陳 剛

(東營(yíng)華聯(lián)石油化工廠(chǎng)有限公司，山東 東營(yíng) 257200)

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

陳 剛

(東營(yíng)華聯(lián)石油化工廠(chǎng)有限公司，山東 東營(yíng) 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(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，對(duì)該電機(jī)模型與設(shè)計(jì)原理展開(kāi)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(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的可靠性與可行性。

新結(jié)構(gòu)；無(wú)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(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)，其優(yōu)勢(shì)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(mǎn)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(wú)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(wú)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(wú)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(jiǎn)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(wú)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(wú)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(xiàn)槽相對(duì)應(yīng)的同寬度的開(kāi)槽位置中。

表1 新結(jié)構(gòu)無(wú)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(wú)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(xiàn)徑為0.95 mm的銅線(xiàn)，通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)繞組，會(huì)在電機(jī)磁路中形成交變磁場(chǎng)。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(chǎng)會(huì)的作用下進(jìn)行環(huán)鏈，變壓器電勢(shì)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(shì)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(guò)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(chǎng)。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(duì)同步電機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

圖2 無(wú)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(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)具有很大優(yōu)勢(shì)，無(wú)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(duì)方繞組中感應(yīng)到交流電勢(shì)、產(chǎn)生交流電流，同時(shí)，該設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)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(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的有限元分析

在新結(jié)構(gòu)無(wú)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(duì)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(wú)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(duì)稱(chēng)交流電，通過(guò)外電路對(duì)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(xiàn)分布圖，如圖4所示。我們可以清楚地看到，新結(jié)構(gòu)無(wú)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(xiàn)分布圖Fig.4 Magnetic line of force distribution diagram

通過(guò)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(xiàn)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(duì)稱(chēng)電流，電流幅值十分穩(wěn)定，也進(jìn)一步說(shuō)明了新結(jié)構(gòu)無(wú)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(mǎn)足了隱極式同步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)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(xiàn)Fig.5 Torque curve of synchronous motor with rated load

3 結(jié)語(yǔ)

筆者闡述了新結(jié)構(gòu)無(wú)刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)原理，利用Ansoft軟件對(duì)新結(jié)構(gòu)無(wú)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(shuō)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(wú)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.

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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