北京永光高特微電機有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新聞詳情

無刷交流勵磁機電磁設計軟件開發及有限元分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:580

   摘要:基于電機設計基本原理,形成了一套完整的無刷交流勵磁機的電磁設計程序,并針對此電磁設計程序,利用Visual Basic 6.0為工具,開發了基于數據庫管理系統的無刷交流勵磁機的設計軟件,并用一系列電機產品進行檢驗,程序運行可靠,達到預期結果。運用MaXweU 2D對樣機的磁場進行了分析。

1引  言

   勵磁系統的好壞直接影響到交流同步發電機的性能和運行質量,因此交流同步發電機的勵磁系統的設計和開發一直都是各國學者長期以來關注的焦點。20世紀60年代末、70年代初出現的無刷勵磁方式引起了人們的廣泛關注。一般說來,無刷交流勵磁發電機由兩臺電機組成,即主發電機和交流勵磁機(原理圖如圖1所示)。對主發電機而言,將同

軸的交流勵磁機設計成旋轉電樞式,并將硅整流橋也固定在此電樞上一起旋轉,就組成了旋轉半導體勵磁系統,從而完全省去集電環、碳刷等滑動裝置,形成了無刷勵磁系統。

   這種無刷勵磁發電機沒有磨損的碳粉和銅末所引起的污損,其絕緣的使用壽命比較長;沒有帶電接觸情況,不會產生火花,所以它能適應于有易燃氣體的惡劣環境中運行;省去了對電刷、集電環或換相器的繁瑣的維護工作,并且還提高了發電機的運行可靠性。

    圖1  旋轉整流器式無刷發電機原理圖

   本文將對無刷交流同步發電機的交流勵磁機(以下簡稱無刷交流勵磁機)的設計特點進行分析,并介紹了根據此類電機的設計特點開發的電磁設計軟件,最后用有限元分析的方法對此設計軟件的準確性進行了分析。

2無刷交流勵磁機的設計特點

   無刷交流勵磁機是一個旋轉電樞式交流同步發電機。但由于它的工作特點和負載的特殊性,使它與一般的交流同步發電機大小不一樣,因此在設計上有許多特點。

2.1交流勵磁機的磁路設計

   一般同步發電機在允許負載范圍內變化時,其輸出電壓都要求維持不變。但交流勵磁機輸出電壓隨主發電機負載及工作溫度變化而大幅度變化著,相應交流勵磁機的感應電勢也應是大幅度變化的。這就是交流勵磁機的負載特點。

因此為滿足主發電機的最大強勵要求,交流勵磁機的額定工作狀態的磁路工作點就必須處在空載特性曲線的線性部分(圖2中H點部分),即交流勵磁機的額定工作狀態時的磁密要取得很低。所以交流勵磁機磁性材料的利用率極低,同容量的交流勵磁機的體積遠比一般同步發電機大,重量也重。

   圖2空載特性

2.2換相角問題

   無刷交流同步發電機的勵磁機,實質上是一臺交流發電機。它的輸出經過旋轉整流器整流后輸入至主發電機的勵磁繞組勵磁。由于交流勵磁機的電樞繞組的負載是一個經旋轉整流器供電的大電感(主發電機的勵磁繞組),加之由于電樞繞組的內電抗的存在,使旋轉整流器換相時,電流不能突變,產生了換相角γ。這些使交流勵磁機的輸出相電壓、相電流波形發生了畸變,這就使無刷交流勵磁機的設計與一般交流發電機有所不同。

在設計前應首先估計換相角γ,對于三相全波整流,換相角可估計在4左右。

交流勵磁機相電勢有效值: (1)

其中:△u一整流元件正向壓降,一般取0.5V;

       n一每臂串聯的整流元件數。

   交流勵磁機相電流有效值:    (2)

其中:

   交流勵磁機視在功率:Ps = mEI   (3)

通過上述計算,就將無刷交流勵磁機經由旋轉整流器輸出的直流負載量折算為勵磁機的交流輸出量。以后的設計程序就可以按一般的交流同步發電機的電磁設計程序進行了。

2.3交流勵磁機的電樞反應

由于交流勵磁機的負載是一個大電感,能使直流輸出電流,d保持恒定,加之由于換相角γ的存在,結果使交流勵磁機相電流波形與正弦波相差很大。在計算電樞反應時,應首先算出基波電流Ia,其他諧波在分析時不予考慮,然后在計算出電樞反應磁勢Fa。同時,由于相電流,與相電勢U之間還產生了相位移,出現了功率因數的問題。

電樞電流基波分量的有功分量有效值:   (4)

電樞電流基波分量的無功分量有效值:  (5)

電樞電流基波分量有效值:  (6)

功率因數角:   (7)

功率因數:

電樞反應磁勢: (8)

2.4較小的短路比

為了提高交流勵磁機的勵磁電流的瞬時靈敏度,縮短勵磁機的時間常數,設計時盡量選用較小的短路比。此外,較小的短路比表示直軸同步電抗Xd較大,這樣,在旋轉整流器的整流管出現短路的情況下,可使短路電流不致過大,對其它整流管就起到了保護作用。

 但是較大的直軸同步電抗X會使得換相電抗Xd增大,從而造成換相角變大,最終造成功率因數下降。

 實際計算得出的換相角: (9)

2.5較高的頻率

交流勵磁機的頻率為主發電機頻率的3倍左右,這樣可以提高勵磁的反應速度,使勵磁機有較小的時間常數。提高交流勵磁機頻率的措施是增加交流勵磁機的極對數。極對數增加,可使勵磁繞組的每極匝數減少,從而使時間常數得到有效減少。

頻率的提高必然會造成鐵損的增加,因此為了降低鐵損,應優先選用冷軋鋼片。

3無刷交流勵磁機電磁計算程序的開發

本軟件是在Windows平臺上開發,采用Mi-CrOSOft Access數據庫、Excel電子表格,利用VisualBasic 6.0編寫的。適用于Windows 95以上的操作系統,視窗化設計,全漢化界面,實現了無刷交流勵磁機的電磁計算設計,電機空載性能曲線繪制,數據庫管理,報表打印等功能,使人機交流十分方便,大大縮短了電機設計周期,提高了工作效率。電磁計算程序設計的流程框如圖3所示。

    圖3無刷交流勵磁機電磁計算程序流程圖

4有限元分析

有限元法是一種數值分析方法。它首先用在力學方面,20世紀50年代已有人提出基本思想。50年代以后由于大型計算機的產生和發展,這一方法得到了迅速發展。60年代中期引入電機電磁場領域。近年來已廣泛用于計算電機二維渦流場及飽和場,并開始用于計算電機端部三維磁場,變壓器三維漏磁場及渦流場,電機三維溫度場,以及電機瞬變場等。

Ansoft公司的Maxwell 2D是專門為工程技術人員進行電機電磁場分析以及新型電磁裝置電磁場分析所開發的。利用Maxwell 2D可以準確建立一個電機的物理模型,它提供了一個強大的材料庫,可以給模型的各個部分準確地賦予相應的材料,并可以以函數的形式表達每相的激勵源。利用Maxwell 2D對電機進行磁場分析,可以驗證所設計電機的參數,從而進行優化設計,進而得到更好的磁場分布,使電機的效率能達到最佳。以下是運用Maxwell 2D.對一臺無刷交流勵磁機的靜態磁場分析的結果。圖4是空載時電機的磁通情況。

 圖4電機的靜態磁場分布

在MaxweU 2D的后處理里,可以得到施加勵磁繞組激勵時空載靜態氣隙磁密的分布。圖5為一個電周期內的空載氣隙磁密的波形圖。由于定子開槽造成了波形出現了鋸齒狀。

   圖5空載氣隙磁密波彤

同時還可以對氣隙磁密波形進行Fourier分析,可以得到氣隙磁密的基波和各次諧波的幅值,比較哪次諧波的幅值高,從而通過改進電機設計來削弱此次諧波。圖6為Fourier的分析結果,可見本樣機的設計還是比較合理的。

   圖6氣隙磁密中的諧波分布情況

5結論及算例

 將上述無刷交流勵磁機電磁計算程序流程圖用visual Basic 6.0語言編成的計算機程序,并用一系列電機產品進行檢驗,程序運行穩定可靠,計算達到預期結果,說明此軟件的設計是成功的。以下是用一臺SFWS00—6/990無刷交流勵磁機數據對程序進行檢驗的計算結果,該電機的額定數據為:Ud=3 1 V,Id=239 A,n=1000 r/min,相數為3。

  表1  電機的主要輸出數據

此臺電機的空載特性曲線圖7所示,圖中的橫坐標Ir和縱坐標U均為標么值。

 圖7空載特性

從表1中可以看出,短路比較低時,功率因數很低;同時電機的磁密都很低,符合交流勵磁機的特點。利用Maxwell2D對該樣機的磁場進行分析也達到了預期的結果。

聯系方式
 
 
 工作時間
周一至周五 :8:00-17:00
 聯系方式
于海騰:010-83971821
姜宇:010-83510840
周圍:010-61402950
欧美最猛性XXXXX潮喷| 午夜DJ影院免费视频观看完整版| JEALOUSVUE日本成熟50MAOFF| 99久久精品免费看国产| 手机在线看永久AV片免费| 很黄很爽的成人免费视频| 日本被黑人强伦姧人妻完整版|