新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析研究

陳 剛

(東營華聯(lián)石油化工廠有限公司，山東 東營 257200)

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新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析研究

陳 剛

(東營華聯(lián)石油化工廠有限公司，山東 東營 257200)

在原有電勵(lì)磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種全新結(jié)構(gòu)的無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，對該電機(jī)模型與設(shè)計(jì)原理展開探討，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的有限元分析，希望能夠有效驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的可靠性與可行性。

新結(jié)構(gòu)；無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)；有限元分析；設(shè)計(jì)

筆者提出一種新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，其優(yōu)勢在于取消了電機(jī)結(jié)構(gòu)中的電刷與滑環(huán)，不僅降低了電機(jī)的日常維護(hù)量，還降低了在爆炸性氣體環(huán)境中的使用事故率，以更好地滿足各行業(yè)的安全性應(yīng)用需求。本文進(jìn)一步剖析了新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)工作，分析其可靠性與合理性。

1 新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)模型與設(shè)計(jì)原理

筆者在原有電勵(lì)磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種全新結(jié)構(gòu)的無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，去掉了轉(zhuǎn)子側(cè)結(jié)構(gòu)上的電刷與滑環(huán)，不僅有效簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，還更利于電機(jī)的日常維護(hù)工作。

基于YZR180L-6三相繞組式異步電機(jī)改造的新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，具體參數(shù)如表1。

由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)整流器組合而成的新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子鐵心、定子單相勵(lì)磁繞組及定子三相功率繞組在定子側(cè)中。轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)繞組、轉(zhuǎn)子直流繞組、旋轉(zhuǎn)整流器在轉(zhuǎn)子側(cè)中。轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)集中繞組加入與轉(zhuǎn)子外圓周和定子線槽相對應(yīng)的同寬度的開槽位置中。

表1 新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)Tab.1 New structure brushless electro magnetic synchronous motor

新結(jié)構(gòu)無刷同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是36槽，有6組并聯(lián)在一起的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。在轉(zhuǎn)軸上固定有旋轉(zhuǎn)整流器，旋轉(zhuǎn)整流器的輸入端與輸出端分別連接著轉(zhuǎn)子交流感繞組的輸出端及轉(zhuǎn)子直流繞組。利用線徑為0.95 mm的銅線，通過繞制而形成的定子單相勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子單相感應(yīng)繞組，分別為63匝、68匝。

圖1 新型無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Stator core general structure diagram of new structure brushless electro magnetic synchronous motor

無刷同步電機(jī)的勵(lì)磁電路原理如圖2所示。將單相交流電壓加入定子單相勵(lì)磁繞組中，此時(shí)交流電流流過繞組，會(huì)在電機(jī)磁路中形成交變磁場。定子單相勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)繞組在交變磁場會(huì)的作用下進(jìn)行環(huán)鏈，變壓器電勢會(huì)在轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)繞組中產(chǎn)生，需要注意的是，電勢大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系，只取決于單相勵(lì)磁繞組的輸入電壓。通過旋轉(zhuǎn)整流器，能夠直接將轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)繞組輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，從而為轉(zhuǎn)子直流繞組、同步電機(jī)提供直流勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)子恒定磁場。定子單相勵(lì)磁繞組的交流電壓與同步電機(jī)轉(zhuǎn)子直流繞組勵(lì)磁電壓成正比，可對同步電機(jī)無刷勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

圖2 無刷同步電機(jī)的勵(lì)磁電路圖Fig.2 Excitation circuit of brushless synchronous motor

在不考慮磁路飽和條件的情況下，該種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)具有很大優(yōu)勢，無論是定子的三相繞組與單相勵(lì)磁繞組，還是轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組與交流感應(yīng)繞組之間都不存在任何的耦合關(guān)系，且不會(huì)在對方繞組中感應(yīng)到交流電勢、產(chǎn)生交流電流，同時(shí)，該設(shè)計(jì)大大簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，更有利于日常維護(hù)。

2 新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的有限元分析

在新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁性計(jì)算上，可以運(yùn)用Ansoft軟件與有限元分析方法，對比計(jì)算結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果，從而確定新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的可靠性與可行性。

定子繞組加三相對稱交流電，通過外電路對轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組施加直流激勵(lì)，其網(wǎng)格剖分如圖3所示。在空載條件下，可以利用Maxwell 2D得到電勵(lì)磁同步機(jī)的磁力線分布圖，如圖4所示。我們可以清楚地看到，新結(jié)構(gòu)無刷同步電機(jī)的電磁性能與實(shí)際電機(jī)所需性能相符，因此，該設(shè)計(jì)合理、可靠。

圖3 電勵(lì)磁同步電機(jī)網(wǎng)格剖分Fig.3 Mesh generation of electro magnetic synchronous motor

圖4 磁力線分布圖Fig.4 Magnetic line of force distribution diagram

通過有限元分析，我們可以得到額定負(fù)載情況下同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線圖，如圖5所示。如果分別將電機(jī)負(fù)載設(shè)定為0、0.5TL、TL，那么可以清楚地看到電子電樞繞組中的電流是三相對稱電流，電流幅值十分穩(wěn)定，也進(jìn)一步說明了新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)運(yùn)行十分穩(wěn)定。因?yàn)槎ㄗ与姌欣@組中的電流有效值大小能夠隨著同步電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加而不斷增加，所以，也滿足了隱極式同步電機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)遵循的電磁轉(zhuǎn)矩公式。

圖5 額定負(fù)載時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線Fig.5 Torque curve of synchronous motor with rated load

3 結(jié)語

筆者闡述了新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)原理，利用Ansoft軟件對新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算和有限元分析，說明該電機(jī)的設(shè)計(jì)較為可靠合理，可以深入研究，進(jìn)一步完善后，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

[1] 胡堃，鄧先明，何鳳有.新結(jié)構(gòu)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，(01)：102-103.

[2] 張鳳閣，賈廣隆，鄭陽，等.無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對比分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，(04)：88-89.

[3] 賈廣隆.復(fù)合轉(zhuǎn)子定子電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2016.

[4] 甄文歡.電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 符慧，干興業(yè)，朱姝姝，等.感應(yīng)勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，(08)：12.

[6] 寧銀行，劉闖，干興業(yè).兩級式無刷混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，(03)： 67-68.

[7] 趙昀武.無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

[8] 胡堃.新型無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

Design and analysis of new structure brushless electro magnetic synchronous motor

CHEN Gang

(Dongying Hualian Petrochemical Co., Ltd., Dongying 257200, China)

On the basis of the original electric magnetic synchronous motor, a new structure of brushless electro magnetic synchronous motor is proposed. The model and design principle of the motor are discussed. At the same time, the relevant finite element analysis is carried out, hoping to validate the reliability and feasibility of the new structure brushless electro magnetic synchronous motor.

New structure; Brushless electro magnetic synchronous motor; Finite element analysis; Design

2016-12-28

陳剛(1974-)，男，技師。

TM341

A

1674-8646(2017)04-0146-02