永磁电机课程报告

研究生课程考试成绩单

（试卷封面）院系电气工程学院专业电气工程学生姓名王东学号139470课程名称现代永磁电机基本理论与关键技术授课时间2013年9月至2014年1月周学时2学分2.0简要评语考核论题永磁电机课程总结报告总评成绩（含平时成绩）备注任课教师签名:日期：注：1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。学位课总评成绩以百分制计分。一、永磁材料性能总结报告永磁电机的性能、设计设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能有着密切联系，永磁材料种类繁多，但性能差别很大。、马氏永磁体马氏永磁体是通过热处理将已经加工好的零件加热到高温，通过淬火使奥氏体转化为马氏体而得到的永磁材料。这是早期的永磁体，其中常见的为铭钢、钨钢和钻钢。它具有塑性好、可进行冷加工和切削加工、原材料丰富等优点，但矫顽力和磁能积较低、组织不稳定，目前很少使用。、铝镍钻永磁材料铝镣钻(AlNiCo)永磁是20世纪30年代研制成功的，按加工工艺的不同，铝镣钻永磁分铸造型和粉末烧结型两种。粉末烧结型的工艺简单，可直接压制制成所需形状，在永磁电机中常用铸造型。铝镣钻永磁的显著特点是温度系数小，a疽又为-0.02%K-1左右，因此，随着温度的改变磁性能变化很小。这种材料的剩余磁感应强度较高，最高可达1.35T，但是矫顽力很低，它的退磁曲线呈非线性变化。铝镣钻永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁稳磁处理，否则永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。为此，铝镣钻永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。根据铝镣钻永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。铝镣钻永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此，加工成特殊形状比较困难。、铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种，钡铁氧体(BaO・Fe2O3)和锶铁氧体(SrO•Fe2O3)。它们的性能相差不多，而锶铁氧体的矫顽力Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钻、镣等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，抗去磁能力较强；密度小，质量较轻；退磁曲线接很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镣钻永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体主要缺点：剩磁密度不高，Br仅为0.2〜0.44T，最大磁能积(BH)max仅为6.1〜40kJ/m3。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大；环境温度对磁性能的影响大。铁氧体永磁的a沥为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其他永磁材料不同：另外，铁氧体永磁材料脆而硬，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工。、稀土永磁材料稀土钻永磁和钕铁硼永磁都是搞剩磁、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料，但在某些性能上有较大差别。1、稀土钻永磁材料稀土钻永磁材料是60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料，其特点是剩余磁感应强度代、磁感应矫顽力Hc及最大磁能积(BH)max都很高。稀土钻永磁的退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强。另外，稀土钻永磁材料B,的温度系数比铁氧体永磁材料低，通常为-0.03%K-1左右，并且居里温度很高，一般为710〜880，因此这种永磁材料的磁稳定最好，很适合用来制造各种高性能永磁电机。缺点是目前的价格比较昂贵，电机的造价成本较高。由于稀土钻永磁材料脆而硬，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或切割加工，所以在永磁体尺寸设计上要避免过多的加工余量以避免造成浪费。其次，由于这种永磁材料磁性很强，磁极相互间的吸引力和排斥力均很大，因此磁极在充磁后运输和装配时都要采取措施，以免造成安全事故。2、钕铁硼永磁材料钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料，它的磁性能高于稀土钻永磁。室温下剩余磁感应强度Br现可高达1.47T，磁感应矫顽力Hc可达992kA/m(12.4kOe)，是目前磁性能最高的永磁材料。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度偏低，一般为310〜410C左右；温度系数较高，的温度系数可达-0.13%K-1，因而在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是它的缺点。另外，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要发生弯曲，为此使用钕铁硼永磁材料时，一定要校核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。、粘接永磁材料粘接永磁材料是用树脂、塑料或者低熔点合金等材料为粘接剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成型等方法制成的一种复合型永磁材料。按所用永磁材料种类的不同，分为粘接铁氧体永磁、粘接铝镍钻永磁、粘接稀土钻永磁和粘接钕铁硼永磁。同通常铸造或烧结的永磁体相比，粘接磁体因含有粘接剂而使磁性能稍差，但具有多个显著优点，如永磁体形状自由度达，尺寸精度高，不变形，机械强度高，原材料利用率高等优点。因此，使用粘接永磁体，可以简化电机制造流程，并且能获得良好的电机性能。1、粘接铁氧体永磁粘接铁氧体永磁主要是粘接锶和钡铁氧体，各向同性产品可做到4.0〜5.5kJ/m3,Br为0.15〜0.17T，Hc为110〜135kA/m，而各向异性粘接铁氧体可做到15.0〜16.5kJ/m3,Br为0.28〜0.30T，Hc可达180〜210kA/m，主要用于微电机中。2、粘接稀土钻永磁'粘接稀土钻永磁的制备工艺笔粘接铁氧体永磁复杂，制备磁粉的热处理必须在真空中或氩气保护下进行。这样处理以后，可使得Hc明显提高。粘接稀土钻永磁主要用于家用电器、石英钟表、计算器、微特电机中。3、粘接钕铁硼永磁粘接钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的新产品，目前生产这种永磁材料的磁粉主要有两种工艺，一是快淬工艺，二是氢化-歧化-脱氧-再组合法，简称HDDR法，应用这两种方法制备的钕铁硼磁粉采用专门设备及工艺再制成粘接钕铁硼磁体。按照制造工艺和性能的不同，习惯上将粘接钕铁硼永磁分为三型。I型为模压成型的环氧树脂粘接各向同性永磁体；II型为热压的各项同性永磁体；III型为热变形的各向异性磁体，最大磁能积已接近320kJ/m3。上述永磁材料中，在电机中常用的是铝镍钻、铁氧体、钐钻和钕铁硼永磁材料。现将这四种典型永磁材料做综合对比，具体如表1-1所示。表1-1典型永磁材料的综合对比永磁体性能铝镣钻铁氧体钐钻钕铁硼剩磁/T1.30.421.051.16矫顽力/（kA/m）60200780850退磁曲线形状弯曲上部直线，下部弯曲直线直线（高温下弯曲）剩磁温度系数/（%/K）-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蚀性能强强强易氧化充磁安装后充磁充磁后安装（也有安装后充磁）充磁后安装充磁后安装最高工作温度/c550200300150O加工性能少量磨削、电火花加工特殊刀具切片和少量磨加工少量电火花加工加工性能好价格中等低很高高应用场合仪器仪表类要求温度稳定性高的场合性能和体积要求不高，价格要求低的场合高性能、高温、高温度稳定性，价格不是主要考虑因素的场合高性能、体积要求高、温度不高的场合:、有限元商业软件的介绍有限元分析（FEA）是近年来迅速发展起来的一种现代计算方法，它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题，有限元方法已经应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、飞机、导弹、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、力学、物理学等，几乎所有的科学研究和工程技术领域。基于有限元分析（FEA）算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件。通常，根据软件的适用范围，可以将之区分为专业有限元软件和大型通用有限元软件。实际上，经过了几十年的发展和完善，各种专用的和通用的有限元软件已经使有限元方法转化为社会生产力。常见通用有限元软件包括LUSAS、MSC、Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics、FEPG等等。（一）、概述1、COMSOLMultiphysicsCOMSOLMultiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“最专业的多物理场全耦合分析软件”。模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOLMultiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。2、FEPG中国科学院数学与系统科学研究所梁国平研究员团队历经八年的潜心研究，独创了具有国际领先水平的有限元程序自动生成系统（FEPG）。FEPG采用元件化思想和有限元语言这一先进的软件设计，为各种领域、各方面问题的有限元求解提供了一个极其有力的工具，采用FEPG可以在数天甚至数小时内完成通常需要数月甚至数年才能完成的编程劳动。FEPG是目前“幸存”下来的为数不多的CAE技术中发展最好的有限元软件，目前有三百多家科研院、企业应用，也已成为国内做的最大的有限元软件平台。FEPG作为通用型的有限元软件，能够解决固体力学、结构力学、流体力学、热传导、电磁场以及数学方面的有限元计算，在耦合具有特有的优势，能够实现多物理场任意耦合；在有限元并行计算方面处于领先地位。3、SciFEASciFEA软件开发的计算功能包括梁、板、壳结构计算；弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、非线性弹性计算；热分析、流体分析、流固耦合、热固耦合、热流固耦合计算等功能。计算的类型包括静力、动力、模态分析等，SciFEA软件已形成了单机版、网络版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架构的并行有限元计算系统。SciFEA可用于机械、土木、电气、电子、热能、航空航天、地质、能源等专业的有限元计算分析，也可用于高校研究所等单位的有限元教学与科研。SciFEA抛弃了传统CAE软件复杂结构体系设计模式，采用直接面向用户需求的独立模块开发方式。SciFEA软件中的功能模块保持了计算的独立性，对CAE软件功能扩展的复杂度降低，同时，进一步和行业需求集成的灵活度增加。SciFEA软件包括软件操作界面、前后处理和计算功能模块三大部分。前后处理采用欧洲工程数值模拟中心开发的GiD软件包，SciFEA3.0版提供计算功能模块包括：弹性计算、塑性计算、流体计算、粘弹性计算、材料计算、结构计算、损伤破裂计算、水热力耦合计算、传热计算、渗流计算、电磁计算、电热力耦合计算、岩土计算、热固耦合计算、化学反应计算等；计算类型包括稳态、瞬态、动力、非线性等。SciFEA发布的计算功能模块均提供算例，用户可以结合算例学习SciFEA，SciFEA的用户模块挂载功能实现了计算模块的快速整合以及耦合问题的快速求解。SciFEA的前后处理器采用欧洲工程数值模拟国际中心开发的GiD软件。GiD软件具有几何建模、网格划分、CAD数据导入、后处理结果显示等功能。GiD采用类似于CAD的操作模式。4、ANSYSANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中高级CAE工具之一。（二）、电磁场有限元分析软件介绍1、ANSYS（1）技术种类ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。（2）分析类型结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。实体建模ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。网格划分ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。同级别的软件还有ADINA、ABAQUS、MSC等，ADINA和ABAQUS在非线性计算功能方面比ANSYS强，ABAQUS没有流体计算模块，ADINA不能做电磁分析但是ADINA是做流固耦合最好的软件。施加载荷在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作应力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。后处理ANSYS程序提供两种后处理器：通用后处理器和时间历程后处理器。后处理器处理可以处理的数据类型有两种：一是基本数据，是指每个节点求解所得自由度解，对于结构求解为位移张量，其他类型求解还有热求解的温度、磁场求解的磁势等，这些结果项称为节点解；二是派生数据，是指根据基本数据导出的结果数据，通常是计算每个单元的所有节点、所有积分点或质心上的派生数据，所以也称为单元解。不同分析类型有不同的单元解，对于结构求解有应力和应变等，其他如热求解的热梯度和热流量、磁场求解的磁通量等。2、Ansoft建立在电磁计算基础上的Ansoft软件，提供精确、快速、高效的设计平台。在现代通讯系统、雷达、计算机、天线、高速PCB、集成电路、封装、连接器、光电网络、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系统设计和复杂EMI/EMC仿真中，Ansoft领先的基于物理原型的解决方案能够快速精确地仿真和验证设计方案，电磁场、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时精确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势。第一部分：介绍了RMxprt使用的一般方法，详细的介绍了如何使用RMxprt去建立一个需要的模型。并对它进行简要分析，并将该模型转移到Maxwell项目中去。第二部分：材料库管理Materialslibrarymanager。对电机及电器中的常用的电磁材料及电磁线建立数据库，并进行管理。第三部分：绕组，包括电机中的导体，线圈，线圈节距，每槽导体数，并绕线数，线圈组，绕组类型，每极每相槽数等等项目进行设定。第四部分：优化设计，有参数分析和目标优化两部分组成。两部分可单独使用，也可以分别使用，以达到最好的使用目的。第五到十部分：各种电机的实际的设计实例，包括三相感应电机，同步电机，永磁同步电机，可变速永磁同步电机，直流电机，开关磁阻电机等等各种常见电机，从RMxprt建立模型到Maxwell分析结果，每一处参数设置都清楚详细，对电机运行参数分析全面情晰。MAXWELL2D：工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长。在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Maxwell的产品遥遥领先其他的一流公司。Maxwell2D包括交流/直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极；以及优化功能。此外，Maxwell2D还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。MAXWELL3D：向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗（R和L）、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。3、INFOLYTICAINFOLYTICA公司于1978年由PeterSilvester博士，ErnestM.Freeman博士，DavidA.Lowther博士（现任总裁）创立，是世界上第一个商业电磁场分析软件公司，总部设在加拿大的蒙特利尔市。INFOLYTICA公司作为众多电磁软件新技术的创始人和领导者，一直致力于电磁场有限元分析领域的技术研究和开发，致力于为电磁设计工程师提供完整解决方案。INFOLYTICA软件成为全世界设计者进行低频电磁分析的首选软件，不断为航空、航天、汽车、耐用电器、电力、医疗设备、电子产品等行业以及科研教育等领域提供复杂的磁场、电场、热场问题解决方案。INFOLYTICA产品系列主要包含MagNet，ElecNet，ThermNet，OptiNet，MotorSolve等软件，使得二维和三维的电场、磁场以及热场的独立及耦合分析在同一界面下轻松进行。INFOLYTICA软件的强大功能INFOLYTICA软件的强大功能包括：1）INFOLYTICA的2D/3D多运动部件多自由度瞬态运动求解器是市场上唯一支持六自由度的电磁求解器，可以求解磁悬浮电机、球形电机、多转子电机等问题；2）INFOLYTICA的2D/3D瞬态电场求解器也是市场上唯一的瞬态电场求解器，可以求解HVDC极性反转、交直流混合电压等瞬态电场问题。3）INFOLYTICA的电磁和热耦合仿真、混合维数电磁和热耦合能力、全自动优化设计、基于ActiveX的脚本编程、局部单元细化技术和求解过程中的单元自适应剖分技术等数十项独特功能，给用户的复杂电磁场分析带来极大便利。INFOLYTICA的主要客户包含GE（USA），NTT，HP，ABB，Weidmann，Toshiba，Sony，Panasonic，Inductotherm，NorthropGrumman，GM，Samsung，HarmanMotive，SeagateTechnology，TECO-Westinghouse（USA），NASA，MIT，MCGILL，通用电气中国研发中心，东元西屋电机全球研发中心无锡分处，杭州电子科技大学，沈阳工业大学，香港理工大学，香港ASM公司等一千多家国际知名的公司、大学以及研究机构。4、CEDRAT是一款针对于电机、传感器、变压器等电磁设备的专业二维及三维仿真软件。它基于有限元算法，主要用于电磁设备、热装置、热处理的分析与设计。主要应用领域有：电磁、电热、电子机械和驱动设备等。基本模块包括前处理（建模、物理属性设置、网格剖分）、求解以及后处理（结果显示、数据输出），共有16大应用功能模块供用户选择。允许用户使用Python命令流编写特殊的材料属性、定义驱动电源属性和定义边界条件，用以控制开发和执行特定的后处理任务。用户可以通过Simulink接口将FLUX模型作为独立模块应用到其他专业仿真软件中进行更高级的分析，如：优化设计、电机起动的瞬时控制等。5、JMAGJMAG是由株式会社日本总研（JRI）开发的功能齐全，应用广泛的电磁场分析软件。软件可以对各种电机及电磁设备进行精确的电磁场分析，为用户提供设计上的帮助，降低用户产品的开发周期，取得竞争优势。JMAG自从1983年商业化以来，在日本的市场占有率始终保持第一的位置。在日本电机领域分析了大量各种类型的电机，经历了时间和实践的检验。同时在每年至少一次的软件升级中不断吸收日本电机厂家的先进经验。平时加强与众多客户的紧密联系，通过定期的技术交流共同进步。目前JMAG的国内用户不断增加，在业界取得了较高的知名度。统一清晰的操作界面JMAG的操作界面充分体现人性化，把前后处理与运算界面结合在一起，使得用户操作相当简单，极易上手。经过短时间的培训，用户可以迅速地进行电机基本性能的模拟，节约大量的人力和时间，特别适合工厂的实际情况。简单高效的网格剖分网格质量的好坏直接影响到最后结果的准确性，JMAG根据不同用户的实际需要，提供不同的网格剖分功能，均能达到足够的精度。灵活多样的材料数据库JMAG提供日本各大厂商的几乎全部材料数据库，包括各型号电工钢磁化曲线与损耗曲线，各型号永磁体的退磁曲线。对于特殊材料，如铁粉材料，磁滞材料以及非常规型号等，用户可自行输入曲线数据，JMAG均能据此进行仿真。强大的耦合计算功能电机是一个包含电磁、机械、热、噪音等的多物理场，最大限度模拟电机实际物理变化过程是现代电机分析的发展趋势。JMAG提供强大的耦合计算功能例如磁场分析/热分析，磁场分析/结构分析，为电机仿真构建了一个最为完善的物理模型。三、永磁电机齿槽转矩及抑制策略总结报告在永磁电机中，定转子中装永磁体的一边与定子槽那边之间，存在相互作用的切向力，这种作用力产生的转矩，具有使齿槽和永磁体磁极保持对齐的趋势，这种转矩称为齿槽转矩。当电机定子与转子之间有相对运动时，位于永磁体极弧部分的定子齿和永磁体之间的磁导是基本不变的，且这些齿周围的磁场也基本保持不变，但和永磁体两侧面对应的、由一个或者两个定子齿所构成的一小块区域内，磁导的变化大，引起电机磁场储能的改变，进而产生齿槽转矩，因此，齿槽转矩可以表示为：(3-1)Tawdacog

(一)、齿槽转矩的解析分析假设不考虑饱和，电枢铁心的磁导率为无穷大，电机储存磁场的能量近似是气隙和永磁体中的磁场能量的总和，所以，永磁电机内储存的磁场能量能表示为1-„W=——jB2((3-1)da1-„W=——jB2(6)2日V「0[h(6)

m—U(6)+5(6,a)/m¥dV(3-2)式中W为磁共能；a是某齿的中心线与永磁体中心线间的夹角。6=0位置设在该磁极中心线上，B(6)和5(6,a)分别是永磁体的剩磁、有效气隙长度沿圆周方向分布，h(6)rm是永磁体的充磁方向长度。对「h(6)/(h(6)+5(6,a))12和B(6)进行傅立叶分解展开，能够获得电机内部磁场能Lmm」r量表达式，进而可得到永磁电机齿槽转矩表达式(3-3)(3-4)(3-5)T(a)=(R2-R;)*nGBsin(nza)(3-3)(3-4)(3-5)0n=1r2p4pnz八、B=B2sin(——a兀)r2pp!_(12nn[h+5}m」_nz61sinn兀一泠!_(12nn[h+5}m2>一—」h12可以看出，B2(6)和Ih+g®a)I均对水磁电机齿槽转矩有影响，然而并不是所有傅m立叶系数均对永磁电机齿槽转矩有影响。如对B2(6)来说，只有nz/2p次傅立叶分解系r/h¥数才对永磁电机的齿槽转矩产生作用；对一土—来说，只有n次傅立叶分解系Ih+g(6,a)|数对永磁电机齿槽转矩产生作用。因此，如果可以减小B,^p)r和Gn就能有效地使永磁电机的齿槽转矩得到降低。对一个永磁体形状、大小相同、均匀排布的永磁同步电机，在一个定子齿距内齿槽转矩的周期数Np表达式为(3-6)N=pHCF(z,2p)式中HCF(z,2p)表示为槽数z与极对数2p的最大公约数，每个周期机械角度为a=2兀/(nz)；L是电枢铁心轴向长度，R是转子的外径，R是定子轭内径，z是电(3-6)Tepa12机电枢槽数，p表示极对数；n为使nz/2p为整数的整数；B是永磁体剩磁；p是永磁体极孤系数；6是用弓瓜度表示的电枢槽口宽。S0（二）、永磁电机的齿槽转矩削弱方法由式（3-3）分析得出，削弱齿槽转矩的方法能归纳成三大类，即改变永磁磁极参数的方法，改变定子参数的方法及定子槽数与极数合理组合。其一、改变磁极参数的方法。它是通过改变对齿槽起主要作用的B磁密幅值，达到削rn弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括改变磁极极孤系数，斜槽，磁极偏移等。其二、改变定子参数的方法。它是通过改变对齿槽转矩起主要作用的G的幅值进而削n弱齿槽转矩。这种方法包括改变定子槽口宽度，斜槽，不等槽口宽，开辅助槽等。其三、合理选择定子槽数与极数。它是通过改变G与B的次数及大小，从而削弱齿槽转矩。nrn1极弧系数从式（3-4）可知，影响齿槽转矩的傅立叶分解系数Bf与极弧系数a有关，若电机的极对数和槽数确定，通过合理选择极弧系数，ap若能使B’mm值接近于零，即sin（竺以兀）=0（3-7）2pp求解可得a丁mn_2p（皿为大于0小于nz/2p的整数），则可使影响齿槽转矩大小的次数为nz/2p的傅里叶系数B，以及次数为nz/2p倍数的其它傅里叶系数为0，r（nz/2p）从而大幅度地削弱齿槽转矩。2定子槽口宽度TOC\o"1-5"\h\z从式（3-5）可知，影响齿槽转矩的傅立叶分解系数G与槽口。的大小有关，通过选ns0择合理的定子槽口宽度，能够使得气值接近于零，即6n?Q\\o"CurrentDocument"sinn冗s0I=0（3-8）"2）求解可得：6=蜒（3-9）s0nz式中m为大于等于0小于等于n的整数将p记为槽口宽对应弧度与一个齿槽对应弧度的比值，则Vp=C10（3-10）2兀/z通过选择合理的定子槽口宽度能有效的减小齿槽转矩的幅值，在设计时也需综合考虑其他方面的因素。若槽口宽度取得过小，可能会对嵌线带来困难；若槽口宽度过大，会影响电机气隙有效长度等。总之，设计应综合考虑各方面因素，选取一个合理的槽口宽度值。3极槽数配合

依据齿槽转矩的表达式(3-3),可知，在一个齿距内齿槽转矩的周期数N为N=N(3-11)一般说来，最大公约数N越小，即周期数N越大时，齿槽转矩的幅值将越小。这是由于一般n越大，对应的海里叶系数Bf2和］G则越小。根据式(3-3)，可知，所以若能减小B*)和G就能有效的减小齿寤转矩。"当电机z/2；等于整数时，每个齿距对应一个齿槽转矩周期，而像本文的永磁电机，当z/2p等于分数时，每个齿距对应两个或两个以上的齿槽转矩周期。因此设计电机时，合理选择极数与槽数间的组合，尽量使z/2p是分数，使一个齿距内齿槽转矩的周期数较多，能有效的削弱齿槽转矩。本文分数槽绕组能减少齿槽转矩，从而减少齿槽转矩所造成的振动、噪声及控制困难等影响。尽管经过调制可以逼近正弦波，但其中还首先应使永磁体产生的励磁磁场尽量接近这些可以通过改变永磁体的形状和极孤宽由于实际中，永磁励磁磁场在空间的分布不可能完全是正弦的，感应电动势的波形一定会发生畸变，由逆变器提供的定子电流含有许多谐波。为消除永磁电机中的谐波正弦分布，以降低磁场中各次谐波的幅值尽管经过调制可以逼近正弦波，但其中还首先应使永磁体产生的励磁磁场尽量接近这些可以通过改变永磁体的形状和极孤宽4定子斜槽电枢斜槽时，电机气隙和永磁体中的磁场能量为W=—jB2(0,a,L)dV(3-12)2pv0=快-RjLaj2兀b2(0,a,L)d0dL000则齿槽转矩为sinnz(a+—)k2)(3-13)若K为电枢所斜的槽数，a1为孤度表示的电枢齿距，T(a)=兀Lq(R2-R2XGBsin竺巴c°g2日Ka21n严2从式(3-13)可以看出：要消除齿槽转矩中的第n次谐波，sln普必须为为1/n的整数倍。若K=1，则所有次数的谐波都可被消除，即不存在齿槽转矩。(3-12)则齿槽转矩为sinnz(a+—)k2)(3-13)虽然斜槽对齿槽转矩的削弱有很显著的效果，但斜槽将给电机制造带来许多不便，如定子斜槽便不能自动嵌线，因而不能大批量生产。转子倾斜则对永磁体的形状有具体要求，制造将非常昂贵并且不易磁化。在工程实际应用中，即使精确斜槽一个齿距，也不能完全消除齿槽转矩，其原因在于。(1)在实际生产中，同一台电机中的永磁体材料存在分散性，永磁电机的制造工艺可能会造成转子的偏心；(2)斜槽及斜极并不能减小永磁体端部和电机铁心端部间的磁场产生的齿槽转矩。此外，当电机的铁心较短或槽数较少时，斜槽及斜极实现起来都较为困难，往往需要采取其它措施削弱齿槽转矩。在通过改善电机结构后，永磁同步电机的齿槽转矩有明显的改善，其中数极槽配合措施的效果最好，改变极弧系数的效果不是很好，一般不建议使用斜槽，这种方法会带来很多其他方面的问题，总之，最终齿槽转矩只能得到削弱，一般不能完全消除。在实际工程中，可根据实际情况采用合适的削弱方法，既可采用其中一种方法，也可采用几种的组合方法。本文讨论了斜槽、极槽配合，改变极弧系数，改变槽口宽等方法来削弱齿槽转矩，在永磁同步电机的设计中，注意优化选取电机设计参数，可有效的减小永磁同步电机起动阻力矩。四、新旧永磁电机及磁齿轮的应用总结报告、转子永磁型电机在转子永磁型电机中，利用永磁材料代替励磁绕组，减小了铜耗，电动机体积和重量大为减小，结构简单，维护方便，运行可靠，在功率密度、转矩惯性和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机，是高效节能电机的一个重要发展方向，近几十年来受到广泛重视。但这种电机由于将永磁体放置在转子上，为克服高速运转时的离心力，需要对转子采取特别的辅助措施，如安装由不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置等，导致其结构较复杂，制造成本提高。同时永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终导致永磁铁发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度等，制约了电机性能的进一步提高。图4-1为表面式转子结构，永磁体通常为瓦片形，位于转子铁心的外表面上，具体细分为表面凸出式和表面插入式两种。图4-2为内置式转子结构，具体可以分为径向式、切向式和混合式。随着工业技术发展和交流调速技术的日新月异，表贴式永磁电机多用于发电机场合较多，内置式多用作电动机场合。(a)凸出式(b)插入式图4-1表面式转子结构(a)径向式(b)切向式(c)U型混合式(d)W型混合式图4-2内置式转子结构、定子永磁型电机针对前面提到的转子永磁型电机的缺点，很自然地就会联想到定子永磁型的结构。图4-3为最早出现的定子永磁型电机结构示意图，其提出时是作为永磁式发电机运行的。(a)4/2极结构(b)4/6极结构图4-3单相DSPM发电机截面图新型的三相双凸极永磁电机，此结构的电机将永磁体嵌入定子轭部，如图4-4所示，具有低惯量、反应快、转矩脉动小、噪音低等优点，该种双凸极电机多用于发电机场合，也可用于电动机场合。(a)6/4极结构(b)12/8极结构图4-4新型三相DSPM电机截面图磁链反转电机(FluxReversalMachine，简称FRM)，磁链反转电机则将永磁体放置于定子顶部，如图4-5所示。与PMSM、BLDCM电机类似，FRNI电机的磁链也是双极性的。FRM与PMSM、BLDCM的区别在于，尽管三者都是永磁体提供励磁，然而FRM电机中，由于转子旋转时磁路磁阻变化引起绕组匝链的磁链方向的变化，因此即使永磁体保持不动，电机通过转子旋转也能产生双极性的反电势波形。磁链反转电机的磁路中总是存在永磁体，造成磁路的磁阻较大，因此此类电机的绕组电感较小，由此减少了电机的电气时间常数，增加了反应速度，并且具有较高的容错能力。同时，此类结构的电机永磁体内部能量波动，将产生较大的齿槽矩，恶化电机运行性能。因此，如果电机应用于实际驱动时，必须削减齿槽转矩，通常采用斜槽或者斜极的方法可以大幅度减少齿槽转矩峰值。(a)2/3极结构单相电机(b)6/8极结构三相电机图4-5新型FRM电机截面图永磁开关磁链电机(PermanentMagnetFluxSwitchingMotor，简称PMFS)，PMFS电机与DSPM电机类似，永磁体均位于电机的定子内部，但是PMFS电机的磁链是双极性的。PMFS电机与FRM电机的区别在于永磁体放置位置不同，后者的永磁体通常位于定子齿表面或者定子齿顶端。在机械结构上，PMFS电机采用双凸极结构，定、转子均仅由硅钢片叠压而成，且转子上没有任何形式的绕组、端环和永磁体。此外，永磁体内嵌于定子齿中央，整个定子齿缠绕着端部较短的集中绕组，因此PMFS电机具有结构简单、节约用铜量、端部效应小等特点，以及永磁体散热冷却方便等优势。图4-6新型PMFS电机截面图混合励磁永磁开关磁链电机(HybridExcitationFluxSwitching，简称HEFS)，如图4-7所示，此结构的电机永磁体励磁保持不变，通过改变定子上的辅助励磁绕组中的电流方向可以实现对原有的永磁励磁磁场增磁或者弱磁，其混合励磁原理如图4-8所示。此结构电机不但保持了永磁开关磁链电机的所有优点，而且加入辅助励磁绕组后，电机磁场变得可调。当电机运行于低速时，通过增磁来增大输出转矩，使电机快速进入稳态运行；当电机运行于高速时，通过弱磁来实现弱磁扩速。此结构的缺点在于，电励磁必须始终存在，以抵消永磁体的严重漏磁。图4-7新型12210极HEFS电机截面图图4-8新型-12/10极HEFS电机截面图改进型的HEFS电机，仅仅需要减小永磁体用量，腾出少量空间安置励磁线圈就可以，且定转子结构均不需要调整。需要强调的是，电机磁链的调整能力可以简单的通过改变永磁体径向长度来实现。随着永磁开关磁链电机的研究逐步深入，新型拓扑结构，包括多齿PMFS电机，多相PMFS电机，外转子PMFS电机等方面，如图4-9所示。图4-9新型多齿PMFS电机截面图隔齿绕线永磁开关磁链电机(AlternatePolesWoundFluxSwitchingPermanentMagnetMotor，简称APW-PMFS)，如图4-10所示原型PMFS电机每个定子齿均绕有集中绕组，且每四个线圈组成电机某一相，每个定子槽均包含电机某两相的线圈；而图4-10(a)中电机的每个定子槽仅含电机某一相的线圈，即为隔齿绕线。图4-10(a)中的电机每相由两个线圈组成，为保持相匝数不变，此时每个线圈的匝数改为原先的两倍。图4-10(b)与图4-10(a)区别在于，去除未绕线的定子齿上的永磁体，以此分析未绕线定子齿上永磁体对电机性能的影响。研究表明，隔齿绕线可以减少电机相与相之间的电磁祸合，同时电机的性能下降很少。由于PMFS的特殊结构，隔齿绕线会引起相磁链不对称，导致相反电势波形亦不对称，因此需要通过转子斜极削减转矩波动。此外，移除未绕线齿上的永磁体会很大程度恶化电机性能。假如将电机定子中未绕线部分仅仅用简单的定子齿取代(不含永磁体)，则形成下图4-10(d)所示的“E-Core”型电机；假如将去除电机定子中未绕线部分，则形成图4-10(c)所示的“c-core'，型电机。尽管“E-Core”和“C-Core”型PMFS电机相比较原型结构而言，具有更高的电磁转矩输出，然而两者的槽开口面积相当于原型的两倍，引起更高的涡流损耗。同时，“E-Core”较“C-Core”而言，电机铁耗更小。隔齿绕线的原型电机12/11或者12/13结构的互感远小于自感，特别适合用于容错电机。文献指出“E-Core''结构的HEFS电机的增磁能力高于其弱磁能力。一种基于“E-core”结构的HEFS电机，如图4-10(e)所示。原因在于，DC励磁绕组通入弱磁电流时，定子齿部磁饱和增强；反之，增磁时减缓了定子齿部磁饱和现象(a)APWI(b)APWZ(c)E-Core(d)C-Core(e)E-Core结构混合励磁图4-10新型12/10极APW-PMFS电机截面图、磁齿轮电机磁齿轮传动装置属于磁场调制式磁力传动结构，具有转矩密度高、运行效率高、非接触性力矩传递和过载自保护等优点，有替代机械齿轮在清洁、低温和高空等环境中运行的潜力。高性能稀土永磁材料在电机设计中的成功应用，使得现代永磁电机的转矩密度和运行效率较感应电机有了较大提高。与机械齿轮依靠主动轮和从动轮齿间的机械啦合来传递能量不同，如图4-11所示，永磁齿轮是由主动轮和从动轮上的永磁体磁场之间相互精合作用而产生的磁力来传递能量，如图4-12所示。图4-11机械齿轮结构图4-12永磁齿轮结构利用机械上的谐波齿轮原理提出永磁谐波齿轮结构，如图4-13(a)所示，相应的机械谐波齿轮如图4-13(b)所示，从中对比可知，永磁谱波齿轮中的定子、低速转子和高速转子分别对应于机械谐波齿轮中的刚轮、柔轮和波发生器，这种永磁谐波齿轮可以达到比较高的传动比，无转矩波动。由于以上所述的永磁齿轮结构在传动过程中仅有一小部分永磁体起到传递转矩的作用，因而转矩和转矩密度都比较低，而永磁谐波齿轮在传动过程中，有较多的永磁体对输出转矩效果显著。(a)永磁谐波齿轮(b)机械谐波齿轮图4-13谐波齿轮示意图内外转子永磁体径向和Halbach两种充磁方式，如图4-14所示，采用Halbach充磁方式时磁场调制型永磁齿轮拥有较高输出转矩、较小的转矩波动和较低的损耗；采用Halbach充磁方式的磁场调制型永磁齿轮，采用Halbach充磁方式的结构可以提高转矩密度，降低齿槽转矩，减小铁耗，Halbach充磁方式具有优异的性能。(a)径向充磁(b)Halbach充磁图4-14充磁方式示意图采用高温超导材料替代调磁铁块以实现磁调制环的磁场调制作用，如图4-15所示，采用高温超导材料后不仅可以达到磁场调制的效果，而且还有效的抑制了端部效应对性能的影响；磁场调制型永磁齿轮采用了增强型磁调制环结构，如图4-16所示，即通过内外连接桥将调磁铁块连接起来，提高了磁调制环的机械强度。图4-15高温超导材料磁调制环示意图图4-16增强型磁调制环示意图永磁无刷直流电机的转子磁路结构有多种，因而磁场调制型永磁齿轮的内外转子磁路结构也可以有多种。内转子采用内置切向式磁路结构的磁场调制型永磁齿轮，如图4-17(a)所示，通过与集中典型的机械齿轮相比较，样机性能接近并超过了一些机械齿轮，证实了磁场调制型永磁齿轮广阔的应用前景；外转子采用一半磁片表贴埋入式磁路结构的磁场调制型永磁齿轮，如图4-17(b)所示，采用此种结构的外转子在满足输出转矩需求的同时可以减少永磁体的用量。采用内置切向式磁路结构外转子的磁场调制型永磁齿轮，如图4-17(c)所示，由于这种磁路结构的聚磁作用，外转子采用内置切向式磁路结构后可以提高转矩密度，并减小了转矩波动；通过对不同磁路结构的内转子上增加阻尼绕组，以及对阻尼绕组放置位置的改变，对比其对动态性能影响，最终确定了内转子采用内置径向式磁路，并在内转子凸极处增加阻尼条的结构，如图4-17(d)所示，由于阻尼绕组的作用，有效抑制了磁场调制型永磁齿轮在加减速过程的速度震荡，减小稳定所需时间，因而动态性能有了明显的改善。(a)永磁体内置切向式内转子(b)一半磁片表贴埋入式外转子(c)永磁体内置切向式外转子(d)永磁体内置径向式带阻尼条内转子图4-17不同转子磁路结构示意图磁场调制型永磁齿轮和电机的径向组合方式，如图4-18所示，命名为外转子磁齿轮复合电机。这种组合方式是将外转子永磁电机的外转子和永磁齿轮的高速内转子径向合为一体，永磁齿轮的低速外转子作为输出，当电机通电驱动外转子时，永磁齿轮的内转子与电机外转子同步旋转，而永磁齿轮的内转子通过减速作用驱动永磁齿轮外转子低速旋转，达到实现低速大转矩直驱的目的，减小了驱动系统的体。结合方式在结构上与外转子磁齿轮复合电机异曲同工，结构上不同的是此结构将磁场调制型永磁齿轮置于永磁电机的转子内侧，与外转子磁齿轮复合电机各部件位置相反，如图4-19所示。分析的组合方式是作为一种可应用于混合动力汽车驱动和风力发电的电磁无级变速器，与外转子磁齿轮复合电机在原理上有所区别。这种电磁无级变速器一共有永磁齿轮内转子、磁调制环转子以及永磁齿轮外转子三个旋转部件，永磁齿轮内转子作为输入，磁调制环转子为输出，永磁齿轮外转子与电机的内转子相连作为可控转子，当原动机驱动永磁齿轮内转子时，可控通过齿轮增速作用而旋转，电机通电，则可控转子同时受到电磁力作用，通过对电机的控制可调节可控转子转速，用来调节永磁齿轮的传动比以运到无级变速的目的。图4-18外转子磁齿轮复合电机示意图图4-19电磁无级变速器示意图基于磁场调制型永磁齿轮磁场调制原理的低速电机结构，如图4-20所示。这种磁场调制型低速电机是利用高速旋转的定子交流绕组磁场来替代由内转子永磁体旋转而产生的磁场，此结构将磁场调制型永磁齿轮的工作原理植入电机，与外转子磁齿轮复合电机、“Pseudo”永磁直驱电机和磁场调制型复合电机相比，在低速直驱时仅有一个转子，简化了机械结构。改进型的磁场调制型低速电机结构，如图4-21所示，外转子采用一半磁片表贴埋入式磁路结构，此种结构可以一定程度上节约永磁体的用量。图4-20磁场调制型低速电机示意图图4-21改进型磁场调制型低速电机示意图应用于低速大转矩直驱的双凸极电磁减速式低速电机结构，如图4-22所示，定子包括定子铁芯、定子绕组以及置于定子铁芯内部的永磁体，通过定子齿上开槽所引入的调磁齿影响气隙磁导的变化而起到磁场调制的作用，外转子为磁阻式结构。图4-22双凸极电磁减速式低速电机示意图一种应用于风力发电的直驱式外转子电磁减速式永磁电机，如图4-23所示，这种结构的电机在定子齿部开槽形成调磁齿，从而引起气隙磁导发生变化，此种结构电机比较适合风力发电应用。引入高温超导材料来实现气隙磁场调制作用，如图4-24所示，采用高温超导材料后，可以明显减小漏磁，降低损耗以及提高功率密度。图4-23直驱式外转子电磁减速式永磁电机图4-24采用高温超导材料电磁减速式永磁电机将直流励磁绕组置于直驱式外转子电磁减速式永磁电机的定子槽内，如图4-25所示，从而可以方便的对电机进行弱磁控制，此结构电机可以方便的应用于电动汽车驱动。图4-25磁场可控直驱式外转子电磁减速式永磁电机示意图五、调速器控制算法总结报告（_）、PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念，反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID(比例(proportion)＞积分(integral)、微分(derivative))控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=kp[e(t)+1/TIJe(t)dt+TD*de式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp，Ti和Td)即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，但简单的PID控制器有时却是最好的控制器。PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。（二）、滑膜控制滑模控制（slidingmodecontrol,SMC）也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。超平面的设计方法有极点配置，特征向量配置设计法，最优化设计方法等，所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。控制器的设计有固定顺序控制器设计、自由顺序控制器设计和最终滑动控制器设计等设计方法。现在以N维状态空间模型为例，采用极点配置方法得到M（N<M）维切换超平面，控制器采用固定顺序控制器的设计方式，首先控制器控制任意点到Q1超平面（M维）形成M-1阶滑动模态，系统到达Q1超平面后由于该平面的达到条件而保持在该超平面上所以后面的超平面将是该超平面的子集；然后控制器采用Q1对应的控制规则驱动到Q1与Q2交接的Q12平面（M-1维）得到M-2滑动模态，然后在Q12对应的控制规则驱动下到Q12与Q3交接的Q123平面（M-2维），依次到Q123.m平面，得到最终的滑模，系统在将在达到条件下保持在该平面，使系统得到期望的性能。滑模控制的优点是能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。由于变结构控制系统算法简单，响应速度快，对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性，在机器人控制领域得到了广泛的应用，也有学者将滑模变结构方法应用于空间机器人控制。变结构控制作为非线性控制的重要方法近年来得到了广泛深入的研究，其中一个重要的研究分支是抑制切换振颤，这方面已取得了不小的进展，提出了等效控制、切换控制与模糊控制的组合模糊调整控制方法，其中等效控制用来配置极点，切换控制用来保证不确定外扰存在下的到达过程，模糊调整控制则用来提高控制性能并减少振颤。研究一类非线性系统的模糊滑模变结构控制方法，设计了滑模控制器和PI控制器的组合模糊逻辑控制器，充分发挥各控制器的优点。提出了基于有限时间机理的快速Terminal滑模控制方法并给出了与普通Terminal滑模控制性能的比较。设计了针对参数不确定与外干扰的非奇异Terminal滑模控制方法，并提出了分等级控制结构以简化控制器设计。上述这些方法在实际系统中虽然得到了有效应用，但无论是自适应滑模控制还是模糊神经网络控制，均增加了系统复杂性与物理实现难度。显然，寻找具有良好效能并易于实现的控制。在系统控制过程中，控制器根据系统当时状态，以跃变方式有目的地不断变换，迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。变结构是通过切换函数实现的，特别要指出的是，通常要求切换面上存在滑动模态区，故变结构控制又常被称为滑动模态控制。设计变结构控制系统基本可分为两步：确定切换函数S(x)即开关面，使它所确定的滑动模态渐近稳定且有良好的品质，开关面代表了系统的理想动态特性。设计滑模控制器设计滑模控制器，使到达条件得到满足，从而使趋近运动(非滑动模态)于有限时间到达开关面，并且在趋近的过程中快速、抖振小。、模糊控制在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。Zadeh创立的模糊数学，对不明确系统的控制有极大的贡献，自七十年代以后，一些实用的模糊控制器的相继出现，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步，下面本文将对模糊控制理论做一番浅介。模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。模糊控制以现代控制理论为基础，同时与自适应控制技术、人工智能技术、神经网络技术的相结合，在控制领域得到了空前的应用。•Fuzzy-PID复合控制Fuzzy-PID复合控制将模糊技术与常规PID控制算法相结合，达到较高的控制精度。当温度偏差较大时采用Fuzzy控制，响应速度快，动态性能好；当温度偏差较小时采用PID控制，静态性能好，满足系统控制精度。因此它比单个的模糊控制器和单个的PID调节器都有更好的控制性能。•自适应模糊控制这种控制方法具有自适应自学习的能力，能自动地对自适应模糊控制规则进行修改和完善，提高了控制系统的性能。对于那些具有非线性、大时滞、高阶次的复杂系统有着更好的控制性能。•参数自整定模糊控制也称为比例因子自整定模糊控制。这种控制方法对环境变化有较强的适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得控制系统在被控对象特性变化或扰动的情况下仍能保持较好的性能。•专家模糊控制EFC（ExpertFuzzyController）模糊控制与专家系统技术相结合，进一步提高了模糊控制器智能水平。这种控制方法既保持了基于规则方法的价值和用模糊集处理带来的灵活性，同时把专家系统技术的表达与利用知识的长处结合起来，能够处理更广泛的控制问题。•仿人智能模糊控制IC算法具有比例模式和保持模式两种基本模式的特点。这两种特点使得系统在误差绝对值变化时，可处于闭环运行和开环运行两种状态。这就能妥善解决稳定性、准确性、快速性的矛盾，较好地应用于纯滞后对象。•神经模糊控制（Neuro-FuzzyControl）这种控制方法以神经网络为基础，利用了模糊逻辑具有较强的结构性知识表达能力，即描述系统定性知识的能力、神经网络的强大的学习能力以及定量数据的直接处理能力。•多变量模糊控制这种控制适用于多变量控制系统。一个多变量模糊控制器有多个输入变量和输出变量。（四）、人工神经网络人工神经网络（ArtificialNeuralNetworks，简写为ANNs）也简称为神经网络（NNs）或称作连接模型（ConnectionModel）,它是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。神经元网络是机器学习学科中的一个重要部分，用来classification或者regressiono思维学普遍认为，人类大脑的思维分为抽象（逻辑）思维、形象（直观）思维和灵感（顿悟）思维三种基本方式。逻辑性的思维是指根据逻辑规则进行推理的过程；它先将信息化成概念，并用符号表示，然后，根据符号运算按串行模式进行逻辑推理；这一过程可以写成串行的指令，让计算机执行。然而，直观性的思维是将分布式存储的信息综合起来，结果是忽然间产生想法或解决问题的办法。这种思维方式的根本之点在于以下两点：①信息是通过神经元上的兴奋模式分布存储在网络上；②信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的。人工神经网络就是模拟人思维的第二种方式。这是一个非线性动力学系统，其特色在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络