北京永光高特微电机有限公司
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无刷交流励磁机电磁设计软件开发及有限元分析

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:331

   摘要:基于电机设计基本原理,形成了一套完整的无刷交流励磁机的电磁设计程序,并针对此电磁设计程序,利用Visual Basic 6.0为工具,开发了基于数据库管理系统的无刷交流励磁机的设计软件,并用一系列电机产品进行检验,程序运行可靠,达到预期结果。运用MaXweU 2D对样机的磁场进行了分析。

1引  言

   励磁系统的好坏直接影响到交流同步发电机的性能和运行质量,因此交流同步发电机的励磁系统的设计和开发一直都是各国学者长期以来关注的焦点。20世纪60年代末、70年代初出现的无刷励磁方式引起了人们的广泛关注。一般说来,无刷交流励磁发电机由两台电机组成,即主发电机和交流励磁机(原理图如图1所示)。对主发电机而言,将同

轴的交流励磁机设计成旋转电枢式,并将硅整流桥也固定在此电枢上一起旋转,就组成了旋转半导体励磁系统,从而完全省去集电环、碳刷等滑动装置,形成了无刷励磁系统。

   这种无刷励磁发电机没有磨损的碳粉和铜末所引起的污损,其绝缘的使用寿命比较长;没有带电接触情况,不会产生火花,所以它能适应于有易燃气体的恶劣环境中运行;省去了对电刷、集电环或换相器的繁琐的维护工作,并且还提高了发电机的运行可靠性。

    图1  旋转整流器式无刷发电机原理图

   本文将对无刷交流同步发电机的交流励磁机(以下简称无刷交流励磁机)的设计特点进行分析,并介绍了根据此类电机的设计特点开发的电磁设计软件,最后用有限元分析的方法对此设计软件的准确性进行了分析。

2无刷交流励磁机的设计特点

   无刷交流励磁机是一个旋转电枢式交流同步发电机。但由于它的工作特点和负载的特殊性,使它与一般的交流同步发电机大小不一样,因此在设计上有许多特点。

2.1交流励磁机的磁路设计

   一般同步发电机在允许负载范围内变化时,其输出电压都要求维持不变。但交流励磁机输出电压随主发电机负载及工作温度变化而大幅度变化着,相应交流励磁机的感应电势也应是大幅度变化的。这就是交流励磁机的负载特点。

因此为满足主发电机的最大强励要求,交流励磁机的额定工作状态的磁路工作点就必须处在空载特性曲线的线性部分(图2中H点部分),即交流励磁机的额定工作状态时的磁密要取得很低。所以交流励磁机磁性材料的利用率极低,同容量的交流励磁机的体积远比一般同步发电机大,重量也重。

   图2空载特性

2.2换相角问题

   无刷交流同步发电机的励磁机,实质上是一台交流发电机。它的输出经过旋转整流器整流后输入至主发电机的励磁绕组励磁。由于交流励磁机的电枢绕组的负载是一个经旋转整流器供电的大电感(主发电机的励磁绕组),加之由于电枢绕组的内电抗的存在,使旋转整流器换相时,电流不能突变,产生了换相角γ。这些使交流励磁机的输出相电压、相电流波形发生了畸变,这就使无刷交流励磁机的设计与一般交流发电机有所不同。

在设计前应首先估计换相角γ,对于三相全波整流,换相角可估计在4左右。

交流励磁机相电势有效值: (1)

其中:△u一整流元件正向压降,一般取0.5V;

       n一每臂串联的整流元件数。

   交流励磁机相电流有效值:    (2)

其中:

   交流励磁机视在功率:Ps = mEI   (3)

通过上述计算,就将无刷交流励磁机经由旋转整流器输出的直流负载量折算为励磁机的交流输出量。以后的设计程序就可以按一般的交流同步发电机的电磁设计程序进行了。

2.3交流励磁机的电枢反应

由于交流励磁机的负载是一个大电感,能使直流输出电流,d保持恒定,加之由于换相角γ的存在,结果使交流励磁机相电流波形与正弦波相差很大。在计算电枢反应时,应首先算出基波电流Ia,其他谐波在分析时不予考虑,然后在计算出电枢反应磁势Fa。同时,由于相电流,与相电势U之间还产生了相位移,出现了功率因数的问题。

电枢电流基波分量的有功分量有效值:   (4)

电枢电流基波分量的无功分量有效值:  (5)

电枢电流基波分量有效值:  (6)

功率因数角:   (7)

功率因数:

电枢反应磁势: (8)

2.4较小的短路比

为了提高交流励磁机的励磁电流的瞬时灵敏度,缩短励磁机的时间常数,设计时尽量选用较小的短路比。此外,较小的短路比表示直轴同步电抗Xd较大,这样,在旋转整流器的整流管出现短路的情况下,可使短路电流不致过大,对其它整流管就起到了保护作用。

 但是较大的直轴同步电抗X会使得换相电抗Xd增大,从而造成换相角变大,最终造成功率因数下降。

 实际计算得出的换相角: (9)

2.5较高的频率

交流励磁机的频率为主发电机频率的3倍左右,这样可以提高励磁的反应速度,使励磁机有较小的时间常数。提高交流励磁机频率的措施是增加交流励磁机的极对数。极对数增加,可使励磁绕组的每极匝数减少,从而使时间常数得到有效减少。

频率的提高必然会造成铁损的增加,因此为了降低铁损,应优先选用冷轧钢片。

3无刷交流励磁机电磁计算程序的开发

本软件是在Windows平台上开发,采用Mi-CrOSOft Access数据库、Excel电子表格,利用VisualBasic 6.0编写的。适用于Windows 95以上的操作系统,视窗化设计,全汉化界面,实现了无刷交流励磁机的电磁计算设计,电机空载性能曲线绘制,数据库管理,报表打印等功能,使人机交流十分方便,大大缩短了电机设计周期,提高了工作效率。电磁计算程序设计的流程框如图3所示。

    图3无刷交流励磁机电磁计算程序流程图

4有限元分析

有限元法是一种数值分析方法。它首先用在力学方面,20世纪50年代已有人提出基本思想。50年代以后由于大型计算机的产生和发展,这一方法得到了迅速发展。60年代中期引入电机电磁场领域。近年来已广泛用于计算电机二维涡流场及饱和场,并开始用于计算电机端部三维磁场,变压器三维漏磁场及涡流场,电机三维温度场,以及电机瞬变场等。

Ansoft公司的Maxwell 2D是专门为工程技术人员进行电机电磁场分析以及新型电磁装置电磁场分析所开发的。利用Maxwell 2D可以准确建立一个电机的物理模型,它提供了一个强大的材料库,可以给模型的各个部分准确地赋予相应的材料,并可以以函数的形式表达每相的激励源。利用Maxwell 2D对电机进行磁场分析,可以验证所设计电机的参数,从而进行优化设计,进而得到更好的磁场分布,使电机的效率能达到最佳。以下是运用Maxwell 2D.对一台无刷交流励磁机的静态磁场分析的结果。图4是空载时电机的磁通情况。

 图4电机的静态磁场分布

在MaxweU 2D的后处理里,可以得到施加励磁绕组激励时空载静态气隙磁密的分布。图5为一个电周期内的空载气隙磁密的波形图。由于定子开槽造成了波形出现了锯齿状。

   图5空载气隙磁密波彤

同时还可以对气隙磁密波形进行Fourier分析,可以得到气隙磁密的基波和各次谐波的幅值,比较哪次谐波的幅值高,从而通过改进电机设计来削弱此次谐波。图6为Fourier的分析结果,可见本样机的设计还是比较合理的。

   图6气隙磁密中的谐波分布情况

5结论及算例

 将上述无刷交流励磁机电磁计算程序流程图用visual Basic 6.0语言编成的计算机程序,并用一系列电机产品进行检验,程序运行稳定可靠,计算达到预期结果,说明此软件的设计是成功的。以下是用一台SFWS00—6/990无刷交流励磁机数据对程序进行检验的计算结果,该电机的额定数据为:Ud=3 1 V,Id=239 A,n=1000 r/min,相数为3。

  表1  电机的主要输出数据

此台电机的空载特性曲线图7所示,图中的横坐标Ir和纵坐标U均为标么值。

 图7空载特性

从表1中可以看出,短路比较低时,功率因数很低;同时电机的磁密都很低,符合交流励磁机的特点。利用Maxwell2D对该样机的磁场进行分析也达到了预期的结果。

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