電氣自動化————無刷雙饋電機結構設計分析-資料下載頁

【導讀】中國礦業大學畢業設計任務書。畢業設計日期：2021年3月10日至2021年6月15日。畢業設計主要內容和要求：。中國礦業大學畢業指導教師評閱書。力；③研究內容的理論依據和技術方法；④取得的主要成果及創新點；⑤工。作態度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：。用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創。中國礦業大學畢業設計答辯及綜合成績。無刷雙饋電機是一種新型感應電機，同時也是具有同步電機和異步電機。國內外研究者的重視。在本文中首先，通過對無刷雙饋電機的發展歷史、研究現狀和應用前景。的了解，結合國內、外相關文獻，對無刷雙饋電機的基礎理論進行了研究。組和控制繞組兩套繞組構成，提出了單繞組和雙繞組兩種繞組形式，并對這。電機尺寸、齒槽等進行了計算，最后得到了一個無刷雙饋電機的基本參數。

　　

【正文】 必須增多。 (4)增大了電樞單位表面上的銅（鋁）耗，使繞組溫升增高。這是因為繞組有效部分（即槽內部分）的 銅（鋁）耗在 ? 與 J一定時，隨著電負荷 A的增大而增大。在其他條件不變的情況下，為了避免電機溫升過高， A 與 J的乘積就不能超過一定的限度。 A 若選的較大，就相應要選小些，但這會使繞組用料增加。 ?B 為氣隙磁通密度幅值 選取為 。 ?B 的選取過大時，會對電機造成以下影響： 電機的尺寸和體積 將較小，可節省鋼鐵材料。 使電樞基本鐵耗增大。這是因為 ?B 提高后，在其他條件不變時，雖會使 1iD 與電樞鐵心質量減小，但因電樞鐵心中的磁密與 ?B 間有一定的比例關系，鐵內磁密將相應增加，鐵的比損耗 (即單位質量鐵心中的損耗 )是與鐵內磁密的平方成正比的。因此隨著 ?B 的提高，比損耗增加的速度比電樞鐵心質量減小的速度為快。而電摳的基本錢耗系等于其鐵心質量和比損耗的乘積，因此 ?B 提高后，將導致電樞鐵耗增加，效率降低，在冷卻條件不變時，溫升也將升高。 (5)氣隙磁位降和磁路的飽和程度將增加。 ?B 提高后，一方面直接增大了氣隙磁位降的數值；另一方面，由于鐵內磁密增大而使磁路飽和程度增加。中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 20 頁 這樣，對于直流電機和同步電機， 會固勵磁磁勢增大而引起勵磁繞組用鋼量與勵磁損耗增加，效率降低；在冷卻條件不變時，使勵磁繞組溫升增高。有時還會因勵磁繞組體積過大而使布置發生困難 (內極式電機 )，或導致磁極與電機外形尺寸加大 (外極式電機 )。對于異步電機，會因勵磁電流增加而使功率因數變壞。 (6)改變了電氣參數與電機特性。隨著 ?B 的增大，繞組電抗的標么值將減小，從而影響電機的起動特性和運行特性。 由上可見，應從電機綜合技術經濟指標出發來選取最合適的 A 和 ?B 值，以便使制造和運行的總費用最小而且性能良好。 除了不應選擇過高的 A、 ?B 數值外，還應考慮它們的比值要適當。因為這一比值不僅影響電機的參數和特性，而且同鋼 (鋁 )耗與鐵耗的分配密切有關，也即會影響電機效率曲線上出現最高效率的位置。正因為這樣，對經常處于輕載運行的電機，通常宜選用較大的 A 值和較低的 ?B 值，以便在輕載時能得到較 高的效率。 電機的冷卻條件對電磁負荷的選用也有重要影響。例如防護式電機，由于冷卻條件較好，選用的 A、 ?B 可比相同規格封閉式電機的高，對一般小型異步電機，通常可高出 15— 20%左右。 電機所用的材料與絕緣結構的等級也直接影響電磁負荷的選擇。所用絕緣結構的耐熱等級愈高，電機允許的溫升也就愈高；導磁材料 (包括兼起磁路作用的某些結構部件的材料 )性能越好，允許選用的磁密就可越高。電樞繞組采用鋁線時，由于其電阻率較大，為保證足夠的安放空間以免電損耗過 大，往往采用比鋼線時較低的電磁負荷。 A、 ?B 的選擇還和電機的功率及轉速有關，確切地說是與電樞直徑 (或極距 )及轉子的圓周速度有關。圓周速度較高的電 機，其轉子與氣隙中冷卻介質的相對速度較大，因而冷卻條件有所改善， A、 ?B 可選得大些。電樞直徑 (或極距 )愈小，所選取的 A和 ?B 也應愈小，這主要是空間是否充裕的 問題，可解釋如下： 在內電樞的電機中，電樞直徑愈小，則在平行槽壁時，為保證一定的槽空間，齒根將愈窄；在平行齒壁時，為保證一定的齒截面積，槽尺寸將受限制。因此，當電機功率較小時 (通常直徑也較小 )，若為平行槽壁，則 ?B 的數中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 21 頁 值將因受齒極磁密限制而不能取得過高，因為通常齒部磁密最大值有一定限制，超過此值后，勵磁電流和鐵耗將迅速增加；同時，還因齒根磁密的限制而使槽不能太深，從面限制了槽空間的大小和電負荷 A的數值。若為平行齒壁，則在齒距、齒寬和槽深一 定的情況下，直徑小的電機中，槽的空間比直徑大的電機要小， A 也就應選得較小。同樣，在內極式電機中，電樞內徑變小時，勵磁繞組能夠占用的空間也將變小，這就限制了勵磁磁勢的數值，使電樞反應磁勢和與之密切有關的電負荷 A 及 ?B 都不能取得太高。不但如此，電樞直徑較小的電機，通常導線較細 (因為電流小 )，絕緣所占比重就較大，使槽的空間利用率變差，這時為了盡可能增加槽的空間，必須將齒寬取得狹些，這就要求 ?B 不能取得太高。 由式 31 得到定子鐵心內徑 1iD =119mm 鐵心設計 由 V= 2 2 31 1 12i e f i iD l D Dp?????? （ 34） 得極距 ? = 鐵心有效長度 efl = 由于定子沖片內徑 1iD 與外徑 1D 間存在一定的比例關系， 即 dK =11DDi = （ 35） 可 得到 1D =175mm mmD ? mmDi 382 ? 可選取 中心高 H=112mm 定子槽數 1Z =36 轉子槽數 2Z =28 若 2D efl 不變， ? 較大： (1)電機將較細長，即 較efl 大面 D 較小。這樣，統組端部變得較短，端中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 22 頁 部的用銅 (鋁 )量相應減少， ?當 仍在正常范圍內時，可提高繞組銅 (鋁 )的利用率。端蓋、軸承、刷架、換向器和繞組支架等結構部件的尺寸較小，重 量較輕。因此，單位功率的材料消耗較少、成本較低。 (2)今電機的體積末變，因面鐵的質量 M 不變，在同一磁密下基本鐵耗也不變。但附加鐵耗有所降低，機械損耗則因直徑變小而減小。再考慮到電流密度一定時，端部銅（鋁 )耗將減小，因此電機中總損耗下降，效率提高。 (3)由于繞組端部較短，因此，端部漏抗減小。一般情況下，這將使總漏抗減小。 (4)出于電機細久在采用氣體作為冷卻介質時，風路加長，冷卻條件變差，從而導致軸向溫度分布不均勻度增大。為此必須采取措施來加強冷卻，例如采用較復雜的通風系統。但在主要依靠機座表面散熱的封閉 式電機中，熱量主要通過定子鐵心與機座向外發散，這時電機適當做得細長些可使鐵心與機座的接觸面積增大，對散熱有利 (對于無徑向通風道的開啟式或防護式電機，為了充分發揮繞組端部的散熱效果，往往將 取? 得較小 )。 (5)由于電機細長，線圈數目常較粗短的電機為少，因而使線圈制造工時和絕緣材料的消耗減少。但電機沖片致目增多，沖片沖剪和鐵心疊壓的工時增加，沖模磨強加劇；同時機座加工工時增加，并因鐵心直徑較小，下線難度稍大，而可能使下線工時增多。此外，為了保證轉子有足夠的剛度，必須采用 較租的轉軸。 (6)由于電機細長，轉于的轉動慣量與圓周速度較小，這對于轉速較高或要求機電時間常數較小的電機是有利的。 選擇 ? 值時，通常主要考慮： (1)參數與溫升， (2)節約用銅 (鋁 )， (3)轉子的機械強度， (4)轉動慣量等方面的限制或要求。 交流電樞采用單層整距繞組，可預取 dpK = 繞組設計 定子繞組節距選擇 為產生兩個不同極數的磁場，無 刷雙饋電機的定子繞組既可采用單繞組方案，也可采用雙繞組方案。單繞組方案中繞組通常采用 3Y 聯結，兩組電源分別從兩個端口供電。由于產生兩種極對數磁場的繞組為同一套繞組，只有一種線圈節距，故選擇節距時應兼顧繞組在兩種極數磁場下既有利于生成有效磁勢，又有利于減少不必要的諧波磁場。當采用獨立的雙繞組方案時，節距選擇具有較大的靈活性。兩套繞組可分別采用獨立的雙層短距分布繞組，并按兩種極數磁場的各自最佳方案選取繞組極距，確定繞組的排列和接中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 23 頁 線方式。如果采用單繞組方案， 2 pP 極和 2 cP 極共用相同的繞組，只有一種線圈節距。故選取時應對兩種極數兼顧，使其既有利于提高兩個繞組的利用率，又有利于盡可能消除不參與機電能量轉換的其它諧波磁場，降低電機損耗。為了使繞組設計有較大的選擇余地，無刷雙饋電機多采用雙繞組方案。這時可按 2 pP 極和 2 cP 極各自的最佳方案選取繞組 節距和確定繞組排列，它們可分別采用獨立的雙層短距分布繞組，以使各自的基波繞組系數盡可能大，同時要盡量減少功率繞組和控制繞組之間的直接耦合。 繞組節距的選擇除了應使繞組的有效匝數盡可能大外，還應考慮到盡量減少兩個定子繞組之間的直接禍合，以減少繞組電流中的諧波分量，進而減少附加損耗。選擇低諧波含量的對稱均勻繞組，盡可能增大每極每相槽數，可以滿足要求。對于一臺定子 36 槽的電機，按照定子繞組產生 6 極和 2 極磁場的要求，當選用單繞組方案時，由于產生兩種極對數磁場的繞組為同一繞組，只有一種線圈節距，從兼顧兩種磁場的要求出 發，選用節距 y=15。當選用雙繞組方案時，節距選擇具有較大的靈活性，兩套繞組分別采用獨立的雙層短距分布繞組，并按照兩種極數磁場的各自最佳方案選取繞組極距，確定繞組的排列和接線方式。這里，產生分別選取， 例如，對于定子槽數為 36 的（ 6+2）極無刷雙饋電機，當采單繞組方案時線圈節距的選取應兼顧建立較大 6 極和 2 極磁場的需要。表 31 給出了選擇不的節距 y 時， 6 極和 2 極繞組系數的對比。 1 556566ppy ?? ? ? ? 1 551 8 1 566ccy ?? ? ? ? 此時兩定子繞組既可保證繞組的有效性，又減少不必要的諧波分量。 表 31 不同節距 y 時， 6 極和 2極繞組系數對比 氣隙長度 ?? mm 氣隙長度的大小基本上取決于定子內徑、軸的直徑、兩軸承間轉軸長度和電機的轉速。 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 24 頁 繞組分布系數 111sin 2sin 2dqKq????????? （ 36） 其中 11 362 2 3 3p Zq mp????=2 （ 37） 11 362 2 3 1c Zq mp????=6 30p?? ， 10c?? 為產生兩個不同極數的磁場，無刷雙饋電機的定子繞組既可采用單繞組方案，也可采用雙繞組方案。 采用單繞組的好處是定子槽和繞組的利用率高，銅損耗相對小些，但設計困難，組成結構復雜以及線圈布置上存在局限性，不易得到主、副繞組兩全其美的方案。雙繞組方案雖然槽利用率低些，材料用量多，但設計容易，便于獲得主、副繞組之間較理想的禍合關系。 單層繞組從幾何上可連接成短距，但從繞組產生磁動勢和感應電動勢的效果來看，可等效于全距分布繞組，故短距系數總為 1。 11 1 1130si n si n 222 30si n 2 si n22d p dp pqK K Kq??? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? （ 38） 1 1 110si n 62 1106 si n2d p c d c pK K K???????? ? ? ?= 電流密度 J1 的選擇及線規、并繞根數和并聯之路數的確定 初選定子電密 1pJ =, 1cJ =11111tcINA aJ? 其中定子電流初算值 11 cosNPI mU ??? （ 39） 取并聯支路數 1a =1 中國礦業大學 2021 屆本科生畢業設計 第 25 頁 功率繞組 31 3 1 03 2 2 0 0 .8 2 0 .8 2pI ?? ? ? ?= （ 310） 控制繞組 31 1 103 22 0 2 2cI ?? ? ? ?= 取并聯支路數 1a =1 則 所以 ? ?11 61 pNA ? ?= （ 311） ?cct AN )( 11 ? = mm2 取并繞根數 Nt1=1 功率繞組選取線徑 d1= mm，絕緣后線徑 mm 控制繞組選取線徑 d1= mm, 絕緣后線徑 mm 定子繞組的匝數和線規的選擇與電機的出力和性能密切相關。由于繞組匝數的增加，會使線負荷增大，磁通密度降低，銅耗和漏抗隨之增大，因此在對兩套定子繞組進行匝數和線規的選擇時，必須考慮磁路的飽和程度、電機材料的利用率以及電機的性能指標。在雙饋電機采用雙繞組方案時，兩套繞組共嵌于同一定子鐵心，產生的磁場通過同一個 磁路。由于兩種磁場的磁勢在磁路上疊加，為了避免磁路過飽和，應比同功率的普通電機增多一些匝數。 11 11iDAN mI? ?? （ 312） 其中1 1 cosN PI mU ??? （ 313） 對于無刷雙饋電機，按電負