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        基于場路結合的永磁直線同步電機的解析計算

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        發布日期:2022/8/5點擊次數:454

          設計與研究?
          基于場路結合的永磁直線同步電機的解析計算汪旭東1,王兆安1,袁世鷹2,焦留成2,王福忠( 1.西安交通大學,陜西西安710049 2.焦作工學院,河南焦作454000)式,它較好地考慮了結構特點、諧波、縱向邊端效應及電流不對稱的影響。為PMLSM的設計和分析提供了一種較為準確的研究方法。
          自然科學基礎研究項目( 99470001) 河南省自然科學基金( 004040500) 河南省高校杰出科研人才創新工程項目1引言90年代初,世界上開始對直線同步電動機驅動垂直運輸系統的理論和試驗研究,它將是對傳統旋轉電機驅動垂直運輸系統的重大變革,由于其有著重大的理論研究價值和十分誘人的應用前景,日益受到人們重視。它主要包括高層建筑電梯和礦井提升系統兩個方面的應用。其動力源采用永磁直線同步電動機( PM LSM ) ,可能是目前唯一最好的方案,但PMLSM本身還有許多理論和技術問題需要解決,其理論研究尚不完善。它的解析研究目前集中在一維穩態方面,主要有磁路法、等效電路法等[ 1~6].它一般是將電機理想化,即取電機的一個極距為求解區域,將繞組和永磁體等效成正弦電流層,忽略鐵心開斷、邊端效應、補償繞組、端部半填槽、三相繞組實際不平衡等因素的影響,因此,它基本上是沿用旋轉電機的分析方法。關于PMLSM的二維解析,國內外目前尚未見系統研究的報道盡管用二維有限元數值解法求解PM LSM的磁場性能已有大量文獻發表,但它給出的不是解析表達式,而且有些場合似乎并無十分必要。文獻[ 7~8]提出整體分層線性模型和磁體逐極法、逐槽電流法,用傅里葉解析的方法求解二維穩態場分布。計算結果表明傅里葉解析方法求解PMLSM是十分合適有效的。
          本文以隱極型永磁直線同步電動機為例(圖1) ,在文獻[ 7~9]基礎上,基于場路結合法,進一步詳盡地給出了二維場及性能計算公式,它較好地考慮了結構特點、諧波、縱向邊端效應及電流不對稱等影響。本文方法同樣適用于凸極機,并可進一步應用于其它類型同步電機的穩態計算。
          2分析模型永磁直線同步電動機的物理模型如圖1所示。
          坐標原點位于初級繞組中心, x軸(為縱向)位于初級槽的底部。為簡化分析假定: ( 1)磁場沿電機橫向設為不變,因此可作為二維場來處理。(2)初、次級鐵心部分各向同性,磁導率無窮大,電導率為0永磁體的回復磁導率x、y方向相同,且等于空氣導磁率。(3)將初級的齒槽區域用均勻的各向異性體的結基于場路結合的永磁直線同步電機的解析計算汪旭東王兆安袁世鷹,等構代替[ 9],該區域磁導率沿x方向分別為:1.次級鐵軛2.永磁體3.槽繞組4.齒5.初級鐵軛本文建立圖2所示的二維整體分層線性模型,圖中,電流層位置G可在各自作用高度內變動,以此考慮電樞槽高及永磁體磁化高度分布的影響。
          模型包括一個各向異性的初級(區域Ⅱ)和一個各向同性的次級及氣隙(Ⅰ) 區域Ⅰ、Ⅱ又以電流片為界分成兩個區間Ⅰ′、Ⅰ″和Ⅱ′、Ⅱ″區域以外的區域為鐵磁材料層, L≈∞。
          3磁場解析根據麥克斯韋電磁場方程和邊界條件應用傅里葉積分變換法,經過嚴格推導,可解出勵磁磁場和電樞磁場分別作用時各區的磁場分量的解析表達式(式中,以上標p和s分別表示永磁體和電樞單獨作用) ,將兩者疊加即可得到合成磁場分布,其中,氣隙 g)合成磁場分布為:式中, h為永磁體磁化方向高度, h為槽中繞組的高度, H為矯頑力, k1、k2為永磁體分布在x軸負向和正向的磁體數目, Z為槽數, W為線圈匝為任一槽的位置, I為任一槽雙層繞組線圈上下圈邊電流, x為動子位移, J為永磁體和初級等效電流層的傅立葉變換式。
          4參數計算4. 1勵磁電勢的計算永磁體勵磁磁場對電機的作用,可用勵磁電勢來反映,它即為動子永磁體在同步速度V下穩定運行時,其勵磁磁場在電樞繞組中感應的電勢E一線圈a中的感應電勢:微電機2001年第34卷第1期(總第期)式中, A為電樞繞組區域的平均磁位, X為角頻率, X= V P/ T, b為永磁體橫向寬度, y1為線圈的節距。相電勢(如A相)是一相繞組所有串聯線圈的感應電勢之和, e a,其大小與動子位移x有關,求取其一個周期內的平均值即為勵磁電勢E(幅值)。對于三相對稱布置的繞組,各相電勢大小相4. 2同步電抗X的計算同步電機代表由電樞電流引起的總電抗。包括電樞漏抗和電樞反應電抗以相為例:式中, I為A相繞組電流, e′為三相電樞電流合成磁場在A相繞組區域產生的感應電勢, e′電樞反應電抗X是表征能量轉換的重要參數,它可看成是電樞反應磁通(電樞磁通穿過氣隙到達動子永磁體區部分)在A相繞組產生的電勢e″與A相電流I的比例系數。
          由前面分析可知,同步電抗X中已經包括了槽漏抗和諧波漏抗總漏抗: X總阻抗: Z分別為電機繞組電阻和端部漏抗。
          各場量的表達式( 2)~( 4)是積分形式的傅立葉反變換,對于它的求解有多種方法,直接求解計算量稍大。實踐證明采用快速傅立葉變換( FFT )算法可以迅速解出各場量,而且有較好的精度。
          4. 3線電壓方程式由于一般采用對稱電源三相三線制星形( Y)連接方式供電,永磁直線同步電動機穩態正常運行時,電源線電壓和勵磁線電勢仍然是對稱的,但電機各相的電壓、電流、阻抗均不對稱。因此,穩態性能計算中,不能再采用慣用的相電壓方程和單相等值電路,而應采用如下的線電壓平衡方程:設線電壓和線電勢有效值為l,功角為D,選為參考相量, E 4. 4等值電路圖永磁直線同步電動機的二端口線電壓等值電路如圖3所示,由它可方便地列出線電壓平衡方程式,從而準確計算穩態運行電流、電磁功率、效率、功率因數及推力。
          5性能計算5. 1三相電流由式( 5)可解出三相電流為:5. 2電磁功率P及電磁力F式中, I分別為的共軛復數 V為同步速度, V 5. 3功率因數cos5及效率G復功率: S 6結果分析實驗樣機主要參數為:氣隙g = 8mm槽數Z磁體寬次級材料:釹鐵硼( NdFeB) 按本文電磁計算公式編制的設計程序計算了該電機的穩態性能,如表1所示。表1為三相電流和功率因數的計算值與實驗值的比較計算結果與實驗值吻合。
          基于場路結合的永磁直線同步電機的解析計算汪旭東王兆安袁世鷹,等繞組破損處。
         ?。?5)對于無避雷器或避雷器失效的,應加設避雷器或重新校驗避雷器。
          4繞組相間短路4. 1故障現象電機無法起動電機供電回路熔絲熔斷或開關跳閘電機繞組冒煙,有燒焦味。
          4. 2檢查結果相間短路部位的多股導線燒斷,其周圍有銅熔點。
          4. 3故障原因及處理方法( 1)對于下線時導線表面絕緣劃傷或繞組端部絕緣不好的電動機,應將燒傷的導線挑開,清理后焊好,并包好絕緣壓平,下入槽后刷上絕緣漆并烘干。
          若無法修復時,應按原數據重繞。
         ?。?2)繞組間連線及引用線的套管必須與電動機繞組的絕緣等級相適應,連線的絕緣套管應比焊點5繞組匝間短路5. 1故障現象電機在運轉中冒煙,局部溫升過高,并有燒焦味。
          5. 2檢查結果電動機三相電流不平衡幾匝或一個線圈變成裸線。
          5. 3故障原因及處理方法( 1)燒壞幾匝或一個線圈時,若槽滿率不高,可進行穿繞修理。
         ?。?2)其余部分參見第4項處理方法。
          及時發現并迅速排除電氣設備故障,能夠預防事故的發生,確保生產順利進行。對此,必須按照規定定期檢查和維護電氣設備,準確判斷和處理電氣設備的運行故障,減少設備事故損失,保證生產正常進行。

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