陈虎威 袁留民
摘要:双凸极电机是一种新型无刷直流电机,按励磁方式主要分为永磁、电励磁、混合励磁双凸极电机等。双凸极电机作为一种低成本、高可靠性的电机,具有良好的电气特性,正在受到广泛的关注。文章对110kW双凸极电机进行介绍,有限元分析计算电机运行时磁场、功率、电机铁耗等数据,并根据仿真计算结果来对设计和生产起到借鉴作用。
关键词:电励磁;双凸极电机;有限元分析;电机功率;铁耗
中图分类号:TM359 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)14-0055-03
1 概述
双凸极(DSEM)是在开关磁阻电机基础之上发展起来的,是一种新型无刷电机,具有结构简单、效率高、绕组电流可双极性控制等优点。转子上没有绕组和磁钢,结构简单、坚韧可靠,可应用于航空航天、风力发电等场合,以此受到国内外学者的关注。
传统的双凸极电机研究大都集中在三相结构如6/4、12/8等结构,而针对四相以及多相结构的双凸极电机的研究尚处于起步阶段。东南大学的程明等学者针对8/6结构双凸极电机(“8/6极双凸极电机的转矩脉动减小方法及其8/6极双凸极电机”,中国发明专利:ZL200410014568.5)提出了一种减小转矩脉动的控制方案,但是目前专门针对四相双凸极电机的研究文献及成果较少。
本文以48/36极110kW额定转速为110r/min双凸极电机作为研究对象,对新型的DSEM的电磁特性、功率进行了理论分析和试验对比,以便为该电机的设计和生产提供
参考。
2 电机结构
48/36极110kW双凸极电机结构如图1所示,定转子均为凸极齿槽结构,定子槽里面装有电枢绕组和励磁绕组,转子上面没有绕组。文章针对该发电机空载和负载情况进行了计算和分析。
3 磁感应变化
双凸极发电机空载情况下,各部分磁场密度随时间变化而变化,采用有限元分析软件进行分析计算,得到如图2所示图片:
从图2知道,在励磁电流为35A时,电机内部磁密已达到最大值,即磁饱和状态。
4 负载仿真计算和分析
负载情况下,计算分析得到的数据,如下表2和图3
所示:
并且,根据有限元分析软件Ansoft还得到如下表3和图4所示:
综上所述可知,当励磁电流达到45A时,电机的运行数据结果已达到趋于稳定状态。
5 电机铁耗计算和分析
双凸极电机外电源供电运行情况下,电频率的增加导致转速的增加,随之铁心内部的磁场变化也较大,导致铁耗较大,增大了它在总损耗中的百分比,因此分析铁耗同样值得关注。
本文中主要是分析各部位磁密,得到材料在不同频率下的损耗曲线之后,将其导入有限元软件中,采用有限元分析法对电机铁耗进行估算。
根据文献,推导公式,得到新的计算公式即单位损耗为单位磁滞损耗和单位涡流损耗之和,数学表达式如下
所示:
P=Pr+P'Φ=σrfB2+σΦ(?fB)2
式中:
σr——钢片损耗常数
ρ——材料的电阻率
γ——密度
采用上述计算公式,由于电机额定转速为110r/min,给出40Hz下材料B-P曲线,如下图5所示。然后将上述所得的B-P曲线输入到电机仿真模型中,仿真过程会对电机每个单元进行铁损进行计算,然后进行相加,最后得到电机总的铁损数值。仿真计算结果如后面实例计算表格中得到的数值。
图5 B-P曲线
6 试验研究分析
以一台110kW极数48/36额定转速110r/min双凸极电机为例,进行负载测试和铁耗测试。下图6为生产的样机。
图6 110kW电励磁双凸极测试样机
双凸极电机负载状况下,通过测试仪器,得到的实验数据。其中测得的铁耗为已经除去了风阻损耗、铜耗与附加损耗的结果。将实验结果与仿真结果进行了对比,如表4和表5所示:
从表4和表5中可以看出,仿真数值比实验结果小,存在的误差大小在接受的范围内。这是由于得到的BP曲线存在一定误差,特别是当磁密变大时,误差也变大。
7 结语
本文中利用有限元分析软件,建立电机合理的有效模型、电路模型,并根据公式得到电机在一定频率下的B-P曲线,再将曲线导入软件中进行计算,计算过程中充分考虑了电机各部分的磁密分布,计算了负载消耗功率和每一个单元的损耗,然后以此为基础,最终计算出电机的铁心损耗。在计算结果中,由于外界有关因素的限制,导致测得的结果存在一定的不确定性,而计算机仿真为理想条件,所以二者结果存在一定的误差,经过比较对比误差在可接受范围内,证明了此方法来计算电机的负载功率和铁耗可行性。
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(责任编辑:秦逊玉)