【資料下載】無(wú)軸承高速開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題_范冬

1、第10卷?第6期2006年11月?電?機(jī)?與?控?制?學(xué)?報(bào)ELECTRIC?MACHINES??CONTROL?Vol?10No?6Nov.2006??????無(wú)軸承高速開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題范?冬?楊?艷?鄧智泉?王曉琳(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系江蘇南京210016)摘?要:討論了無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子應(yīng)力設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、磁性材料選擇等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題給出了在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注

2、意的問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法依據(jù)。考慮上述電機(jī)設(shè)計(jì)原則對(duì)一臺(tái)7?5kW無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了電磁和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建立了基于ANSYS的二維有限元模型對(duì)徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了計(jì)算比較了仿真和理論計(jì)算結(jié)果在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上測(cè)量了主繞組、懸浮繞組電感。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法滿足了無(wú)軸承高速開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)要求對(duì)進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化具有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:高速無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TH133?2TM346文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100

3、7449X(2006)06054706ThekeytechnologyondesigningahighspeedbearinglessswitchedreluctancemotFANDong?YANGYan?DENGZhiquan?WANGXiaolin(DepartmentofElectricalEngineeringCollegeofAutomationEngineeringNanjingUniversityofAeronautic

4、sbearinglessswitchedreluctancemotmotdesign收稿日期:20060411修訂日期:20060919基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金(50377012)航空基礎(chǔ)科學(xué)基金(05F52040)國(guó)防基礎(chǔ)研究基金(K1600060603)作者簡(jiǎn)介:范?冬(1982)男碩士研究生研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)楊?艷(1976)女博士研究生研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)鄧智泉(1969)男教授、博士生導(dǎo)師研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)軸承電機(jī)、

5、高速電機(jī)、交流電機(jī)控制王曉琳(1976)男博士、講師研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)軸承電機(jī)研究及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)調(diào)速。1?引?言現(xiàn)代化工業(yè)中的眾多領(lǐng)域都需要運(yùn)用高速、超高速電機(jī)。采用傳統(tǒng)機(jī)械軸承支撐轉(zhuǎn)軸的高速電機(jī)和超高速電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)了摩擦阻力增加軸承磨損加劇電機(jī)發(fā)熱等問(wèn)題這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)工作效率低電機(jī)和機(jī)械軸承壽命短。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單:定、轉(zhuǎn)子是雙凸極結(jié)構(gòu)集中式繞組纏繞在定子鐵心上轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組因此制造和維護(hù)都很方便。將無(wú)軸承技術(shù)應(yīng)用到開

6、關(guān)磁阻電機(jī)重影響使得機(jī)械方面的性能要求較電磁性能更為重要。轉(zhuǎn)子外徑、輸出功率由機(jī)械要求決定[10]②選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算轉(zhuǎn)子應(yīng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇合適的鐵磁材料。從電磁方面來(lái)考慮時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子外徑的增大而增加而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)也正比于轉(zhuǎn)子外徑。在定子外徑不變的情況下轉(zhuǎn)子外徑的增加必然導(dǎo)致定子極身變短減小了繞組截面積對(duì)主、懸浮繞組都有較大的影響。另外電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的局部應(yīng)力集中和離心力問(wèn)題比較嚴(yán)重從材料方面來(lái)考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑不宜取得

7、較大。對(duì)于高速無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)其轉(zhuǎn)子的尺寸要比普通開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸小。與此同時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的尺寸不應(yīng)該選擇的太小。過(guò)小的轉(zhuǎn)軸尺寸會(huì)導(dǎo)致電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸的剛性不足轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性不好會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的安全系數(shù)不高臨界轉(zhuǎn)速降低達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。在確定轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑的尺寸之后需要確定轉(zhuǎn)子極身的高度和轉(zhuǎn)子軛的厚度?？蓞⒖计胀ㄩ_關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子極高和轉(zhuǎn)子軛厚度的設(shè)計(jì)方法。2?4?定、轉(zhuǎn)子鐵磁材料高速無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的供直流脈沖電頻率較高一般在幾百赫茲到

8、幾千赫茲。頻率的升高會(huì)導(dǎo)致鐵心損耗快速增加鐵心損耗將占高速電機(jī)總損耗的比重將增大(與普通電機(jī)相比)。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子是雙凸極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所帶來(lái)的局部應(yīng)力集中問(wèn)題所以不能采用普通電機(jī)的磁性材料而應(yīng)選用其他性能更好的磁性材料比如鐵鈷合金。在軟磁合金中鐵鈷合金是迄今所發(fā)現(xiàn)的飽和磁密和居里溫度最高的一類合金即波明德合金(Permendur)和超波明德合金(Supermendur)。波明德合金與超波明德合金具有較高的飽和磁密、高

9、的磁導(dǎo)率和低的矯頑力。我國(guó)FeCo系軟磁合金現(xiàn)有1J20、1J21、1J22三個(gè)牌號(hào)。1J20不常用1J21、1J22相當(dāng)于國(guó)外的波明德合金。鐵鈷合金的熱處理問(wèn)題比較復(fù)雜熱處理過(guò)程中對(duì)溫度的控制要求較高。經(jīng)過(guò)熱處理之后1J22的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)較一般的金屬?gòu)?qiáng)度高非常適合用做高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵磁材料。若從經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)考慮定子鐵心可以采用普通的硅鋼片而轉(zhuǎn)子鐵心采用高性能的軟磁合金。3?高速無(wú)軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)械應(yīng)力設(shè)計(jì)3?1?高速電機(jī)的功率與速度

10、限制從電機(jī)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)的電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀速度并不是高速電機(jī)的唯一因素。在一般的電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在很大程度上依賴于輸出功率的大小。因此很有必要了解電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系以及和尺寸相關(guān)的高速、超高速電機(jī)的分類。電機(jī)根據(jù)其功率的大小分為大、中、小三類[45]。高速電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系根據(jù)電機(jī)的種類和劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同其表述形式也不盡相同。以異步電機(jī)為例若只從轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系出發(fā)其簡(jiǎn)單的表達(dá)形式可以寫成:N3?3P=6?2?106

11、(2)其中:N是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[krmin]P是輸出功率[kW]。根據(jù)式(2)可以描繪出一條PN曲線。這條曲線代表了電機(jī)的功率和速度的限制即這條曲線被定義為高速電機(jī)和超高速電機(jī)的分界線。電機(jī)的PN點(diǎn)在PN曲線的左邊可被定義高速電機(jī)或普通電機(jī)在PN曲線的右邊就是超高速電機(jī)。3?2?轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)其對(duì)應(yīng)力方面的要求使得電機(jī)轉(zhuǎn)子主要從機(jī)械方面來(lái)考慮。這包括計(jì)算離心力的分布情況盡量減小局部應(yīng)力集中現(xiàn)象和瞬態(tài)機(jī)械響應(yīng)及在高速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子張力

12、問(wèn)題。由于定、轉(zhuǎn)子間比較小的空氣隙長(zhǎng)度因此需要計(jì)算轉(zhuǎn)子的徑向增長(zhǎng)量避免高速旋轉(zhuǎn)時(shí)定、轉(zhuǎn)子接觸的可能性。BSRM轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)局部應(yīng)力集中主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子極軛過(guò)渡部分和轉(zhuǎn)子與軸的連接配合處。在給定的轉(zhuǎn)子尺寸下采用更多轉(zhuǎn)子極數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)可以減小最大應(yīng)力[11]。轉(zhuǎn)子的優(yōu)化方法圖1所示各參數(shù)含義如下:?是轉(zhuǎn)子優(yōu)化極弧半徑Da為轉(zhuǎn)子外徑Di為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑?r為轉(zhuǎn)子極弧。極弧半徑的優(yōu)化參數(shù)選擇可取:??DiDa(12)sin?r22(2