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        紡織機用高效電機的研究

        2013-08-22 01:35:08
        科技視界 2013年23期
        關鍵詞:無刷電機硅鋼片磁密

        唐 雷

        (深圳航天微電機有限公司,廣東 深圳 518055)

        0 引言

        紡織行業(yè)普遍使用變頻調速感應電機,由于感應電機原理決定:其啟動、低速時高效低下,能耗非常高。本項研究的是針對紡織行業(yè)應用需求進行,開發(fā)一種成本較低的節(jié)能型紡織機用調速電機。

        1 現(xiàn)行電機概況及設計目標。

        現(xiàn)需要我們設計一臺無刷電機,用于取代現(xiàn)行的感應電機,且要求效率提升5%,低速運行平穩(wěn)。

        感應電機Y100L1-4主要數據:

        額定轉速1450RPM

        額定功率2.2kW

        電機本體效率≥82%

        無刷電機設計目標:

        額定轉速1450RPM

        額定功率2.2kW

        電機本體效率≥86.1%(83%x1.05)

        2 無刷電機基本原理、公式

        三相無刷電機運轉時,其電壓平衡方程為:

        電機轉速方程為:

        U為電源電壓;△U為驅動電路壓降;Iav電樞電流;rav電樞電阻KE電機電勢常數。

        轉矩平衡方程為:

        電機的主要尺寸與工作點的線負荷、氣隙磁密有關。其公式為:

        Di1電子內徑,l計算長度,nN額定轉速,P′計算功率,αp極弧系數,KΦ氣隙磁場波形系數,Kw基波繞組系數,B0氣息磁密,A電負荷。

        主要尺寸與工作點的線負荷、氣隙磁密相關。其中線負荷又由負載方式和散熱條件來確定,如果為短時運行或加強的散熱條件,可取大值,否則將要適當的取小。氣隙磁密則根據所選永磁體材料,磁鋼的布局結構來取值,如果是釹鐵硼,一般取0.5~0.75b0。

        3 主要設計方案

        本研究以現(xiàn)行感應電機Y100L1-4作為參照。其主要數據為:效率82.0%,定子外徑155.0mm,定子長度105.0mm,銅線重2.5kg,硅鋼片重量16.4kg。

        本研究設計無刷電機對比了典型的圓柱方案、盤式方案;并對主要影響電機性能、成本、尺寸的轉子永磁材料,分別對比了稀土釹鐵硼磁體永磁體以及鐵氧體磁體。交叉形成四個對比方案,四種方案均做了電磁優(yōu)化。

        本研究設計方案的目的是為了驗證各種典型材料、設計方案,對效率提升的效果、以及這些設計方案對材料消耗、成本影響的情況。如下圖,由上至下分別是方案A、B、C、D。

        圖1

        方案A:采用燒結鐵氧體磁鐵,1型磁極(表貼)。圓柱結構,外形尺寸同三相異步電機Y100L1-4。由于轉子較小,工藝原因造成磁極不能太多,更不沒法采用內嵌磁極等其他提高功率密度的方案。計算結果:效率83.7%,定子外徑155.0mm,定子長度105.0mm,銅線重1.6kg,硅鋼片重量16.4kg。

        方案B:采用燒結釹鐵硼磁鐵,1型磁極(多極磁環(huán))。圓柱結構,外形尺寸同三相異步電機Y100L1-4(長度略短)。計算結果:效率83.4%,定子外徑155.0mm,定子長度58.0mm,銅線重0.8kg,硅鋼片重量7.8kg。

        方案C:采用燒結釹鐵硼磁鐵,1型磁極(表貼)。其余結構尺寸基本同下面方案D。計算結果:效率89%,定子外徑237mm,定子長度22mm,銅線重0.6kg,硅鋼片重量6.3kg。

        方案D:考慮成本低廉,永磁體優(yōu)選燒結鐵氧體,4型磁極。同時,為了低速平穩(wěn),選用了多磁極的方案。由于磁極較多,轉子直徑較大,電機設計成扁平盤式結構。效率88%,定子外徑237mm,定子長度22mm,銅線重0.9kg,硅鋼片重量6.3kg。

        4 試驗、驗證

        本研究按方案A、方案D制作驗證樣機:

        圖2

        經過測量、試驗,得出結論是方案D具有最優(yōu)的成本、節(jié)能的優(yōu)勢。與參照感應電機Y100L1-4相比:額定效率達到87.1%,提升6.2%。 用銅量 0.96kg,節(jié)約 62%。 用鐵量(硅鋼片重量)6.45kg,節(jié)約61%。

        5 結論

        無刷電機取代千瓦級感應電機+變頻器系統(tǒng),采用無刷電機,若稀土磁體,雖然磁體成本很高,但是氣隙磁密提升后(約0.8t),功率密度較高,總體成本還是下降。但使用鐵氧體磁體時,如果采用表貼磁體氣隙磁密較低(約0.4t),功率密度不高,總體成本反而上升;如果采用嵌入式磁體,因為大幅提升了氣隙磁密(約0.8t),總成本比稀土磁鐵的電機還低20~30%。

        6 結束語

        本研究設計的無刷電機,顯著提高了效率,同時對銅鐵等材料的用量還能做到大幅節(jié)省。推廣使用將有較好的經濟效益及社會效益。

        [1]郭慶鼎,趙希梅.直流無刷電動機原理與技術應用[M].中國電力出版社,2008.

        [2]The Mathworks.SIMULINK Model-Based and System-Based Design,Writing S-Functions[M].Version 5 COPYRIGHT 1998-2002 by The MathWorks,Inc.

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