永磁電機(jī)課程報告

研究生課程考試成績單

（試卷封面）院系電氣工程學(xué)院專業(yè)電氣工程學(xué)生姓名王東學(xué)號139470課程名稱現(xiàn)代永磁電機(jī)基本理論與關(guān)鍵技術(shù)授課時間2013年9月至2014年1月周學(xué)時2學(xué)分2.0簡要評語考核論題永磁電機(jī)課程總結(jié)報告總評成績（含平時成績）備注任課教師簽名:日期：注：1.以論文或大作業(yè)為考核方式的課程必須填此表，綜合考試可不填?！昂喴u語”欄缺填無效。任課教師填寫后與試卷一起送院系研究生秘書處。學(xué)位課總評成績以百分制計(jì)分。一、永磁材料性能總結(jié)報告永磁電機(jī)的性能、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)和應(yīng)用范圍都與永磁材料的性能有著密切聯(lián)系，永磁材料種類繁多，但性能差別很大。、馬氏永磁體馬氏永磁體是通過熱處理將已經(jīng)加工好的零件加熱到高溫，通過淬火使奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體而得到的永磁材料。這是早期的永磁體，其中常見的為銘鋼、鎢鋼和鉆鋼。它具有塑性好、可進(jìn)行冷加工和切削加工、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)，但矯頑力和磁能積較低、組織不穩(wěn)定，目前很少使用。、鋁鎳鉆永磁材料鋁鐐鉆(AlNiCo)永磁是20世紀(jì)30年代研制成功的，按加工工藝的不同，鋁鐐鉆永磁分鑄造型和粉末燒結(jié)型兩種。粉末燒結(jié)型的工藝簡單，可直接壓制制成所需形狀，在永磁電機(jī)中常用鑄造型。鋁鐐鉆永磁的顯著特點(diǎn)是溫度系數(shù)小，a疽又為-0.02%K-1左右，因此，隨著溫度的改變磁性能變化很小。這種材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，最高可達(dá)1.35T，但是矯頑力很低，它的退磁曲線呈非線性變化。鋁鐐鉆永磁電機(jī)一旦拆卸、維修之后再重新組裝時，還必須進(jìn)行再次整體飽和充磁穩(wěn)磁處理，否則永磁體工作點(diǎn)將下降，磁性能大大下降。為此，鋁鐐鉆永磁電機(jī)的磁極上通常都有極靴且備有再充磁繞組，使其可以再次充磁來恢復(fù)應(yīng)有的磁能。根據(jù)鋁鐐鉆永磁材料矯頑力低的特點(diǎn)，在使用過程中，嚴(yán)格禁止它與任何鐵器接觸，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸變。鋁鐐鉆永磁硬而脆，可加工性能較差，僅能進(jìn)行少量磨削或電火花加工，因此，加工成特殊形狀比較困難。、鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料屬于非金屬永磁材料，在電機(jī)中常用的有兩種，鋇鐵氧體(BaO?Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO?Fe2O3)。它們的性能相差不多，而鍶鐵氧體的矯頑力Hc值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機(jī)中使用。鐵氧體永磁的突出優(yōu)點(diǎn)：價格低廉，不含稀土元素、鉆、鐐等貴金屬；制造工藝也較為簡單；矯頑力較大，抗去磁能力較強(qiáng)；密度小，質(zhì)量較輕；退磁曲線接很大一部分接近直線，回復(fù)線基本上與退磁曲線的直線部分重合，可以不需要象鋁鐐鉆永磁那樣進(jìn)行穩(wěn)磁處理，因而在電機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，是目前電機(jī)中用量最大的永磁材料。鐵氧體主要缺點(diǎn)：剩磁密度不高，Br僅為0.2?0.44T，最大磁能積(BH)max僅為6.1?40kJ/m3。因而需要加大提供磁通的截面積，使電機(jī)體積增大；環(huán)境溫度對磁性能的影響大。鐵氧體永磁的a瀝為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其他永磁材料不同：另外，鐵氧體永磁材料脆而硬，且不能進(jìn)行電加工，僅能切片和進(jìn)行少量磨加工。、稀土永磁材料稀土鉆永磁和釹鐵硼永磁都是搞剩磁、高矯頑力、高磁能積的稀土永磁材料，但在某些性能上有較大差別。1、稀土鉆永磁材料稀土鉆永磁材料是60年代中期興起的磁性能優(yōu)異的永磁材料，其特點(diǎn)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度代、磁感應(yīng)矯頑力Hc及最大磁能積(BH)max都很高。稀土鉆永磁的退磁曲線基本上是一條直線，回復(fù)線基本上與退磁曲線重合，抗去磁能力強(qiáng)。另外，稀土鉆永磁材料B,的溫度系數(shù)比鐵氧體永磁材料低，通常為-0.03%K-1左右，并且居里溫度很高，一般為710?880，因此這種永磁材料的磁穩(wěn)定最好，很適合用來制造各種高性能永磁電機(jī)。缺點(diǎn)是目前的價格比較昂貴，電機(jī)的造價成本較高。由于稀土鉆永磁材料脆而硬，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均較低，僅能進(jìn)行少量的電火花或切割加工，所以在永磁體尺寸設(shè)計(jì)上要避免過多的加工余量以避免造成浪費(fèi)。其次，由于這種永磁材料磁性很強(qiáng)，磁極相互間的吸引力和排斥力均很大，因此磁極在充磁后運(yùn)輸和裝配時都要采取措施，以免造成安全事故。2、釹鐵硼永磁材料釹鐵硼永磁材料是1983年問世的高性能永磁材料，它的磁性能高于稀土鉆永磁。室溫下剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br現(xiàn)可高達(dá)1.47T，磁感應(yīng)矯頑力Hc可達(dá)992kA/m(12.4kOe)，是目前磁性能最高的永磁材料。釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度偏低，一般為310?410C左右；溫度系數(shù)較高，的溫度系數(shù)可達(dá)-0.13%K-1，因而在高溫下使用時磁損失較大。由于其中含有大量的鐵和釹，容易銹蝕也是它的缺點(diǎn)。另外，由于釹鐵硼永磁材料的溫度系數(shù)較高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差。一般的釹鐵硼永磁材料在高溫下使用時，其退磁曲線的下半部分要發(fā)生彎曲，為此使用釹鐵硼永磁材料時，一定要校核永磁體的最大去磁工作點(diǎn)，以增強(qiáng)其可靠性。、粘接永磁材料粘接永磁材料是用樹脂、塑料或者低熔點(diǎn)合金等材料為粘接劑，與永磁材料粉末均勻混合，然后用壓縮、注射或擠壓成型等方法制成的一種復(fù)合型永磁材料。按所用永磁材料種類的不同，分為粘接鐵氧體永磁、粘接鋁鎳鉆永磁、粘接稀土鉆永磁和粘接釹鐵硼永磁。同通常鑄造或燒結(jié)的永磁體相比，粘接磁體因含有粘接劑而使磁性能稍差，但具有多個顯著優(yōu)點(diǎn)，如永磁體形狀自由度達(dá)，尺寸精度高，不變形，機(jī)械強(qiáng)度高，原材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，使用粘接永磁體，可以簡化電機(jī)制造流程，并且能獲得良好的電機(jī)性能。1、粘接鐵氧體永磁粘接鐵氧體永磁主要是粘接鍶和鋇鐵氧體，各向同性產(chǎn)品可做到4.0?5.5kJ/m3,Br為0.15?0.17T，Hc為110?135kA/m，而各向異性粘接鐵氧體可做到15.0?16.5kJ/m3,Br為0.28?0.30T，Hc可達(dá)180?210kA/m，主要用于微電機(jī)中。2、粘接稀土鉆永磁'粘接稀土鉆永磁的制備工藝筆粘接鐵氧體永磁復(fù)雜，制備磁粉的熱處理必須在真空中或氬氣保護(hù)下進(jìn)行。這樣處理以后，可使得Hc明顯提高。粘接稀土鉆永磁主要用于家用電器、石英鐘表、計(jì)算器、微特電機(jī)中。3、粘接釹鐵硼永磁粘接釹鐵硼永磁材料是近年來發(fā)展起來的新產(chǎn)品，目前生產(chǎn)這種永磁材料的磁粉主要有兩種工藝，一是快淬工藝，二是氫化-歧化-脫氧-再組合法，簡稱HDDR法，應(yīng)用這兩種方法制備的釹鐵硼磁粉采用專門設(shè)備及工藝再制成粘接釹鐵硼磁體。按照制造工藝和性能的不同，習(xí)慣上將粘接釹鐵硼永磁分為三型。I型為模壓成型的環(huán)氧樹脂粘接各向同性永磁體；II型為熱壓的各項(xiàng)同性永磁體；III型為熱變形的各向異性磁體，最大磁能積已接近320kJ/m3。上述永磁材料中，在電機(jī)中常用的是鋁鎳鉆、鐵氧體、釤鉆和釹鐵硼永磁材料?，F(xiàn)將這四種典型永磁材料做綜合對比，具體如表1-1所示。表1-1典型永磁材料的綜合對比永磁體性能鋁鐐鉆鐵氧體釤鉆釹鐵硼剩磁/T1.30.421.051.16矯頑力/（kA/m）60200780850退磁曲線形狀彎曲上部直線，下部彎曲直線直線（高溫下彎曲）剩磁溫度系數(shù)/（%/K）-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蝕性能強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)易氧化充磁安裝后充磁充磁后安裝（也有安裝后充磁）充磁后安裝充磁后安裝最高工作溫度/c550200300150O加工性能少量磨削、電火花加工特殊刀具切片和少量磨加工少量電火花加工加工性能好價格中等低很高高應(yīng)用場合儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的場合性能和體積要求不高，價格要求低的場合高性能、高溫、高溫度穩(wěn)定性，價格不是主要考慮因素的場合高性能、體積要求高、溫度不高的場合:、有限元商業(yè)軟件的介紹有限元分析（FEA）是近年來迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等問題，有限元方法已經(jīng)應(yīng)用于水工、土建、橋梁、機(jī)械、電機(jī)、冶金、造船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇航、核能、地震、物探、氣象、滲流、水聲、力學(xué)、物理學(xué)等，幾乎所有的科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域?；谟邢拊治觯‵EA）算法編制的軟件，即所謂的有限元分析軟件。通常，根據(jù)軟件的適用范圍，可以將之區(qū)分為專業(yè)有限元軟件和大型通用有限元軟件。實(shí)際上，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展和完善，各種專用的和通用的有限元軟件已經(jīng)使有限元方法轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力。常見通用有限元軟件包括LUSAS、MSC、Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics、FEPG等等。（一）、概述1、COMSOLMultiphysicsCOMSOLMultiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“最專業(yè)的多物理場全耦合分析軟件”。模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，COMSOLMultiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。2、FEPG中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究所梁國平研究員團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年的潛心研究，獨(dú)創(chuàng)了具有國際領(lǐng)先水平的有限元程序自動生成系統(tǒng)（FEPG）。FEPG采用元件化思想和有限元語言這一先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)，為各種領(lǐng)域、各方面問題的有限元求解提供了一個極其有力的工具，采用FEPG可以在數(shù)天甚至數(shù)小時內(nèi)完成通常需要數(shù)月甚至數(shù)年才能完成的編程勞動。FEPG是目前“幸存”下來的為數(shù)不多的CAE技術(shù)中發(fā)展最好的有限元軟件，目前有三百多家科研院、企業(yè)應(yīng)用，也已成為國內(nèi)做的最大的有限元軟件平臺。FEPG作為通用型的有限元軟件，能夠解決固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場以及數(shù)學(xué)方面的有限元計(jì)算，在耦合具有特有的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場任意耦合；在有限元并行計(jì)算方面處于領(lǐng)先地位。3、SciFEASciFEA軟件開發(fā)的計(jì)算功能包括梁、板、殼結(jié)構(gòu)計(jì)算；彈性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性、非線性彈性計(jì)算；熱分析、流體分析、流固耦合、熱固耦合、熱流固耦合計(jì)算等功能。計(jì)算的類型包括靜力、動力、模態(tài)分析等，SciFEA軟件已形成了單機(jī)版、網(wǎng)絡(luò)版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架構(gòu)的并行有限元計(jì)算系統(tǒng)。SciFEA可用于機(jī)械、土木、電氣、電子、熱能、航空航天、地質(zhì)、能源等專業(yè)的有限元計(jì)算分析，也可用于高校研究所等單位的有限元教學(xué)與科研。SciFEA拋棄了傳統(tǒng)CAE軟件復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)模式，采用直接面向用戶需求的獨(dú)立模塊開發(fā)方式。SciFEA軟件中的功能模塊保持了計(jì)算的獨(dú)立性，對CAE軟件功能擴(kuò)展的復(fù)雜度降低，同時，進(jìn)一步和行業(yè)需求集成的靈活度增加。SciFEA軟件包括軟件操作界面、前后處理和計(jì)算功能模塊三大部分。前后處理采用歐洲工程數(shù)值模擬中心開發(fā)的GiD軟件包，SciFEA3.0版提供計(jì)算功能模塊包括：彈性計(jì)算、塑性計(jì)算、流體計(jì)算、粘彈性計(jì)算、材料計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、損傷破裂計(jì)算、水熱力耦合計(jì)算、傳熱計(jì)算、滲流計(jì)算、電磁計(jì)算、電熱力耦合計(jì)算、巖土計(jì)算、熱固耦合計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)計(jì)算等；計(jì)算類型包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、動力、非線性等。SciFEA發(fā)布的計(jì)算功能模塊均提供算例，用戶可以結(jié)合算例學(xué)習(xí)SciFEA，SciFEA的用戶模塊掛載功能實(shí)現(xiàn)了計(jì)算模塊的快速整合以及耦合問題的快速求解。SciFEA的前后處理器采用歐洲工程數(shù)值模擬國際中心開發(fā)的GiD軟件。GiD軟件具有幾何建模、網(wǎng)格劃分、CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入、后處理結(jié)果顯示等功能。GiD采用類似于CAD的操作模式。4、ANSYSANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級CAE工具之一。（二）、電磁場有限元分析軟件介紹1、ANSYS（1）技術(shù)種類ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。（2）分析類型結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。流體動力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱一流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。聲場分析程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。實(shí)體建模ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。同級別的軟件還有ADINA、ABAQUS、MSC等，ADINA和ABAQUS在非線性計(jì)算功能方面比ANSYS強(qiáng)，ABAQUS沒有流體計(jì)算模塊，ADINA不能做電磁分析但是ADINA是做流固耦合最好的軟件。施加載荷在ANSYS中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作應(yīng)力函數(shù)，在不同的分析領(lǐng)域中有不同的表征，但基本上可以分為6大類：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。后處理ANSYS程序提供兩種后處理器：通用后處理器和時間歷程后處理器。后處理器處理可以處理的數(shù)據(jù)類型有兩種：一是基本數(shù)據(jù)，是指每個節(jié)點(diǎn)求解所得自由度解，對于結(jié)構(gòu)求解為位移張量，其他類型求解還有熱求解的溫度、磁場求解的磁勢等，這些結(jié)果項(xiàng)稱為節(jié)點(diǎn)解；二是派生數(shù)據(jù)，是指根據(jù)基本數(shù)據(jù)導(dǎo)出的結(jié)果數(shù)據(jù)，通常是計(jì)算每個單元的所有節(jié)點(diǎn)、所有積分點(diǎn)或質(zhì)心上的派生數(shù)據(jù)，所以也稱為單元解。不同分析類型有不同的單元解，對于結(jié)構(gòu)求解有應(yīng)力和應(yīng)變等，其他如熱求解的熱梯度和熱流量、磁場求解的磁通量等。2、Ansoft建立在電磁計(jì)算基礎(chǔ)上的Ansoft軟件，提供精確、快速、高效的設(shè)計(jì)平臺。在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、天線、高速PCB、集成電路、封裝、連接器、光電網(wǎng)絡(luò)、電機(jī)、開關(guān)電源、機(jī)電系統(tǒng)、汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和復(fù)雜EMI/EMC仿真中，Ansoft領(lǐng)先的基于物理原型的解決方案能夠快速精確地仿真和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，電磁場、電路和系統(tǒng)全集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時精確考慮細(xì)節(jié)的電磁場效應(yīng)，從而確保系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險，推進(jìn)創(chuàng)新，洞察設(shè)計(jì)內(nèi)核，獲得長期競爭優(yōu)勢。第一部分：介紹了RMxprt使用的一般方法，詳細(xì)的介紹了如何使用RMxprt去建立一個需要的模型。并對它進(jìn)行簡要分析，并將該模型轉(zhuǎn)移到Maxwell項(xiàng)目中去。第二部分：材料庫管理Materialslibrarymanager。對電機(jī)及電器中的常用的電磁材料及電磁線建立數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行管理。第三部分：繞組，包括電機(jī)中的導(dǎo)體，線圈，線圈節(jié)距，每槽導(dǎo)體數(shù)，并繞線數(shù)，線圈組，繞組類型，每極每相槽數(shù)等等項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)定。第四部分：優(yōu)化設(shè)計(jì)，有參數(shù)分析和目標(biāo)優(yōu)化兩部分組成。兩部分可單獨(dú)使用，也可以分別使用，以達(dá)到最好的使用目的。第五到十部分：各種電機(jī)的實(shí)際的設(shè)計(jì)實(shí)例，包括三相感應(yīng)電機(jī)，同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)，可變速永磁同步電機(jī)，直流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)等等各種常見電機(jī)，從RMxprt建立模型到Maxwell分析結(jié)果，每一處參數(shù)設(shè)置都清楚詳細(xì)，對電機(jī)運(yùn)行參數(shù)分析全面情晰。MAXWELL2D：工業(yè)應(yīng)用中的電磁元件，如傳感器，調(diào)節(jié)器，電動機(jī)，變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時候都使用得更加廣泛。由于設(shè)計(jì)者對性能與體積設(shè)計(jì)封裝的希望，因而先進(jìn)而便于使用的數(shù)字場仿真技術(shù)的需求也顯著的增長。在工程人員所關(guān)心的實(shí)用性及數(shù)字化功能方面，Maxwell的產(chǎn)品遙遙領(lǐng)先其他的一流公司。Maxwell2D包括交流/直流磁場、靜電場以及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析，參數(shù)化分極；以及優(yōu)化功能。此外，Maxwell2D還可產(chǎn)生高精度的等效電路模型以供Ansoft的SIMPLORER模塊和其它電路分析工具調(diào)用。MAXWELL3D：向?qū)降挠脩艚缑妗⒕闰?qū)動的自適應(yīng)剖分技術(shù)和強(qiáng)大的后處理器時的Maxwell3D成為業(yè)界最佳的高性能三維電磁設(shè)計(jì)軟件。可以分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機(jī)、母線、變壓器、線圈等電磁部件的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗（R和L）、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲能等參數(shù)可以自動計(jì)算。同時也可以給出整個相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結(jié)果。3、INFOLYTICAINFOLYTICA公司于1978年由PeterSilvester博士，ErnestM.Freeman博士，DavidA.Lowther博士（現(xiàn)任總裁）創(chuàng)立，是世界上第一個商業(yè)電磁場分析軟件公司，總部設(shè)在加拿大的蒙特利爾市。INFOLYTICA公司作為眾多電磁軟件新技術(shù)的創(chuàng)始人和領(lǐng)導(dǎo)者，一直致力于電磁場有限元分析領(lǐng)域的技術(shù)研究和開發(fā)，致力于為電磁設(shè)計(jì)工程師提供完整解決方案。INFOLYTICA軟件成為全世界設(shè)計(jì)者進(jìn)行低頻電磁分析的首選軟件，不斷為航空、航天、汽車、耐用電器、電力、醫(yī)療設(shè)備、電子產(chǎn)品等行業(yè)以及科研教育等領(lǐng)域提供復(fù)雜的磁場、電場、熱場問題解決方案。INFOLYTICA產(chǎn)品系列主要包含MagNet，ElecNet，ThermNet，OptiNet，MotorSolve等軟件，使得二維和三維的電場、磁場以及熱場的獨(dú)立及耦合分析在同一界面下輕松進(jìn)行。INFOLYTICA軟件的強(qiáng)大功能INFOLYTICA軟件的強(qiáng)大功能包括：1）INFOLYTICA的2D/3D多運(yùn)動部件多自由度瞬態(tài)運(yùn)動求解器是市場上唯一支持六自由度的電磁求解器，可以求解磁懸浮電機(jī)、球形電機(jī)、多轉(zhuǎn)子電機(jī)等問題；2）INFOLYTICA的2D/3D瞬態(tài)電場求解器也是市場上唯一的瞬態(tài)電場求解器，可以求解HVDC極性反轉(zhuǎn)、交直流混合電壓等瞬態(tài)電場問題。3）INFOLYTICA的電磁和熱耦合仿真、混合維數(shù)電磁和熱耦合能力、全自動優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于ActiveX的腳本編程、局部單元細(xì)化技術(shù)和求解過程中的單元自適應(yīng)剖分技術(shù)等數(shù)十項(xiàng)獨(dú)特功能，給用戶的復(fù)雜電磁場分析帶來極大便利。INFOLYTICA的主要客戶包含GE（USA），NTT，HP，ABB，Weidmann，Toshiba，Sony，Panasonic，Inductotherm，NorthropGrumman，GM，Samsung，HarmanMotive，SeagateTechnology，TECO-Westinghouse（USA），NASA，MIT，MCGILL，通用電氣中國研發(fā)中心，東元西屋電機(jī)全球研發(fā)中心無錫分處，杭州電子科技大學(xué)，沈陽工業(yè)大學(xué)，香港理工大學(xué)，香港ASM公司等一千多家國際知名的公司、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)。4、CEDRAT是一款針對于電機(jī)、傳感器、變壓器等電磁設(shè)備的專業(yè)二維及三維仿真軟件。它基于有限元算法，主要用于電磁設(shè)備、熱裝置、熱處理的分析與設(shè)計(jì)。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：電磁、電熱、電子機(jī)械和驅(qū)動設(shè)備等?；灸K包括前處理（建模、物理屬性設(shè)置、網(wǎng)格剖分）、求解以及后處理（結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)輸出），共有16大應(yīng)用功能模塊供用戶選擇。允許用戶使用Python命令流編寫特殊的材料屬性、定義驅(qū)動電源屬性和定義邊界條件，用以控制開發(fā)和執(zhí)行特定的后處理任務(wù)。用戶可以通過Simulink接口將FLUX模型作為獨(dú)立模塊應(yīng)用到其他專業(yè)仿真軟件中進(jìn)行更高級的分析，如：優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)起動的瞬時控制等。5、JMAGJMAG是由株式會社日本總研（JRI）開發(fā)的功能齊全，應(yīng)用廣泛的電磁場分析軟件。軟件可以對各種電機(jī)及電磁設(shè)備進(jìn)行精確的電磁場分析，為用戶提供設(shè)計(jì)上的幫助，降低用戶產(chǎn)品的開發(fā)周期，取得競爭優(yōu)勢。JMAG自從1983年商業(yè)化以來，在日本的市場占有率始終保持第一的位置。在日本電機(jī)領(lǐng)域分析了大量各種類型的電機(jī)，經(jīng)歷了時間和實(shí)踐的檢驗(yàn)。同時在每年至少一次的軟件升級中不斷吸收日本電機(jī)廠家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。平時加強(qiáng)與眾多客戶的緊密聯(lián)系，通過定期的技術(shù)交流共同進(jìn)步。目前JMAG的國內(nèi)用戶不斷增加，在業(yè)界取得了較高的知名度。統(tǒng)一清晰的操作界面JMAG的操作界面充分體現(xiàn)人性化，把前后處理與運(yùn)算界面結(jié)合在一起，使得用戶操作相當(dāng)簡單，極易上手。經(jīng)過短時間的培訓(xùn)，用戶可以迅速地進(jìn)行電機(jī)基本性能的模擬，節(jié)約大量的人力和時間，特別適合工廠的實(shí)際情況。簡單高效的網(wǎng)格剖分網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到最后結(jié)果的準(zhǔn)確性，JMAG根據(jù)不同用戶的實(shí)際需要，提供不同的網(wǎng)格剖分功能，均能達(dá)到足夠的精度。靈活多樣的材料數(shù)據(jù)庫JMAG提供日本各大廠商的幾乎全部材料數(shù)據(jù)庫，包括各型號電工鋼磁化曲線與損耗曲線，各型號永磁體的退磁曲線。對于特殊材料，如鐵粉材料，磁滯材料以及非常規(guī)型號等，用戶可自行輸入曲線數(shù)據(jù)，JMAG均能據(jù)此進(jìn)行仿真。強(qiáng)大的耦合計(jì)算功能電機(jī)是一個包含電磁、機(jī)械、熱、噪音等的多物理場，最大限度模擬電機(jī)實(shí)際物理變化過程是現(xiàn)代電機(jī)分析的發(fā)展趨勢。JMAG提供強(qiáng)大的耦合計(jì)算功能例如磁場分析/熱分析，磁場分析/結(jié)構(gòu)分析，為電機(jī)仿真構(gòu)建了一個最為完善的物理模型。三、永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩及抑制策略總結(jié)報告在永磁電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子中裝永磁體的一邊與定子槽那邊之間，存在相互作用的切向力，這種作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，具有使齒槽和永磁體磁極保持對齊的趨勢，這種轉(zhuǎn)矩稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有相對運(yùn)動時，位于永磁體極弧部分的定子齒和永磁體之間的磁導(dǎo)是基本不變的，且這些齒周圍的磁場也基本保持不變，但和永磁體兩側(cè)面對應(yīng)的、由一個或者兩個定子齒所構(gòu)成的一小塊區(qū)域內(nèi)，磁導(dǎo)的變化大，引起電機(jī)磁場儲能的改變，進(jìn)而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，因此，齒槽轉(zhuǎn)矩可以表示為：(3-1)Tawdacog

(一)、齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析假設(shè)不考慮飽和，電樞鐵心的磁導(dǎo)率為無窮大，電機(jī)儲存磁場的能量近似是氣隙和永磁體中的磁場能量的總和，所以，永磁電機(jī)內(nèi)儲存的磁場能量能表示為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為磁共能；a是某齒的中心線與永磁體中心線間的夾角。6=0位置設(shè)在該磁極中心線上，B(6)和5(6,a)分別是永磁體的剩磁、有效氣隙長度沿圓周方向分布，h(6)rm是永磁體的充磁方向長度。對「h(6)/(h(6)+5(6,a))12和B(6)進(jìn)行傅立葉分解展開，能夠獲得電機(jī)內(nèi)部磁場能Lmm」r量表達(dá)式，進(jìn)而可得到永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)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均對水磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響，然而并不是所有傅m立葉系數(shù)均對永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響。如對B2(6)來說，只有nz/2p次傅立葉分解系r/h￥數(shù)才對永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用；對一土—來說，只有n次傅立葉分解系Ih+g(6,a)|數(shù)對永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用。因此，如果可以減小B,^p)r和Gn就能有效地使永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩得到降低。對一個永磁體形狀、大小相同、均勻排布的永磁同步電機(jī)，在一個定子齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)Np表達(dá)式為(3-6)N=pHCF(z,2p)式中HCF(z,2p)表示為槽數(shù)z與極對數(shù)2p的最大公約數(shù)，每個周期機(jī)械角度為a=2兀/(nz)；L是電樞鐵心軸向長度，R是轉(zhuǎn)子的外徑，R是定子軛內(nèi)徑，z是電(3-6)Tepa12機(jī)電樞槽數(shù)，p表示極對數(shù)；n為使nz/2p為整數(shù)的整數(shù)；B是永磁體剩磁；p是永磁體極孤系數(shù)；6是用弓瓜度表示的電樞槽口寬。S0（二）、永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法由式（3-3）分析得出，削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法能歸納成三大類，即改變永磁磁極參數(shù)的方法，改變定子參數(shù)的方法及定子槽數(shù)與極數(shù)合理組合。其一、改變磁極參數(shù)的方法。它是通過改變對齒槽起主要作用的B磁密幅值，達(dá)到削rn弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。這類方法主要包括改變磁極極孤系數(shù)，斜槽，磁極偏移等。其二、改變定子參數(shù)的方法。它是通過改變對齒槽轉(zhuǎn)矩起主要作用的G的幅值進(jìn)而削n弱齒槽轉(zhuǎn)矩。這種方法包括改變定子槽口寬度，斜槽，不等槽口寬，開輔助槽等。其三、合理選擇定子槽數(shù)與極數(shù)。它是通過改變G與B的次數(shù)及大小，從而削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。nrn1極弧系數(shù)從式（3-4）可知，影響齒槽轉(zhuǎn)矩的傅立葉分解系數(shù)Bf與極弧系數(shù)a有關(guān)，若電機(jī)的極對數(shù)和槽數(shù)確定，通過合理選擇極弧系數(shù)，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（皿為大于0小于nz/2p的整數(shù)），則可使影響齒槽轉(zhuǎn)矩大小的次數(shù)為nz/2p的傅里葉系數(shù)B，以及次數(shù)為nz/2p倍數(shù)的其它傅里葉系數(shù)為0，r（nz/2p）從而大幅度地削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。2定子槽口寬度TOC\o"1-5"\h\z從式（3-5）可知，影響齒槽轉(zhuǎn)矩的傅立葉分解系數(shù)G與槽口。的大小有關(guān)，通過選ns0擇合理的定子槽口寬度，能夠使得氣值接近于零，即6n?Q\\o"CurrentDocument"sinn冗s0I=0（3-8）"2）求解可得：6=蜒（3-9）s0nz式中m為大于等于0小于等于n的整數(shù)將p記為槽口寬對應(yīng)弧度與一個齒槽對應(yīng)弧度的比值，則Vp=C10（3-10）2兀/z通過選擇合理的定子槽口寬度能有效的減小齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，在設(shè)計(jì)時也需綜合考慮其他方面的因素。若槽口寬度取得過小，可能會對嵌線帶來困難；若槽口寬度過大，會影響電機(jī)氣隙有效長度等?？傊?，設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各方面因素，選取一個合理的槽口寬度值。3極槽數(shù)配合

依據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式(3-3),可知，在一個齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)N為N=N(3-11)一般說來，最大公約數(shù)N越小，即周期數(shù)N越大時，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值將越小。這是由于一般n越大，對應(yīng)的海里葉系數(shù)Bf2和］G則越小。根據(jù)式(3-3)，可知，所以若能減小B*)和G就能有效的減小齒寤轉(zhuǎn)矩。"當(dāng)電機(jī)z/2；等于整數(shù)時，每個齒距對應(yīng)一個齒槽轉(zhuǎn)矩周期，而像本文的永磁電機(jī)，當(dāng)z/2p等于分?jǐn)?shù)時，每個齒距對應(yīng)兩個或兩個以上的齒槽轉(zhuǎn)矩周期。因此設(shè)計(jì)電機(jī)時，合理選擇極數(shù)與槽數(shù)間的組合，盡量使z/2p是分?jǐn)?shù)，使一個齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)較多，能有效的削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。本文分?jǐn)?shù)槽繞組能減少齒槽轉(zhuǎn)矩，從而減少齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的振動、噪聲及控制困難等影響。盡管經(jīng)過調(diào)制可以逼近正弦波，但其中還首先應(yīng)使永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場盡量接近這些可以通過改變永磁體的形狀和極孤寬由于實(shí)際中，永磁勵磁磁場在空間的分布不可能完全是正弦的，感應(yīng)電動勢的波形一定會發(fā)生畸變，由逆變器提供的定子電流含有許多諧波。為消除永磁電機(jī)中的諧波正弦分布，以降低磁場中各次諧波的幅值盡管經(jīng)過調(diào)制可以逼近正弦波，但其中還首先應(yīng)使永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場盡量接近這些可以通過改變永磁體的形狀和極孤寬4定子斜槽電樞斜槽時，電機(jī)氣隙和永磁體中的磁場能量為W=—jB2(0,a,L)dV(3-12)2pv0=快-RjLaj2兀b2(0,a,L)d0dL000則齒槽轉(zhuǎn)矩為sinnz(a+—)k2)(3-13)若K為電樞所斜的槽數(shù)，a1為孤度表示的電樞齒距，T(a)=兀Lq(R2-R2XGBsin竺巴c°g2日Ka21n嚴(yán)2從式(3-13)可以看出：要消除齒槽轉(zhuǎn)矩中的第n次諧波，sln普必須為為1/n的整數(shù)倍。若K=1，則所有次數(shù)的諧波都可被消除，即不存在齒槽轉(zhuǎn)矩。(3-12)則齒槽轉(zhuǎn)矩為sinnz(a+—)k2)(3-13)雖然斜槽對齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱有很顯著的效果，但斜槽將給電機(jī)制造帶來許多不便，如定子斜槽便不能自動嵌線，因而不能大批量生產(chǎn)。轉(zhuǎn)子傾斜則對永磁體的形狀有具體要求，制造將非常昂貴并且不易磁化。在工程實(shí)際應(yīng)用中，即使精確斜槽一個齒距，也不能完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩，其原因在于。(1)在實(shí)際生產(chǎn)中，同一臺電機(jī)中的永磁體材料存在分散性，永磁電機(jī)的制造工藝可能會造成轉(zhuǎn)子的偏心；(2)斜槽及斜極并不能減小永磁體端部和電機(jī)鐵心端部間的磁場產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩。此外，當(dāng)電機(jī)的鐵心較短或槽數(shù)較少時，斜槽及斜極實(shí)現(xiàn)起來都較為困難，往往需要采取其它措施削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。在通過改善電機(jī)結(jié)構(gòu)后，永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩有明顯的改善，其中數(shù)極槽配合措施的效果最好，改變極弧系數(shù)的效果不是很好，一般不建議使用斜槽，這種方法會帶來很多其他方面的問題，總之，最終齒槽轉(zhuǎn)矩只能得到削弱，一般不能完全消除。在實(shí)際工程中，可根據(jù)實(shí)際情況采用合適的削弱方法，既可采用其中一種方法，也可采用幾種的組合方法。本文討論了斜槽、極槽配合，改變極弧系數(shù)，改變槽口寬等方法來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，注意優(yōu)化選取電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，可有效的減小永磁同步電機(jī)起動阻力矩。四、新舊永磁電機(jī)及磁齒輪的應(yīng)用總結(jié)報告、轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)在轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)中，利用永磁材料代替勵磁繞組，減小了銅耗，電動機(jī)體積和重量大為減小，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，在功率密度、轉(zhuǎn)矩慣性和效率方面都超過了傳統(tǒng)的直流電機(jī)和異步電機(jī)，是高效節(jié)能電機(jī)的一個重要發(fā)展方向，近幾十年來受到廣泛重視。但這種電機(jī)由于將永磁體放置在轉(zhuǎn)子上，為克服高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的離心力，需要對轉(zhuǎn)子采取特別的輔助措施，如安裝由不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定裝置等，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本提高。同時永磁體位于轉(zhuǎn)子，冷卻條件差，散熱困難，而溫升可能會最終導(dǎo)致永磁鐵發(fā)生不可逆退磁、限制電機(jī)出力、減小功率密度等，制約了電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。圖4-1為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體通常為瓦片形，位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，具體細(xì)分為表面凸出式和表面插入式兩種。圖4-2為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具體可以分為徑向式、切向式和混合式。隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展和交流調(diào)速技術(shù)的日新月異，表貼式永磁電機(jī)多用于發(fā)電機(jī)場合較多，內(nèi)置式多用作電動機(jī)場合。(a)凸出式(b)插入式圖4-1表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(a)徑向式(b)切向式(c)U型混合式(d)W型混合式圖4-2內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子永磁型電機(jī)針對前面提到的轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)的缺點(diǎn)，很自然地就會聯(lián)想到定子永磁型的結(jié)構(gòu)。圖4-3為最早出現(xiàn)的定子永磁型電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其提出時是作為永磁式發(fā)電機(jī)運(yùn)行的。(a)4/2極結(jié)構(gòu)(b)4/6極結(jié)構(gòu)圖4-3單相DSPM發(fā)電機(jī)截面圖新型的三相雙凸極永磁電機(jī)，此結(jié)構(gòu)的電機(jī)將永磁體嵌入定子軛部，如圖4-4所示，具有低慣量、反應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，該種雙凸極電機(jī)多用于發(fā)電機(jī)場合，也可用于電動機(jī)場合。(a)6/4極結(jié)構(gòu)(b)12/8極結(jié)構(gòu)圖4-4新型三相DSPM電機(jī)截面圖磁鏈反轉(zhuǎn)電機(jī)(FluxReversalMachine，簡稱FRM)，磁鏈反轉(zhuǎn)電機(jī)則將永磁體放置于定子頂部，如圖4-5所示。與PMSM、BLDCM電機(jī)類似，F(xiàn)RNI電機(jī)的磁鏈也是雙極性的。FRM與PMSM、BLDCM的區(qū)別在于，盡管三者都是永磁體提供勵磁，然而FRM電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路磁阻變化引起繞組匝鏈的磁鏈方向的變化，因此即使永磁體保持不動，電機(jī)通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)也能產(chǎn)生雙極性的反電勢波形。磁鏈反轉(zhuǎn)電機(jī)的磁路中總是存在永磁體，造成磁路的磁阻較大，因此此類電機(jī)的繞組電感較小，由此減少了電機(jī)的電氣時間常數(shù)，增加了反應(yīng)速度，并且具有較高的容錯能力。同時，此類結(jié)構(gòu)的電機(jī)永磁體內(nèi)部能量波動，將產(chǎn)生較大的齒槽矩，惡化電機(jī)運(yùn)行性能。因此，如果電機(jī)應(yīng)用于實(shí)際驅(qū)動時，必須削減齒槽轉(zhuǎn)矩，通常采用斜槽或者斜極的方法可以大幅度減少齒槽轉(zhuǎn)矩峰值。(a)2/3極結(jié)構(gòu)單相電機(jī)(b)6/8極結(jié)構(gòu)三相電機(jī)圖4-5新型FRM電機(jī)截面圖永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)(PermanentMagnetFluxSwitchingMotor，簡稱PMFS)，PMFS電機(jī)與DSPM電機(jī)類似，永磁體均位于電機(jī)的定子內(nèi)部，但是PMFS電機(jī)的磁鏈?zhǔn)请p極性的。PMFS電機(jī)與FRM電機(jī)的區(qū)別在于永磁體放置位置不同，后者的永磁體通常位于定子齒表面或者定子齒頂端。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，PMFS電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子均僅由硅鋼片疊壓而成，且轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組、端環(huán)和永磁體。此外，永磁體內(nèi)嵌于定子齒中央，整個定子齒纏繞著端部較短的集中繞組，因此PMFS電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約用銅量、端部效應(yīng)小等特點(diǎn)，以及永磁體散熱冷卻方便等優(yōu)勢。圖4-6新型PMFS電機(jī)截面圖混合勵磁永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)(HybridExcitationFluxSwitching，簡稱HEFS)，如圖4-7所示，此結(jié)構(gòu)的電機(jī)永磁體勵磁保持不變，通過改變定子上的輔助勵磁繞組中的電流方向可以實(shí)現(xiàn)對原有的永磁勵磁磁場增磁或者弱磁，其混合勵磁原理如圖4-8所示。此結(jié)構(gòu)電機(jī)不但保持了永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且加入輔助勵磁繞組后，電機(jī)磁場變得可調(diào)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于低速時，通過增磁來增大輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于高速時，通過弱磁來實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，電勵磁必須始終存在，以抵消永磁體的嚴(yán)重漏磁。圖4-7新型12210極HEFS電機(jī)截面圖圖4-8新型-12/10極HEFS電機(jī)截面圖改進(jìn)型的HEFS電機(jī)，僅僅需要減小永磁體用量，騰出少量空間安置勵磁線圈就可以，且定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均不需要調(diào)整。需要強(qiáng)調(diào)的是，電機(jī)磁鏈的調(diào)整能力可以簡單的通過改變永磁體徑向長度來實(shí)現(xiàn)。隨著永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)的研究逐步深入，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括多齒PMFS電機(jī)，多相PMFS電機(jī)，外轉(zhuǎn)子PMFS電機(jī)等方面，如圖4-9所示。圖4-9新型多齒PMFS電機(jī)截面圖隔齒繞線永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)(AlternatePolesWoundFluxSwitchingPermanentMagnetMotor，簡稱APW-PMFS)，如圖4-10所示原型PMFS電機(jī)每個定子齒均繞有集中繞組，且每四個線圈組成電機(jī)某一相，每個定子槽均包含電機(jī)某兩相的線圈；而圖4-10(a)中電機(jī)的每個定子槽僅含電機(jī)某一相的線圈，即為隔齒繞線。圖4-10(a)中的電機(jī)每相由兩個線圈組成，為保持相匝數(shù)不變，此時每個線圈的匝數(shù)改為原先的兩倍。圖4-10(b)與圖4-10(a)區(qū)別在于，去除未繞線的定子齒上的永磁體，以此分析未繞線定子齒上永磁體對電機(jī)性能的影響。研究表明，隔齒繞線可以減少電機(jī)相與相之間的電磁禍合，同時電機(jī)的性能下降很少。由于PMFS的特殊結(jié)構(gòu)，隔齒繞線會引起相磁鏈不對稱，導(dǎo)致相反電勢波形亦不對稱，因此需要通過轉(zhuǎn)子斜極削減轉(zhuǎn)矩波動。此外，移除未繞線齒上的永磁體會很大程度惡化電機(jī)性能。假如將電機(jī)定子中未繞線部分僅僅用簡單的定子齒取代(不含永磁體)，則形成下圖4-10(d)所示的“E-Core”型電機(jī)；假如將去除電機(jī)定子中未繞線部分，則形成圖4-10(c)所示的“c-core'，型電機(jī)。盡管“E-Core”和“C-Core”型PMFS電機(jī)相比較原型結(jié)構(gòu)而言，具有更高的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，然而兩者的槽開口面積相當(dāng)于原型的兩倍，引起更高的渦流損耗。同時，“E-Core”較“C-Core”而言，電機(jī)鐵耗更小。隔齒繞線的原型電機(jī)12/11或者12/13結(jié)構(gòu)的互感遠(yuǎn)小于自感，特別適合用于容錯電機(jī)。文獻(xiàn)指出“E-Core''結(jié)構(gòu)的HEFS電機(jī)的增磁能力高于其弱磁能力。一種基于“E-core”結(jié)構(gòu)的HEFS電機(jī)，如圖4-10(e)所示。原因在于，DC勵磁繞組通入弱磁電流時，定子齒部磁飽和增強(qiáng)；反之，增磁時減緩了定子齒部磁飽和現(xiàn)象(a)APWI(b)APWZ(c)E-Core(d)C-Core(e)E-Core結(jié)構(gòu)混合勵磁圖4-10新型12/10極APW-PMFS電機(jī)截面圖、磁齒輪電機(jī)磁齒輪傳動裝置屬于磁場調(diào)制式磁力傳動結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)矩密度高、運(yùn)行效率高、非接觸性力矩傳遞和過載自保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有替代機(jī)械齒輪在清潔、低溫和高空等環(huán)境中運(yùn)行的潛力。高性能稀土永磁材料在電機(jī)設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用，使得現(xiàn)代永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和運(yùn)行效率較感應(yīng)電機(jī)有了較大提高。與機(jī)械齒輪依靠主動輪和從動輪齒間的機(jī)械啦合來傳遞能量不同，如圖4-11所示，永磁齒輪是由主動輪和從動輪上的永磁體磁場之間相互精合作用而產(chǎn)生的磁力來傳遞能量，如圖4-12所示。圖4-11機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)圖4-12永磁齒輪結(jié)構(gòu)利用機(jī)械上的諧波齒輪原理提出永磁諧波齒輪結(jié)構(gòu)，如圖4-13(a)所示，相應(yīng)的機(jī)械諧波齒輪如圖4-13(b)所示，從中對比可知，永磁譜波齒輪中的定子、低速轉(zhuǎn)子和高速轉(zhuǎn)子分別對應(yīng)于機(jī)械諧波齒輪中的剛輪、柔輪和波發(fā)生器，這種永磁諧波齒輪可以達(dá)到比較高的傳動比，無轉(zhuǎn)矩波動。由于以上所述的永磁齒輪結(jié)構(gòu)在傳動過程中僅有一小部分永磁體起到傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，因而轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度都比較低，而永磁諧波齒輪在傳動過程中，有較多的永磁體對輸出轉(zhuǎn)矩效果顯著。(a)永磁諧波齒輪(b)機(jī)械諧波齒輪圖4-13諧波齒輪示意圖內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體徑向和Halbach兩種充磁方式，如圖4-14所示，采用Halbach充磁方式時磁場調(diào)制型永磁齒輪擁有較高輸出轉(zhuǎn)矩、較小的轉(zhuǎn)矩波動和較低的損耗；采用Halbach充磁方式的磁場調(diào)制型永磁齒輪，采用Halbach充磁方式的結(jié)構(gòu)可以提高轉(zhuǎn)矩密度，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，減小鐵耗，Halbach充磁方式具有優(yōu)異的性能。(a)徑向充磁(b)Halbach充磁圖4-14充磁方式示意圖采用高溫超導(dǎo)材料替代調(diào)磁鐵塊以實(shí)現(xiàn)磁調(diào)制環(huán)的磁場調(diào)制作用，如圖4-15所示，采用高溫超導(dǎo)材料后不僅可以達(dá)到磁場調(diào)制的效果，而且還有效的抑制了端部效應(yīng)對性能的影響；磁場調(diào)制型永磁齒輪采用了增強(qiáng)型磁調(diào)制環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖4-16所示，即通過內(nèi)外連接橋?qū)⒄{(diào)磁鐵塊連接起來，提高了磁調(diào)制環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度。圖4-15高溫超導(dǎo)材料磁調(diào)制環(huán)示意圖圖4-16增強(qiáng)型磁調(diào)制環(huán)示意圖永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有多種，因而磁場調(diào)制型永磁齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)也可以有多種。內(nèi)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)的磁場調(diào)制型永磁齒輪，如圖4-17(a)所示，通過與集中典型的機(jī)械齒輪相比較，樣機(jī)性能接近并超過了一些機(jī)械齒輪，證實(shí)了磁場調(diào)制型永磁齒輪廣闊的應(yīng)用前景；外轉(zhuǎn)子采用一半磁片表貼埋入式磁路結(jié)構(gòu)的磁場調(diào)制型永磁齒輪，如圖4-17(b)所示，采用此種結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子在滿足輸出轉(zhuǎn)矩需求的同時可以減少永磁體的用量。采用內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制型永磁齒輪，如圖4-17(c)所示，由于這種磁路結(jié)構(gòu)的聚磁作用，外轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)后可以提高轉(zhuǎn)矩密度，并減小了轉(zhuǎn)矩波動；通過對不同磁路結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子上增加阻尼繞組，以及對阻尼繞組放置位置的改變，對比其對動態(tài)性能影響，最終確定了內(nèi)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置徑向式磁路，并在內(nèi)轉(zhuǎn)子凸極處增加阻尼條的結(jié)構(gòu)，如圖4-17(d)所示，由于阻尼繞組的作用，有效抑制了磁場調(diào)制型永磁齒輪在加減速過程的速度震蕩，減小穩(wěn)定所需時間，因而動態(tài)性能有了明顯的改善。(a)永磁體內(nèi)置切向式內(nèi)轉(zhuǎn)子(b)一半磁片表貼埋入式外轉(zhuǎn)子(c)永磁體內(nèi)置切向式外轉(zhuǎn)子(d)永磁體內(nèi)置徑向式帶阻尼條內(nèi)轉(zhuǎn)子圖4-17不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)示意圖磁場調(diào)制型永磁齒輪和電機(jī)的徑向組合方式，如圖4-18所示，命名為外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)。這種組合方式是將外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的外轉(zhuǎn)子和永磁齒輪的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向合為一體，永磁齒輪的低速外轉(zhuǎn)子作為輸出，當(dāng)電機(jī)通電驅(qū)動外轉(zhuǎn)子時，永磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子與電機(jī)外轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，而永磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子通過減速作用驅(qū)動永磁齒輪外轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)的目的，減小了驅(qū)動系統(tǒng)的體。結(jié)合方式在結(jié)構(gòu)上與外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)異曲同工，結(jié)構(gòu)上不同的是此結(jié)構(gòu)將磁場調(diào)制型永磁齒輪置于永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，與外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)各部件位置相反，如圖4-19所示。分析的組合方式是作為一種可應(yīng)用于混合動力汽車驅(qū)動和風(fēng)力發(fā)電的電磁無級變速器，與外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)在原理上有所區(qū)別。這種電磁無級變速器一共有永磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子、磁調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子以及永磁齒輪外轉(zhuǎn)子三個旋轉(zhuǎn)部件，永磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子作為輸入，磁調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子為輸出，永磁齒輪外轉(zhuǎn)子與電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子相連作為可控轉(zhuǎn)子，當(dāng)原動機(jī)驅(qū)動永磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子時，可控通過齒輪增速作用而旋轉(zhuǎn)，電機(jī)通電，則可控轉(zhuǎn)子同時受到電磁力作用，通過對電機(jī)的控制可調(diào)節(jié)可控轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，用來調(diào)節(jié)永磁齒輪的傳動比以運(yùn)到無級變速的目的。圖4-18外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)示意圖圖4-19電磁無級變速器示意圖基于磁場調(diào)制型永磁齒輪磁場調(diào)制原理的低速電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4-20所示。這種磁場調(diào)制型低速電機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的定子交流繞組磁場來替代由內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磁場，此結(jié)構(gòu)將磁場調(diào)制型永磁齒輪的工作原理植入電機(jī)，與外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)、“Pseudo”永磁直驅(qū)電機(jī)和磁場調(diào)制型復(fù)合電機(jī)相比，在低速直驅(qū)時僅有一個轉(zhuǎn)子，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。改進(jìn)型的磁場調(diào)制型低速電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4-21所示，外轉(zhuǎn)子采用一半磁片表貼埋入式磁路結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)可以一定程度上節(jié)約永磁體的用量。圖4-20磁場調(diào)制型低速電機(jī)示意圖圖4-21改進(jìn)型磁場調(diào)制型低速電機(jī)示意圖應(yīng)用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)的雙凸極電磁減速式低速電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖4-22所示，定子包括定子鐵芯、定子繞組以及置于定子鐵芯內(nèi)部的永磁體，通過定子齒上開槽所引入的調(diào)磁齒影響氣隙磁導(dǎo)的變化而起到磁場調(diào)制的作用，外轉(zhuǎn)子為磁阻式結(jié)構(gòu)。圖4-22雙凸極電磁減速式低速電機(jī)示意圖一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子電磁減速式永磁電機(jī)，如圖4-23所示，這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)在定子齒部開槽形成調(diào)磁齒，從而引起氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，此種結(jié)構(gòu)電機(jī)比較適合風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用。引入高溫超導(dǎo)材料來實(shí)現(xiàn)氣隙磁場調(diào)制作用，如圖4-24所示，采用高溫超導(dǎo)材料后，可以明顯減小漏磁，降低損耗以及提高功率密度。圖4-23直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子電磁減速式永磁電機(jī)圖4-24采用高溫超導(dǎo)材料電磁減速式永磁電機(jī)將直流勵磁繞組置于直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子電磁減速式永磁電機(jī)的定子槽內(nèi)，如圖4-25所示，從而可以方便的對電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，此結(jié)構(gòu)電機(jī)可以方便的應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動。圖4-25磁場可控直驅(qū)式外轉(zhuǎn)子電磁減速式永磁電機(jī)示意圖五、調(diào)速器控制算法總結(jié)報告（_）、PID控制當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念，反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個理論和應(yīng)用的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID(比例(proportion)＞積分(integral)、微分(derivative))控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為u(t)=kp[e(t)+1/TIJe(t)dt+TD*de式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)(Kp，Ti和Td)即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計(jì)算PID參數(shù)。PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作得不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點(diǎn)，但簡單的PID控制器有時卻是最好的控制器。PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到接近于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后幾乎無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。（二）、滑膜控制滑?？刂疲╯lidingmodecontrol,SMC）也叫變結(jié)構(gòu)控制，本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)（如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等）有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動。由于滑動模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對應(yīng)參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)。滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平面向原點(diǎn)滑動的過程稱為滑?？刂?。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設(shè)計(jì)的切換超平面而與外界干擾沒有關(guān)系，所以滑模變結(jié)構(gòu)控制具有很強(qiáng)的魯棒性。超平面的設(shè)計(jì)方法有極點(diǎn)配置，特征向量配置設(shè)計(jì)法，最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等，所設(shè)計(jì)的切換超平面需滿足達(dá)到條件，即系統(tǒng)在滑模平面后將保持在該平面的條件。控制器的設(shè)計(jì)有固定順序控制器設(shè)計(jì)、自由順序控制器設(shè)計(jì)和最終滑動控制器設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)在以N維狀態(tài)空間模型為例，采用極點(diǎn)配置方法得到M（N<M）維切換超平面，控制器采用固定順序控制器的設(shè)計(jì)方式，首先控制器控制任意點(diǎn)到Q1超平面（M維）形成M-1階滑動模態(tài)，系統(tǒng)到達(dá)Q1超平面后由于該平面的達(dá)到條件而保持在該超平面上所以后面的超平面將是該超平面的子集；然后控制器采用Q1對應(yīng)的控制規(guī)則驅(qū)動到Q1與Q2交接的Q12平面（M-1維）得到M-2滑動模態(tài)，然后在Q12對應(yīng)的控制規(guī)則驅(qū)動下到Q12與Q3交接的Q123平面（M-2維），依次到Q123.m平面，得到最終的滑模，系統(tǒng)在將在達(dá)到條件下保持在該平面，使系統(tǒng)得到期望的性能?；？刂频膬?yōu)點(diǎn)是能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)具有很強(qiáng)的魯棒性，尤其是對非線性系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果。由于變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)算法簡單，響應(yīng)速度快，對外界噪聲干擾和參數(shù)攝動具有魯棒性，在機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也有學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用于空間機(jī)器人控制。變結(jié)構(gòu)控制作為非線性控制的重要方法近年來得到了廣泛深入的研究，其中一個重要的研究分支是抑制切換振顫，這方面已取得了不小的進(jìn)展，提出了等效控制、切換控制與模糊控制的組合模糊調(diào)整控制方法，其中等效控制用來配置極點(diǎn)，切換控制用來保證不確定外擾存在下的到達(dá)過程，模糊調(diào)整控制則用來提高控制性能并減少振顫。研究一類非線性系統(tǒng)的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，設(shè)計(jì)了滑?？刂破骱蚉I控制器的組合模糊邏輯控制器，充分發(fā)揮各控制器的優(yōu)點(diǎn)。提出了基于有限時間機(jī)理的快速Terminal滑?？刂品椒ú⒔o出了與普通Terminal滑?？刂菩阅艿谋容^。設(shè)計(jì)了針對參數(shù)不確定與外干擾的非奇異Terminal滑?？刂品椒?，并提出了分等級控制結(jié)構(gòu)以簡化控制器設(shè)計(jì)。上述這些方法在實(shí)際系統(tǒng)中雖然得到了有效應(yīng)用，但無論是自適應(yīng)滑模控制還是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，均增加了系統(tǒng)復(fù)雜性與物理實(shí)現(xiàn)難度。顯然，尋找具有良好效能并易于實(shí)現(xiàn)的控制。在系統(tǒng)控制過程中，控制器根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時狀態(tài)，以躍變方式有目的地不斷變換，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動。變結(jié)構(gòu)是通過切換函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，特別要指出的是，通常要求切換面上存在滑動模態(tài)區(qū)，故變結(jié)構(gòu)控制又常被稱為滑動模態(tài)控制。設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)基本可分為兩步：確定切換函數(shù)S(x)即開關(guān)面，使它所確定的滑動模態(tài)漸近穩(wěn)定且有良好的品質(zhì)，開關(guān)面代表了系統(tǒng)的理想動態(tài)特性。設(shè)計(jì)滑模控制器設(shè)計(jì)滑?？刂破?，使到達(dá)條件得到滿足，從而使趨近運(yùn)動(非滑動模態(tài))于有限時間到達(dá)開關(guān)面，并且在趨近的過程中快速、抖振小。、模糊控制在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題?！澳：笔侨祟惛兄f物，獲取知識，思維推理，決策實(shí)施的重要特征?！澳：北取扒逦彼鶕碛械男畔⑷萘扛?，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。Zadeh創(chuàng)立的模糊數(shù)學(xué)，對不明確系統(tǒng)的控制有極大的貢獻(xiàn)，自七十年代以后，一些實(shí)用的模糊控制器的相繼出現(xiàn)，使得我們在控制領(lǐng)域中又向前邁進(jìn)了一大步，下面本文將對模糊控制理論做一番淺介。模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)簡稱模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首次根據(jù)模糊控制語句組成模糊控制器，并將它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，獲得了實(shí)驗(yàn)室的成功。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是日本，得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。近20多年來，模糊控制不論在理論上還是技術(shù)上都有了長足的進(jìn)步，成為自動控制領(lǐng)域一個非常活躍而又碩果累累的分支。其典型應(yīng)用涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制。模糊控制以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，同時與自適應(yīng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相結(jié)合，在控制領(lǐng)域得到了空前的應(yīng)用。?Fuzzy-PID復(fù)合控制Fuzzy-PID復(fù)合控制將模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合，達(dá)到較高的控制精度。當(dāng)溫度偏差較大時采用Fuzzy控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時采用PID控制，靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)控制精度。因此它比單個的模糊控制器和單個的PID調(diào)節(jié)器都有更好的控制性能。?自適應(yīng)模糊控制這種控制方法具有自適應(yīng)自學(xué)習(xí)的能力，能自動地對自適應(yīng)模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改和完善，提高了控制系統(tǒng)的性能。對于那些具有非線性、大時滯、高階次的復(fù)雜系統(tǒng)有著更好的控制性能。?參數(shù)自整定模糊控制也稱為比例因子自整定模糊控制。這種控制方法對環(huán)境變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在隨機(jī)環(huán)境中能對控制器進(jìn)行自動校正，使得控制系統(tǒng)在被控對象特性變化或擾動的情況下仍能保持較好的性能。?專家模糊控制EFC（ExpertFuzzyController）模糊控制與專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了模糊控制器智能水平。這種控制方法既保持了基于規(guī)則方法的價值和用模糊集處理帶來的靈活性，同時把專家系統(tǒng)技術(shù)的表達(dá)與利用知識的長處結(jié)合起來，能夠處理更廣泛的控制問題。?仿人智能模糊控制IC算法具有比例模式和保持模式兩種基本模式的特點(diǎn)。這兩種特點(diǎn)使得系統(tǒng)在誤差絕對值變化時，可處于閉環(huán)運(yùn)行和開環(huán)運(yùn)行兩種狀態(tài)。這就能妥善解決穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性的矛盾，較好地應(yīng)用于純滯后對象。?神經(jīng)模糊控制（Neuro-FuzzyControl）這種控制方法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用了模糊邏輯具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性知識表達(dá)能力，即描述系統(tǒng)定性知識的能力、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力以及定量數(shù)據(jù)的直接處理能力。?多變量模糊控制這種控制適用于多變量控制系統(tǒng)。一個多變量模糊控制器有多個輸入變量和輸出變量。（四）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetworks，簡寫為ANNs）也簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）或稱作連接模型（ConnectionModel）,它是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)科中的一個重要部分，用來classification或者regressiono思維學(xué)普遍認(rèn)為，人類大腦的思維分為抽象（邏輯）思維、形象（直觀）思維和靈感（頓悟）思維三種基本方式。邏輯性的思維是指根據(jù)邏輯規(guī)則進(jìn)行推理的過程；它先將信息化成概念，并用符號表示，然后，根據(jù)符號運(yùn)算按串行模式進(jìn)行邏輯推理；這一過程可以寫成串行的指令，讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行。然而，直觀性的思維是將分布式存儲的信息綜合起來，結(jié)果是忽然間產(chǎn)生想法或解決問題的辦法。這種思維方式的根本之點(diǎn)在于以下兩點(diǎn)：①信息是通過神經(jīng)元上的興奮模式分布存儲在網(wǎng)絡(luò)上；②信息處理是通過神經(jīng)元之間同時相互作用的動態(tài)過程來完成的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是模擬人思維的第二種方式。這是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。雖然單個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)極其簡單，功能有限，但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)