新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機的設(shè)計與分析研究

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)無刷電勵磁同步電機的設(shè)計與分析研究

陳 剛

(東營華聯(lián)石油化工廠有限公司，山東 東營 257200)

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

新結(jié)構(gòu)；無刷電勵磁同步電機；有限元分析；設(shè)計

筆者提出一種新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機，其優(yōu)勢在于取消了電機結(jié)構(gòu)中的電刷與滑環(huán)，不僅降低了電機的日常維護量，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。本文進一步剖析了新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機的設(shè)計工作，分析其可靠性與合理性。

1 新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機模型與設(shè)計原理

筆者在原有電勵磁同步電機的基礎(chǔ)上，提出一種全新結(jié)構(gòu)的無刷電勵磁同步電機，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結(jié)構(gòu)，還更利于電機的日常維護工作。

基于YZR180L-6三相繞組式異步電機改造的新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機，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)無刷電勵磁同步電機，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子鐵心、定子單相勵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)無刷電勵磁同步電機Tab.1 New structure brushless electro magnetic synchronous motor

新結(jié)構(gòu)無刷同步電機的轉(zhuǎn)子是36槽，有6組并聯(lián)在一起的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。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 新型無刷電勵磁同步電機的定轉(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

無刷同步電機的勵磁電路原理如圖2所示。將單相交流電壓加入定子單相勵磁繞組中，此時交流電流流過繞組，會在電機磁路中形成交變磁場。定子單相勵磁繞組與轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)繞組在交變磁場會的作用下進行環(huán)鏈，變壓器電勢會在轉(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)速沒有關(guān)系，只取決于單相勵磁繞組的輸入電壓。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、同步電機提供直流勵磁電壓與轉(zhuǎn)子恒定磁場。定子單相勵磁繞組的交流電壓與同步電機轉(zhuǎn)子直流繞組勵磁電壓成正比，可對同步電機無刷勵磁實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

圖2 無刷同步電機的勵磁電路圖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)計結(jié)構(gòu)的無刷電勵磁同步電機具有很大優(yōu)勢，無論是定子的三相繞組與單相勵磁繞組，還是轉(zhuǎn)子的勵磁繞組與交流感應(yīng)繞組之間都不存在任何的耦合關(guān)系，且不會在對方繞組中感應(yīng)到交流電勢、產(chǎn)生交流電流，同時，該設(shè)計大大簡化了電機結(jié)構(gòu)，更有利于日常維護。

2 新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機的有限元分析

在新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機的電磁性計算上，可以運用Ansoft軟件與有限元分析方法，對比計算結(jié)果與實體試驗結(jié)果，從而確定新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機的可靠性與可行性。

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

圖3 電勵磁同步電機網(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載情況下同步電機轉(zhuǎn)矩曲線圖，如圖5所示。如果分別將電機負載設(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，也進一步說明了新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機運行十分穩(wěn)定。因為定子電樞繞組中的電流有效值大小能夠隨著同步電機負載轉(zhuǎn)矩的增加而不斷增加，所以，也滿足了隱極式同步電機在運行過程中應(yīng)遵循的電磁轉(zhuǎn)矩公式。

圖5 額定負載時同步電機的轉(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)無刷電勵磁同步電機的設(shè)計原理，利用Ansoft軟件對新結(jié)構(gòu)無刷電勵磁同步電機性能進行計算和有限元分析，說明該電機的設(shè)計較為可靠合理，可以深入研究，進一步完善后，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

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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