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自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究.doc

自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究

不吃腥de小猫咪
2017-09-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究doc》,可适用于战略管理领域

自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究电札与粒制应用,()研究与设计iEA自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究术宋中阳,刘明基',李和明',陈伟华(华北电力大学电气与电子工程学院,北京,上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海)摘要:转子磁路结构直接影响自起动永磁同步电机的起动和稳态运行性能,同时也影响磁钢用量及电机的成本,需要慎重选择和设计对采用V型,u型及混合型磁路结构的极kW自起动永磁同步电机进行设计,用静态有限元法分别分析了电机的空载气隙磁场,并采用时步有限元方法对三种磁路结构电机的起动过程进行仿真,对比分析了不同转子结构对自起动永磁电机性能的影响所得结论对不同应用场合的自起动永磁电机的设计具有一定参考价值关键词:自起动永磁同步电机磁路结构时步有限元法起动性能中图分类号:TM文献标志码:A文章编号:()ComparativeInvestigationofLineStartPermanentMagnetSynchronousMotorwithDifferentRotorMagneticCircuitStructuresSONGZhongyangI,LIUMing,LIHemingL,CHENWeihua(SchoolofElectricalElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing,ChinaShanghaiElectricalApparatusResearchInstitute(Group)Co,Ltd,Shanghai,China)Abstract:Thestartingandsteadystateperformancesoflinestartpermanentmagnetsynchronousmotor(LSPMSM)wereinfluencedbyrotormagneticcircuitstructuredirectly,andtheamountofpermanentmagnetandthecostofthemotorwereinfluencedaswelConsequently,therotormagneticcircuitstructureshouldbedesignedwithdeliberationInordertochooseappropriatemagneticcircuitstructure,apolekWLSPMSMwithVshaped,UshapedandhybridshapedrotorstructureseparatelywasdesignedThenoloadairgapmagneticfieldwasanalyzedwithstaticfiniteelementmethod(FEM),andthestartingprocessofmotorswiththreedifferentmagneticcircuitstructureswassimulatedrespectivelybyusingtimesteppingFEMTheinfluenceofdifferentrotorstructureontheperformanceofLSPMSMwasanalyzedcomparatively,andsomeconclusionsweredrawnTheconclusionsobtainedwereusefulforthedesignoflinestartPMSMinaccordancewithdifferentpracticalsituationKeywords:linestartpermenentmagnetsynchronousmotormagneticcircuitstructuretimesteppingFEMstartperformance引言与传统异步电机相比,自起动永磁同步电机(LineStartPermenentMagnetSycchronoysMotor,LSPMSM)具有功率因数高,效率高等优点,已成为高效甚至超高效节能电机的一个重要发展方向,因此得到越来越多的重视和研究自起动永磁电机设计中的关键问题之一是磁路结构的选择,即转子永磁体的放置方式由于永磁体通常放置在转子上,其形状,尺寸及放置方式影响到永磁体用量,气隙磁密乃至电机的性能根据永磁体放置的位置不同,分为表面式和内置式两种转子结构但表面式转子结构的起动导条在转子内部产生的异步起动转矩较小,仅适合于起动性能基金项目:国家科技支撑计划项目(oBAFBo)国家自然科学基金项目()研究与设计E勰cA迫币乙再拉制应用,()要求不高的场合,对起动性能要求较高的自起动永磁电机多采用内置式转子结构内置式转子磁路结构可分为并联式,串联式和串并混联式并联式结构的缺点是电机正反转时电枢反应程度不同,造成运行性能的不同,目前已较少采用引因此关于自起动永磁电机转子磁路结构的研究多集中在串联式和串并混联式结构上文献研究了在保证其他各种参数不变的前提下永磁体嵌放深度对LSPMSM运行性能的影响文献计算分析了串联式U型转子磁路结构永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)的隔磁措施对极问漏磁系数的影响KazumiKurihara设计了切向磁路结构的PMSM,并用时步有限元方法研究了电机的稳态和过渡过程的性能文献分别对串联式结构中的U型,w型永磁转子结构的PMSM进行设计,利用场一路结合的方法计算了不同转子结构电机参数,并对两种转子磁路结构的起动性能仿真,分析了不同转子结构对PMSM性能的影响文献计算了U型,w型转子结构的电抗参数,并给出了电抗参数随气隙长度,永磁体磁化长度及隔磁桥尺寸变化的规律在文献中,作者提出了一种内置混合式结构的可控磁通PMSM但是对串联式结构和串并混合式结构进行对比研究的文献并不多见本文对采用V型,u型及混合型三种转子磁路结构的极kWLSPMSM进行设计,分析了台电机的空载气隙磁场,并利用时步有限元程序对三种结构电机的起动过程分别进行仿真,对比分析了不同转子磁路结构对LSPMSM性能的影响转子磁路设计本文研究的三种不同磁路结构的PMSM除转子磁路结构不同外,其他结构及尺寸都相同定子部分采用异步电机YL定子尺寸参数,三种磁路设计的永磁电机具体参数如表所示结构的PMSM转子永磁体分别采用V型,u型及混合型布置,其截面示意图如图所示为了使三种结构永磁电机的空载气隙基波磁密相等,在保证转子槽和永磁体问的隔磁磁桥长度及宽度相同的情况下,可以调整V,U及混合型一R一表LSPMSM的主要参数参数参数值参数参数值额定功率kW极数定子铁心外径mm定子铁心内径mm转子外径mm定子绕组连接星接气隙长度mm永磁矫顽力(kAnl)定子槽数转子槽数(a)V型转子磁路结构示意图(b)U型转子磁路结构示意图(C)混合型转于磁路结构不恿图图不同转子磁路结构LSPMSM截面示意图永磁体的尺寸因此,不同转子结构的永磁体的磁化方向长度和宽度均不完全一样,从而使得PMSM的参数和性能也随之改变空载磁场分析ANSYS是当前使用广泛,功能强大的有限元软件之一本文利用ANSYS软件,分别建立了V型,U型及混合型转子结构的LSPMSM的二维有限元模型,对空载气隙磁场进行计算,并对磁密波形进行了谐波分析,得到气隙磁密的计算结果如表所示,气隙磁密基波及各次谐波幅值如图所示可以看出,V型结构的气隙磁密谐波含量最少,而混合型结构的气隙磁场含有最丰富的谐波,谐波含量高达,这会导致永磁电机中含有比较大的谐波电势和谐波电流,并引起电机铁心损耗的增大及振动噪声迫札与柱制应闭o,()研究与设计:EMCA表不同转子结构空载磁场计算结果函图不同结构电机空载气隙磁密基波及谐波的分析对比三种结构的永磁体用量如表所示表不同转子磁路结构的永磁体用量在电机空载气隙基波磁密相等的条件下,混合型结构磁钢用量最少,V型结构和U型结构的用量分别比其多和,这是因为混合型结构的空载漏磁系数最小,u型结构的最大,可从表看出由此可知,混合型结构的永磁体利用率最高,U型结构最低空载电动势分析内置式LSPMSM由于交直轴磁路结构的不同,其使交直轴磁阻不相等,表现出明显的凸极效根据双反应理论写出的P应MSM电压方程为U=E,l十j,dd十jL()对于LSPMSM,通常保持永磁励磁电动势小于并接近于,以获得接近于的功率因数,并且满足这一要求还可使PMSM在不同负载下效率都比较高,获得较宽的经济运行范围H,E值过高会造成永磁体浪费利用时步有限元方法求得的三种不同磁路结构PMSM的空载电动势波形如图所示之森之霖f}一LOlll空问电角度()(a)V型磁路结构空载电动势之寐脚一(b)U型磁路结构空载电动势(C)混合型磁路结构空载电动势图不同结构电机的空载电动势波形图V型,u型,混合型结构的反电势基波幅值分别为V,V及V,反电势总谐波含量分别为,及,各次谐波含量如图所示由以上可知,混合型结构的反电势基波幅值最接近于额定电压,有益于电机获得较宽的运行范围V型结构的反电势波形正弦度最好,可降低由谐波电势引起谐波电流进而产生的波动力矩咖f缸燃磐图不同结构电机空载反电势谐波对比一一研究与设计基McA迫币乙与才宜帚J应闭,()PMSM起动过程的仿真为了分析不同转子磁路结构对起动性能的影响,本文采用了时步有限元法m对LSPMSM的起动过程进行了仿真有限元剖分的精度和时问步长的选择会影响计算结果,根据多次计算所得的经验,电机的剖分精度在ANSYS中取,时间步长取S较为合适三种不同磁路结构电机额定负载的起动转速曲线如图所示(a)V型结构电机起动转速ll(b)U型结构电机起动转速(c)混合型结构电机起动转速图不同磁路结构永磁电机额定负载起动的转速曲线从图可看出,V型结构和u型结构的转速曲线上升趋势基本一致,而混合型结构转速曲线的上升趋势与两者有略微差别混合型结构电机异步起动时在S处超过同步速,达到最大转速rrain,在S时牵入同步转速V型结构也在OS处超过同步速,达到最大转速lrmin,在s时牵人同步转速U型结构在S处超过同步速,达到最大转速rrain,在S时牵入同步转速三种结构电机的起动一一电流倍数,起动转矩倍数如表所示表不同磁路结构电机的起动电流倍数和起动转矩倍数同时运用时步有限元方法计算了额定负载下电机牵入同步后的力矩波动,如图所示,其中V型,U型,混合型的力矩波动分别为额定转矩的,及号弓llOl,s(a)V型结构电机的力矩波动t|s(b)U型结构电机的力矩波动lOlllooooot|s(c)混合型结构电机的力矩波动图不同磁路结构永磁电机的力矩波动由以上分析可知,混合型结构电机的起动过程最平滑,超调时间最短,牵入能力最好,而且起动电流倍数最小,起动转矩倍数最大,是三者中起动性能最优秀的,并且磁钢用量最少,V型结构电机次之当电机牵人同步速后,V型结构电机的力矩波动最小,有利于电机的稳定运行及降低电机噪声迫札与控制应用,()研究与没计jEMCA结语本文针对极kWLSPMSM的V型,U型及混合型转子磁路结构,采用时步有限元方法对电机的空载磁场,空载电动势及起动性能进行了对比研究,得出结论:不同转子磁路结构对永磁电机的空载气隙磁场,空载电动势,磁钢用量,起动性能,力矩波动等性能产生影响,针对不同应用场合需要慎重选择()若要求电机具有较高的起动性能及牵人能力,可采用混合型转子结构,该结构还有永磁体利用率高的优点,但以增加损耗,运行噪声大为代价()若要求电机稳定运行,噪声小,损耗小,可采用V型转子结构,但其永磁体用量多于混合型结构,并且起动性能劣于混合型结构永磁电机定子斜槽时会显着改善电机的力矩波动,因此定子斜槽时不同磁路结构永磁电机的起动及稳态性能对比成为进一步需要研究的内容【参考文献】唐任远现代永磁电机理论与设计M北京:机械工业出版社,王秀和永磁电机M北京:中国电力出版社,王秀和,杨玉波,朱常青异步起动永磁同步电动机理论,设计与测试M北京:机械工业出版社,马隽,董仕镇,沈建新内置永磁体嵌放深度对自起动永磁同步电动机性能的影响J微电机,,():张东,许家群,赵清,等U形转子磁路结构永磁同步电动机极问漏磁分析J微特电机,():一lKazumiKuriharam,AzizurRahmanHighefficiencylinestartinteriorpermanentmagnetsynchronousnotorsJIEEETransactionsonIndustryApplications,:张蔚,林明耀转子磁路结构对永磁同步电动机性能的影响J微电机,,():GuangXuZhou,RenYuanTang,DongHeeLee,etaResearchonthereactanceparametersoftwointeriorrotorstructurespermanentmagnetsynchronousMotorcInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems,ICEMS,:一l陈益广,仲维刚,沈勇环内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析J中国电机工程,(),():赵猛,邹继斌,胡建辉,等异步起动永磁同步电动机起动特性研究J电工技术,,():刘秀君,李伟力,陈文彪三相异步起动永磁同步电动机起动特性J电机与控制,,():胡笳,罗应立,李志强,等自起动永磁同步电动机堵转饱和效应的时步有限元分析J电工技术,,():收稿日期:一l(上接第页)ArnaheS,BurgosJC,RodriguezAJLDirecttorquecontrolofadoublyfedinductiongeneratorforvariablespeedwindturbines『JElectricPowerComponentsandSystems,,():韦巍智能控制技术的研究现状和展望J电机工程,,():李建林,许洪华风力发电技术低压运行技术MJ北京:机械工业出版社,向大为,杨顺昌,冉立电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略J中国电机工程,():OXiangDaWei,LiRanControlofadoublyfedinductiongeneratorinawindturbineduringgridfaultridethroughJIEEETransactiononEnergyConversion,,():韦刚,吴伟力分布式电源及其并网时对电网的影响J高压技术,,():李鹏,张玲,盛银波新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径微网技术J华北电力大学,,():涂逢祥建筑节能M北京:中国建筑工业出版社,陈毕胜,孔祥强风力一太阳能光伏互补供电系统与低层住宅一体化设计构想J中国建筑信息供热制冷,():BorowyBS,SalamehZMMethodologyforoptimallysizingthecombinationofabatterybankandPVarrayinawindPVhybridsystem『JIEEEPowerandEnergySociety,,():收稿期:

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