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維修技術(shù)
基于場路結(jié)合的永磁直線同步電機(jī)的解析計算
內(nèi)容簡介:河南省高校杰出科研人才創(chuàng)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(jī)驅(qū)動垂直運(yùn)輸系統(tǒng)的理論和試驗研究,它將是對傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動垂直運(yùn)輸系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)兩個方面的應(yīng)用。
  自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項目( 99470001) 河南省自然科學(xué)基金( 004040500) 河南省高校杰出科研人才創(chuàng)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(jī)驅(qū)動垂直運(yùn)輸系統(tǒng)的理論和試驗研究,它將是對傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動垂直運(yùn)輸系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)兩個方面的應(yīng)用。其動力源采用永磁直線同步電動機(jī)( 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(shù)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(wěn)態(tài)方面,主要有磁路法、等效電路法等[ 1~6].它一般是將電機(jī)理想化,即取電機(jī)的一個極距為求解區(qū)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(yīng)、補(bǔ)償繞組、端部半填槽、三相繞組實(shí)際不平衡等因素的影響,因此,它基本上是沿用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分析方法。關(guān)于PMLSM的二維解析,國內(nèi)外目前尚未見系統(tǒng)研究的報道盡管用二維有限元數(shù)值解法求解PM LSM的磁場性能已有大量文獻(xiàn)發(fā)表,但它給出的不是解析表達(dá)式,而且有些場合似乎并無十分必要。文獻(xiàn)[ 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(wěn)態(tài)場分布。計算結(jié)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(jī)為例(圖1) ,在文獻(xiàn)[ 7~9]基礎(chǔ)上,基于場路結(jié)合法,進(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)、諧波、縱向邊端效應(yīng)及電流不對稱等影響。本文方法同樣適用于凸極機(jī),并可進(jìn)一步應(yīng)用于其它類型同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)計算。
  2分析模型永磁直線同步電動機(jī)的物理模型如圖1所示。
  坐標(biāo)原點(diǎn)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(jī)橫向設(shè)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(dǎo)率無窮大,電導(dǎo)率為0永磁體的回復(fù)磁導(dǎo)率x、y方向相同,且等于空氣導(dǎo)磁率。(3)將初級的齒槽區(qū)域用均勻的各向異性體的結(jié)基于場路結(jié)合的永磁直線同步電機(jī)的解析計算汪旭東王兆安袁世鷹,等構(gòu)代替[ 9],該區(qū)域磁導(dǎo)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(nèi)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(qū)域Ⅱ)和一個各向同性的次級及氣隙(Ⅰ) 區(qū)域Ⅰ、Ⅱ又以電流片為界分成兩個區(qū)間Ⅰ′、Ⅰ″和Ⅱ′、Ⅱ″區(qū)域以外的區(qū)域為鐵磁材料層, L≈∞。
  3磁場解析根據(jù)麥克斯韋電磁場方程和邊界條件應(yīng)用傅里葉積分變換法,經(jīng)過嚴(yán)格推導(dǎo),可解出勵磁磁場和電樞磁場分別作用時各區(qū)的磁場分量的解析表達(dá)式(式中,以上標(biāo)p和s分別表示永磁體和電樞單獨(dú)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(fù)向和正向的磁體數(shù)目, Z為槽數(shù), 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(shù)計算4. 1勵磁電勢的計算永磁體勵磁磁場對電機(jī)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(wěn)定運(yùn)行時,其勵磁磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電勢E一線圈a中的感應(yīng)電勢:微電機(jī)2001年第34卷第1期(總第期)式中, A為電樞繞組區(qū)域的平均磁位, X為角頻率, X= V P/ T, b為永磁體橫向?qū)挾龋?nbsp;y1為線圈的節(jié)距。相電勢(如A相)是一相繞組所有串聯(lián)線圈的感應(yīng)電勢之和, e a,其大小與動子位移x有關(guān),求取其一個周期內(nèi)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(jī)代表由電樞電流引起的總電抗。包括電樞漏抗和電樞反應(yīng)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(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電勢, e′電樞反應(yīng)電抗X是表征能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù),它可看成是電樞反應(yīng)磁通(電樞磁通穿過氣隙到達(dá)動子永磁體區(qū)部分)在A相繞組產(chǎn)生的電勢e″與A相電流I的比例系數(shù)。
  由前面分析可知,同步電抗X中已經(jīng)包括了槽漏抗和諧波漏抗總漏抗: X總阻抗: Z分別為電機(jī)繞組電阻和端部漏抗。
  各場量的表達(dá)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(shí)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(jī)穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時,電源線電壓和勵磁線電勢仍然是對稱的,但電機(jī)各相的電壓、電流、阻抗均不對稱。因此,穩(wěn)態(tài)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(yīng)采用如下的線電壓平衡方程:設(shè)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(jī)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(zhǔn)確計算穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流、電磁功率、效率、功率因數(shù)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(fù)數(shù) V為同步速度, V 5. 3功率因數(shù)cos5及效率G復(fù)功率: S 6結(jié)果分析實(shí)驗樣機(jī)主要參數(shù)為:氣隙g = 8mm槽數(shù)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(shè)計程序計算了該電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能,如表1所示。表1為三相電流和功率因數(shù)的計算值與實(shí)驗值的比較計算結(jié)果與實(shí)驗值吻合。
  基于場路結(jié)合的永磁直線同步電機(jī)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(yīng)加設(shè)避雷器或重新校驗避雷器。
  4繞組相間短路4. 1故障現(xiàn)象電機(jī)無法起動電機(jī)供電回路熔絲熔斷或開關(guān)跳閘電機(jī)繞組冒煙,有燒焦味。
  4. 2檢查結(jié)果相間短路部位的多股導(dǎo)線燒斷,其周圍有銅熔點(diǎn)。
  4. 3故障原因及處理方法( 1)對于下線時導(dǎo)線表面絕緣劃傷或繞組端部絕緣不好的電動機(jī),應(yīng)將燒傷的導(dǎo)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(fù)時,應(yīng)按原數(shù)據(jù)重繞。
 。 2)繞組間連線及引用線的套管必須與電動機(jī)繞組的絕緣等級相適應(yīng),連線的絕緣套管應(yīng)比焊點(diǎn)5繞組匝間短路5. 1故障現(xiàn)象電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中冒煙,局部溫升過高,并有燒焦味。
  5. 2檢查結(jié)果電動機(jī)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(jìn)行穿繞修理。
 。 2)其余部分參見第4項處理方法。
  及時發(fā)現(xiàn)并迅速排除電氣設(shè)備故障,能夠預(yù)防事故的發(fā)生,確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。對此,必須按照規(guī)定定期檢查和維護(hù)電氣設(shè)備,準(zhǔn)確判斷和處理電氣設(shè)備的運(yùn)行故障,減少設(shè)備事故損失,保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。
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