倪有源,趙 亮,陳 浩
(合肥工業(yè)大學,合肥 230009)
隨著人們越來越追求高品質(zhì)的生活,電動工具和家用小電器的需求也大幅度提高。單相串勵電機由于調(diào)速方便且調(diào)速范圍較寬,容易實現(xiàn)無級調(diào)速,具有較好的恒功率特性,并具有高轉(zhuǎn)速比、起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高和體積小等特點,被廣泛用于吸塵器、攪拌機、吹風機、滾筒洗衣機等家用電器以及電動工具中,更是世界上用量最多的電動機之一[1-2]。因此對單相串勵電動機的研究具有重要的工程價值。
國內(nèi)外學者對單相串勵電動機的設(shè)計與優(yōu)化展開了廣泛的研究[3-6],對控制系統(tǒng)也展開了研究[7]。用有限元方法對單相串勵電動機的電阻和電感進行了分析[8]。而對于該類電機穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能分析研究卻十分匱乏。本文首先利用Ansys RMxprt軟件,基于等效磁路法對一臺79 W食物攪拌機用單相串勵電動機進行了分析,得出了電機穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。然后利用Ansys Maxwell 2D軟件,采用二維瞬態(tài)有限元法優(yōu)化定子的結(jié)構(gòu),確定了電機的結(jié)構(gòu),并得出電機瞬態(tài)性能參數(shù)和電機起動過程曲線。接著,利用Ansys Maxwell 2D軟件精確得出各項鐵耗,并與3D計算結(jié)果進行比較,二者計算結(jié)果接近。最后對電機進行性能測試。電機實測結(jié)果與計算結(jié)果的一致性驗證了計算結(jié)果的正確性。
單相串勵電動機的模型如圖1所示。
圖1 單相串勵電動機模型
單相串勵電動機屬于交、直流兩用電動機,既可以使用交流電源工作,也可以使用直流電源工作,其等效電路如圖2所示。
單相串勵電動機的電壓方程:
式中:u為端電壓;ef和ea分別為激磁繞組和電樞繞組的感應(yīng)電動勢;ra和rf分別為激磁繞組和電樞繞組的電阻;La0和Lf0分別為激磁繞組和電樞繞組的漏感;r1~r6分別為理想接觸情況下的電刷與換向片接觸電阻;i1~i6分別為通過與電刷接觸的換向片電流;es1~es4為短路線圈的感應(yīng)電動勢;r1~r3為電刷與換向器之間的接觸電阻;is1~is6是短路線圈電流;rs1~rs3為短路線圈電阻;Ls1~Ls4為線圈端部漏感。
圖2 單相串勵電動機的等效電路
根據(jù)斯托克斯定理,可得:
式(1)至式(5)中的感應(yīng)電動勢e可先由磁矢位A對時間t求導,再對閉合路徑的線積分獲得,即
單相串勵電動機的等效磁路如圖3所示。圖中Rs、Rr、Rδ、Rσ分別為定子磁阻、轉(zhuǎn)子磁阻、氣隙磁阻和漏磁阻;Φd、Φσ、Φδ分別為勵磁磁通、漏磁通和主磁通;Fm和Fa分別為勵磁磁動勢和電樞磁動勢。電樞反應(yīng)取決于電刷位置和旋轉(zhuǎn)方向。
圖3 單相串勵電動機的等效磁路
由磁路的歐姆定律可得單相串勵電動機的磁路方程:
電機的額定數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 電機的額定數(shù)據(jù)
單相串勵電動機的功率方程:
式中:P1為輸入功率;P2為輸出功率;pcu1和pcu2分別為定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗;pfe1和pfe2分別為定子鐵耗和轉(zhuǎn)子鐵耗;pfw為風摩損耗;pb為電刷壓降損耗。
表2列出了電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。電機定轉(zhuǎn)子鐵心均采用牌號為50W470的硅鋼片。
表2 電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
由式(10)和式(11),用等效磁路法計算可得電機額定負載時的部分穩(wěn)態(tài)性能參數(shù),如表3所示,其他部分參數(shù)列于后面的表6中。
表3 等效磁路法計算得到電機的穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)
圖4是電機兩種不同的定子結(jié)構(gòu)圖,圖4(b)中定子比圖4(a)的多開了2個小槽。
圖4 兩種不同定子結(jié)構(gòu)圖
采用二維瞬態(tài)有限元法分析計算,可得電磁轉(zhuǎn)矩的平均值、基波值以及脈動值,如表4所示。
表4 不同定子結(jié)構(gòu)的電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)
由表4可以看出,采用圖4(b)的定子結(jié)構(gòu),不僅可增加一定的電磁轉(zhuǎn)矩平均值和基波值,而且可以減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動。因此,本文采用圖4(b)的定子結(jié)構(gòu)。
在二維有限元中,磁矢位A在求解域內(nèi)滿足的矢量泊松方程:
式中:v為磁導率;A為磁矢位;J0為電樞電流的電流密度;Js1~Js4分別為圖2中電流is1~is4的線圈短路電流的電流密度。
電機運行在恒定轉(zhuǎn)速下,電機的旋轉(zhuǎn)電角度:
式中:ω為電機的旋轉(zhuǎn)角速度。
采用瞬態(tài)有限元法聯(lián)立求解式(1)至式(5),可得磁矢位A和電流i。進而可得磁感應(yīng)強度B=rot A;最后對求解域中每個單元求解偏微分方程,即可獲得整個電機磁場分布。
運用有限元軟件進行分析,可得電機氣隙徑向磁密波形,如圖5所示。電機定轉(zhuǎn)子鐵心的磁密矢量分布如圖6所示。
圖5 氣隙徑向磁密波形圖
圖6 定轉(zhuǎn)子鐵心的磁密矢量分布
采用二維瞬態(tài)有限元法進行電機計算,可得電磁轉(zhuǎn)矩波形,如圖7所示。電機的輸入電流波形如圖8所示。電機的輸入功率波形如圖9所示。通過對這些曲線進一步分析,可以得到電磁轉(zhuǎn)矩平均值、輸入電流有效值以及輸入功率平均值等參數(shù)。由式(10)和式(11)??梢赃M一步獲得電機效率等參數(shù)。
圖7 電機的電磁轉(zhuǎn)矩波形
圖8 電機的電流波形
圖9 電機的輸入功率波形
考慮到起動過程,單相串勵電動機的機械運動方程:
式中:J為轉(zhuǎn)動慣量;Rω為阻尼系數(shù);TL為負載轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩方程:
式中:CT為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù);φ(t)為每極磁通;Ia(t)為電樞電流。起動過程的阻尼系數(shù):
式中:n為轉(zhuǎn)速。
由式(14)和式(15),利用二維有限元方法,計算可得到電機的起動過程,如圖10所示。
圖10 電機的起動過程
單相串勵電動機的損耗包括定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的損耗[9]、激磁繞組和電樞繞組的銅耗、換向器損耗、電刷壓降損耗以及風摩損耗等。其中銅耗可計算得出。而精確獲得定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的損耗至關(guān)重要。利用有限元法求解磁場,結(jié)合實際模型可以得到徑向磁場和切向磁場的各次諧波幅值[10]。鐵心各項損耗可由式(18)獲得,風摩損耗可由經(jīng)驗值獲得。
式中:Kh為磁滯損耗系數(shù);Kc為渦流損耗系數(shù);Ke為附加損耗系數(shù);Bmax為磁密最大值;f為輸入電流的頻率。
由式(18),采用二維瞬態(tài)有限元法計算獲得的各項鐵耗參數(shù)如表5所示。
為了驗證2D有限元法計算得到的各項鐵耗值的準確性,可采用3D有限元法計算。
在三維有限元中,磁場的基本方程[11]:
采用三維瞬態(tài)有限元法,計算得到電機的定轉(zhuǎn)子鐵心損耗分布分別如圖11和圖12所示。
圖11 定子鐵耗分布圖
圖12 轉(zhuǎn)子鐵耗分布圖
從表5中可以看出,二維有限元法與三維有限元法計算的各項鐵耗基本一致。
表5 2D FEM和3D FEM得到電機各項鐵耗
圖13為電機定轉(zhuǎn)子實物照片。
目前,單相串勵電動機性能測試主要使用各種力矩測試系統(tǒng),可在電機輸出端直接耦合標定的加載轉(zhuǎn)矩,從而測出電機的性能[12]。圖14為該電機的測試系統(tǒng)。在額定負載下,測試結(jié)果與幾種方法計算結(jié)果分別列于表6中。可以看出,實測結(jié)果與計算結(jié)果具有較好的一致性。
圖13 電機定轉(zhuǎn)子實物
圖14 電機測試系統(tǒng)
表6 電機額定負載時計算值與實測值
本文分別采用等效磁路法和瞬態(tài)有限元法分析與研究了一臺食物攪拌機用單相串勵電動機穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能。首先采用等效磁路法對電機進行分析,得出了電機穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。接著采用二維瞬態(tài)有限元法優(yōu)化定子結(jié)構(gòu),得出電機瞬態(tài)性能參數(shù)和電機起動過程曲線。然后對鐵耗進行分解,用二維瞬態(tài)有限元法計算精確獲得各項鐵耗,并與三維瞬態(tài)有限元法計算結(jié)果進行比較。最后,電機實測結(jié)果與計算結(jié)果的一致性驗證了計算結(jié)果的正確性。本文對于單相串勵電機的性能分析與優(yōu)化設(shè)計具有一定的理論參考價值。
[1]汪鎮(zhèn)國.單相串激電動機的原理設(shè)計制造[M].上海:上??茖W技術(shù)文獻出版社,1991:1-2.
[2]金娟.用于滾筒洗衣機的串激電機調(diào)速控制技術(shù)的研究[D].南京:南京理工大學,2012.
[3]LIN D,ZHOU P,STANTON S.An analytical model and parameter computation for universal motors[C]//IEEE International Electric Machines& Drives Conference(IEMDC),2011:119-124.
[4]POLAT A,ERGENE L T,F(xiàn)IRAT A.Dynamic modeling of the universal motor used in washer[C]//The Electrical Machines and Power Electronics and Electromotion Joint Conference(ACEMP),Istanbul,2011:444 -448.
[5]張晶.單相串激電動機多目標優(yōu)化設(shè)計[D].廣東:廣東工業(yè)大學,2007.
[6]KURIHARA K,SAKAMOTO S.Steady - state and transient performance analysis for universal motors with appropriate turns ratio of lead coils to lag coils[J].IEEE Transactions on Magnetics,2008,44(6):1506 -1509.
[7]彭華仁.基于模糊PID的串激電機速度控制及參數(shù)可視化調(diào)試[D].南京:南京理工大學,2012.
[8]LANDO A D,PERINI R.Modeling of universal motor performance and brush commutation using finite element computed inductance and resistance[J].IEEE Transactions on Matrices Energy Conversion,2000,15(3):257 -263.
[9]PAPA G.Universal motor efficiency improvement using evolutionary optimization[J].IEEE Transactions on industrial Electronics,2003,50(3):602 -611.
[10]湯平華,漆亞梅,黃國輝,等.定子無鐵心飛輪電機繞組渦流損耗分析[J].電工技術(shù)學報,2010,25(3):27 -32.
[11]KAWASE Y.3 - D eddy current analysis in a silicon steel sheet of an interior permanent magnet motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(3):1448 -1451.
[12]史敬灼,王嵐,徐殿國.單相交流串勵電機無耦合自動測試[J].電工技術(shù)學報,2006,21(11):76-81.