用将比传统电机更为高效。

（1）高效节能。

新型非晶合金电机，效率高，在额定输出功率下比传统电机效率提高10多个百分点
(2)损耗低。

非晶电机的损耗远低于传统电机的损耗，因此它可以在高频情况下正常工作。

(3)重量轻，成本也不高。

与传统电机体积相同的非晶电机重量轻、耗材少，而且成本花费只略高于目前普通电机，但总能耗却降低了。

(4) 安全性能高，由于非晶电机的铁损降低，使得电机发热量大为减小，因而非晶电机适合工作在潮湿且易爆场所而没有爆炸的危险。

改进的直接转矩控制在异步电动机中的应用
中国电机工程学报(2004年7月)
直接转矩控制（DTC）的优点：可获得快速准确的转矩动态响应，不需要坐标系转换器、也不需要脉宽调节器和位置编码器，因而控制方案和内在控制结构都较为简单，其基本结构包含一个直接转矩控制器，一个转矩和磁链的计算器以及一个电压型逆变器。

DTC的缺点：不断变化的开关频率和不精确的定子磁链估计可能降低DTC 的控制性能。

本文的创新点：为了保持恒定的开关频率，设计了一个简单的转矩控制器代替传统的三态磁滞比较器，并给出了相应的转矩控制器设计方案和改进的定子磁链估算方法，一个稳态工作的简单补偿器用于补偿电压模型中定子磁链估计的数值和相位误差。

恒定开关频率控制器的设计：
原理：根据N.R.N.Idris的结论，转矩斜率的计算表达式如下
新的转矩控制器由两个三角波形发生器、两个比较器和一个比例积分控制器组成。

两个三角波载波信号相位上相差180度，在上部和下部的载波信号中，直流补偿的绝对值被调整为三角波峰一峰值的一半。

上部的直流补偿为正，下部为负。

改进的定子磁链估计方法：
在固定的参考坐标系g中，先由被估定子磁链得出实际定子磁链的表达式然后在工作频率点对定子磁链的d、q轴分量进行补偿。

本文提出的改进方案，其核心在于：当系统处于稳态时，仅在工作频率点对被估定子磁链进行数值和相位补偿，因而提高了DTC的稳态特性。

仿真结果和结论：降低了稳态下定子磁链估计的数值误差和相位误差，使得异步电机转矩脉动最小化。

该补偿方案合理有效，在保持直接转矩控制传动结构简单的同时,更提高了传动系统的性能。

（DSP采用32位浮点式TMS320C31）
16位单片机系统在电机控制中的应用
电力系统及其自动化学报（2006年2月）
优点：Intel 87C196MC是专门为电机高速控制所设计的一款16位微控制器，将这款新型微控制器运用到电机控制当中，使系统提高了性能，节约了成本，达到了很好的控制效果。

问题关键：程序设计主要是解决利用87C196MC的片内波形发生器WFG产生符合要求的PWM波的问题。

首先，在电机控制时希望保持每极磁通量φm为额定值保持不变，这样既充分利用了铁心，又不会对电机造成伤害。

而要保持φm不变，采用恒定V/F比值控制是常用方法。

解决方案：先建立一张0—180度的正弦函数表，这张函数表从0°开始，每隔0.12°安排一个数据。

一个数据两个字节，最大值sin90°对应4 096，最小值sin0°对应0。

从0°到179.88°总共1 500项数据，占用了3 000字节。

然后建立一张电压-频率数据表，在程序中称为V AFM表。

这张表从0 ~ 300 Hz每隔0.2 Hz取一个相应的电压值,每个值占2个字节，共1 501个值。

建立起必需的两张数据表后，就能推导出三相PWM波形占空比瞬态值=相中性点占空比±(调制深度系数α×相电压值)/216
相关参数的计算：
（1）载波周期Tc= (4×WG_RELOAD)/f XTAL
（2）SPWM波脉冲宽度计算
占空比= (WG_COMP/WG_RELOAD)×100%
（3）相中性点O值=1/2×WG_RELOAD
结论：87C196MC除了完成产生SPWM进行变频控制外，还完成了状态检测、转速显示和电机正反转控制。

在整个调频范围内，运行稳定可靠，具有良好的性能。

基于全维观测器的无速度传感器异步电机控制
交流技术与电力牵引（2008年5月）
本文创新点：对采用矢量控制的交流调速系统，本文提出了基于模型参考自适应（MRAS）的电机参数辨识方法，将全阶观测器作为可调模型，并通过李雅普诺夫稳定性理论来构建自适应律，将参考模型和可调模型的输出比较后，利用其误差通过自适应律来调节可调模型的参数，最终达到逼近真实参数的目的。

MRAS在观测转子磁链的同时也辨识了转子速度参数
结论：模型参考自适应系统能够很好地完成对电机参数的估算，估算精度基本上能满足矢量控制系统的要求，具有良好的鲁棒性和动静态性能。