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风机用永磁无刷直流电动机性能电气工程仿真研究

时间:2018-09-18 20:43来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。学院拥有电气工程一级学科博士点、控制科学与工程一级学科硕士点,具有电气工程、控制工程专业学位型硕士点,具有电气工程领域、控制工程领域工程硕士学位授予权。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题背景及研究意义
能源短缺是当今世界各国要急于解决的重要问题之一,全球环境与人类生存状况急需改善,需要大量能源[1]-[3]。节能技术是目前认同的绿色技术,其研究及相关产品的研发将成为工业快速发展的主题。目前,各个国家都在积极采取各种技术,进行节能技术的研究与应用。电力能源是二次能源的一种。电机由于制造工艺的材料,大量消耗电能,其高效节能势成为解决问题的关键。我国电机保有量巨大,但是部分电机效率低下,电能消耗巨大,设备老化问题严重。目前,最常见的电机是异步电动机。据报导,中国的异步电动机在整个电力应用有 65%以上[4]。异步电动虽然有结构简单、寿命周期长、工作可靠、容易维修方便等优点,同时具有机械特性差、起动转矩低、效率低下、调速性能差、运行在轻载负荷时功率因数低、增加电力线路和电网损耗等缺点[5]-[8]。因此,要开发和推广节能、高效、高品质的电机将有长远的意义[9]-[13]。由于电力电子技术与新型永磁材料的发展, 一种新型电机-永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless Direct Current Motor,PMBLDC)应运而生并得到迅速成熟的发展[14]。对比电励磁电机,永磁电机具有结构简单、占地面积小、质量轻、损耗低、效率大、电机形状和尺寸可以多样设置等显著优点,在日常生活、工农业生产、国防和航空航天中得到广泛应用[12]-[13]。因此,要大力发展和研究永磁电机,实现节能降耗,提高综合效益有极其重要的作用。我国使用风机数量较大,永磁无刷直流电机可以通过控制电路的占空比来调速,实现无极调速,电机效率高等优点被广泛用于风机的设备驱动。永磁电机发展和研究的主要内容包括其设计、控制、精确性能分析等方面[15]-[18]。各种类型的永磁电机的永磁体形状不同,放置的位置有种形式,因此形成其磁路结构非常复杂。因此,对比普通电机的各种分析计算,永磁电机的分析计算特别不易[19]。电机设计风险降到最小,需提供强有力的试验与分析手段,降低电机设计过程中造成的经济因素,我们须深入研究有效的永磁电机分析设计方法是特别重要的方法。准确确定永磁电机的参数和性能的方法,最重要的是要掌握正确的磁场分布至关重要。随着科技技术以和各类数值计算方法的快速发展,原来的磁路计算已被电磁场分析方法所更替[20]。凭借在工程中的广泛应用及在电磁场边值问题求解领域的绝对优势,有限元方法成为了电气工程中解决电磁场边值问题的强有力技术手段[21]-[22]。
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1.2 永磁电机的发展概况及分类
 
1.2.1 永磁电机的发展概况
早期的电机体积庞大且各项性能较低,普遍采用铁磁性矿石来提供其所需要的磁场。1821 年 9 月,法拉第发现在永久磁场边放置的通电导线可以围绕其做旋转运动,从而建立了世界上第一个电机模型,该电机即为永磁电机,进而将电能转化为了机械能。1822年,吕萨克发明了电磁铁,为改良电机的性能提供了必要的物质基础。直到 1845 年,电机的理论与技术才得到了突飞猛进的发展,此时惠斯通将电磁铁应用于电机,取代了磁铁矿石。能量转化在电机内部是以磁场为基础的。20 世纪中期,随着新型磁性材料的出现,比如铁氧体和铝镍钴永磁材料,使得微型永磁电机得到了长足的发展,进而被广泛应用于军事、工业、农业及日常生活中[23]-[24]。虽然这些新型材料的出现使得电机的发展迈出了一大步,但是这些永磁材料仍有诸多方面的不足,使得永磁电机体积较大且性能较低,这就在很大程度上限制了永磁电机的发展与应用[23]-[24]。1967 年,科学家们一种新型永磁材料被科学家发现。相比原始的永磁材料,这是一种较新的永磁材料—钐钴永磁材料,其性能有了巨大的提高。钐钴永磁材料的主要特点是退磁曲线为直线、剩余磁感应强度大、剩余温度系数低、矫顽力可高达 720kA/m,但其价格相对昂贵,很大地限制了其使用范围,一般用于性能要求高但是成本不是主要考虑因素的领域,如航空航天等领域[25]。20 世纪 80 年代,钕铁硼永磁材料问世,这种材料磁性更好且价格相对便宜。这种新型永磁材料继承了先前的永磁材料的优良特性,如矫顽力高、剩余磁通密度大,剩磁温度系数较低等[26]。钕铁硼永磁材料凭借各方面优良的性能备受重视,由于其相对低廉的价格,使得永磁电机开始逐步向民用方向转移。20 世纪 90 年代,这种新型永磁材料性能不断改变和提高,特别是耐高温性的增高,钕铁硼材料得到了更广泛的应用。随着永磁电机设计、控制技术的不断完善与优化,使得其正朝着大功率、微型化、高性能方向飞速发展[27]-[30]。近年来,随着计算机技术及有限元法被应用于永磁电机设计、分析,使得其性能的分析及优化设计更上一个新的台阶,伴随着这些日趋成熟的技术,永磁电机的应用前景势必更为广泛。
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2 PMBLDC 的基本结构与工作原理
 
PMBLDC 是主要应用的机电一体化电磁设备,主要由电动机本体、转子位置探测信号器及 PLC 或 DCS 组成[15],其原理框图如图 2-1(a)与(b)所示。电动机定子绕组通过电子开关从直流电源获得能量供给,转子位置由位置传感器测出并由其发出电信号以控制功率电子开关的关断或者导通,进而控制永磁电动机转动。
 
2.1 PMBLDC 基本结构
PMBLDC 系统的结构简图如图 2-2 所示。PMBLDC 系统的结构简图包含了直流电压源、电子器件构成的控制电路、转子位置传感器以及电动机本体。下面分别介绍了 PMBLDC 的电动机本体结构,逆变器的类型以及转子位置传感器的几种类型。PMBLDC 的定子由许多硅钢片叠压经轴向冲压而成,定子槽中安装有电枢绕组。PMBLDC 中常用的定子结构主要有整数槽结构、分数槽结构及无槽结构。相对于整数槽结构,分数槽结构绕组利用率高、绕组间互感较小,因为绕组与转子磁场不能完全耦合,导致永磁体利用率极差。无槽结构主要特点是不产生齿槽转矩,转速稳定且噪声低,但相对有槽结构绕组散热能力较差,较大的气隙使得气隙磁密较低。定子铁心中安放的通常是对称的三相绕组。定子绕组分为分布式与集中式两种,星形或封闭形连接,各相定子绕组分别与电子开关中的相应功率管连接,以确保各相绕组顺序通断,使永磁电机正常运转。
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2.2 PMBLDC 的工作原理
当电机处于正相主磁场时,控制电路根据位置传感器传回的位置信号产生一个驱动信号使得开关管 T1A 与 T1B 导通,而关闭其它开关管。此时,A 相绕组施加正向电压,电机为正方向运转。电流的路径为:正极→T1A→A 相绕组→T1B→负极。当转子转过 90°电角度时,控制电路根据位置信号产生控制信号使得开关管 T2A 与 T2B 导通,其它开关管关闭。此时,B 相绕组施加正向电压,电机处于正相主磁场中,电机为正方向运转。电流路径为:正极→T2A→A 相绕组→T2B→负极。当转子继续转动 90°电角度时,开关管T3A 与 T3B 导通,其它开关管关闭。A 相绕组施加反向电压,电机处于负相主磁场中,电机仍为正方向运转。电流路径为:正极→T3A→A 相绕组→T3B→负极。当转子再次转动 90°电角度时,开关管 T4A 与 T4B 导通,其它开关管关闭。B 相绕组施加反向电压,电机处于负相主磁场中,电机正方向运转。电流路径为:正极→T4A→A 相绕组→T4B→负极。总的来说,PMBLDC 基本的转动原理为:首先根据位置传感器检测转子位置,然后控制电路根据其位置状况给各相通电,定子产生的磁场方向能连续均匀地发生变化,进而使 PMBLDC 持续达到工作状况。
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3 基于 Maxwell 2D 的 PMBLDC 建模仿真分析 ............. 13
3.1 电机有限元分析理论....... 13
3.2 Maxwell 2D 简介及 PMBLDC 建模 .... 16
3.2.1 Maxwell 2D 简介........ 16
3.2.2 PMBLDC 建模 ........... 17
3.3 PMBLDC 空载工况性能分析 .... 19
3.3.1 PMBLDC 空载起动性能分析 ....... 20
3.3.2 PMBLDC 空载稳态运行性能分析 ......... 24
3.4 PMBLDC 额定负载起动工况性能分析 ........ 27
3.5 PMBLDC 空载到额定负载工况性能分析 .... 31
3.6 本章小结....... 34
4 基于 RMxprt 模块的 PMBLDC 参数优化分析....35
4.1 定子槽型对电机性能的影响......35
4.1.1 定子槽深的影响.........36
4.1.2 槽口宽度的影响.........39
4.2 气隙长度对电机性能的影响......41
4.3 绕组线径对电机性能的影响......43
4.4 本章小结........44
5 结论与展望...........45
5.1 本文主要结论..........45
5.2 后续工作展望..........46
 
4 基于 RMxprt 模块的 PMBLDC 参数优化分析
 
RMxprt 模块是 ANSYS 公司基于等效磁路计算方法针对电机设计优化而开发的一款软件,其中包括了几乎所有类型电机的磁路设计,例如单相异步电动机、三相异步电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电机、可调速永磁同步电机、爪机电机动等[39]。RMxprt模块可以快速计算出电机的相关参数,为电机的设计与开发提供了大量的参考依据,大大缩短了电机设计、开发以及优化周期。RMxprt 模块还可以与二维和三维 Maxwell 实现无缝连接,基本上形成了 RMxprt 模块到 Maxwell 模块的一键式操作。本章主要介绍了使用RMxprt 模块对所研究的风机用 PMBLDC 部分参数分析与优化设计,以提高电机的工作性能。RMxprt 模块基本工作流程如图 4-1 所示。
 
4.1 定子槽型对电机性能的影响
本节主要选取讨论定子槽深 Hs2 与槽口宽度 Bs0 对电机空载转速、平均输入电流、堵转电流、气隙磁密、输出功率、电机总损耗以及额定转速等参数的影响。通过对电机定子槽深、槽口宽度的参数化分析,可以指导电机的设计,选取合适的参数值以达到优化电机性能的目的。当电机定子槽深 Hs2 由 7 mm 增加至 12 mm 时,电机的额定转速呈现增大趋势,由1574.07 rpm 增加至 1870.64 rpm,其变化幅度较大;但电机的额定转矩却是呈现下降趋势,由 3.33698 N·m 减小到 2.80966 N·m,电机的带载能力下降;气隙磁密由 0.67146 T 减小到0.55995 T,使得永磁体的利用率相对降低,但 D 轴、Q 轴电枢反应电感均未变化;平均输入电流由 2.8840A 增加到 2.9383A,总损耗由 84.4202 W 增加到 96.4248 W,二者均呈现上升趋势。由以上 RMxprt 仿真分析结果可以看出,当定子槽深度 Hs2 发生变化时,电机的性能也随之改变。在电机设计与优化时,为了确定合适的定子槽深,需要综合考虑电机转速、额定转矩、永磁体利用率以及电机损耗等关键因素。同时,在电机优化时,一般应使电机的槽满率低于 75 %。当电机槽满率太低时,电机定子槽太空,易导致电机发热,而当槽满率太高时,则导致绕组不易嵌线,易破坏电机绕组的绝缘。
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结论
 
目前,永磁无刷直流电动机在风机中的应用比较广泛且使用量较大,其性能的优劣直接影响到电能的利用率,如何提高电机的各项性能及其节能降耗是当今电机领域研究的热点问题之一。所以对该类风机用永磁无刷直流电动机进行系统、全面的仿真分析以得到其各项性能参数,暴露其某方面性能的缺陷,可对电机的性能改良与优化设计提供一定的技术手段与理论依据。本文针对一台额定功率为 0.55 kW 的两相永磁无刷直流电动机进行有限元仿真分析与基于等效磁路法的电机参数化设计,得到了以下主要结论。
(1) 在有限元软件 Ansoft Maxwell 2D 模块中建立了永磁无刷直流电动机的有限元仿真分析模型。通过分析永磁无刷直流电动机空载稳态运行状态下的磁力线与磁密分布,可知其漏磁较低,永磁体材工作在线性区,电机的磁路没有到饱和状态,不会因磁路饱和问题导致电机升温进而影响其正常运行状态;通过分析电机气隙磁密及其傅里叶变换曲线,可知其气隙磁密基波幅值低于一般经验值,电机出力性能较低。
(2) 通过在电路编辑器 Maxwell Circuit Editor 模块中编辑并设置永磁无刷直流电动机的外部驱动电路,并与电机有限元模型进行耦合,形成电机场路耦合仿真分析模型。通过对永磁无刷直流电动机空载起动性能仿真分析,由转速与电磁转矩变化曲线可知其空载起动时间短,稳定运行中速度平稳,电磁转矩波动较小,空载起动性能良好;电机在空载起动时电流较大,瞬时铜损也较大,但进入稳态运行状态后绕组电流便迅速减小,铜损基本消失;开关管周期性关断与导通的切换,使得电机两相绕组的反电势曲线出现短暂的尖峰脉冲。
(3) 通过运用永磁无刷直流电动机场路耦合仿真分析模型对其额定负载起动过程的分析,可以得到其绕组电压、电流、速度及电磁转矩等曲线,还可得到电机磁感应强度、磁力线等分布情况。电机负载起动时间比空载起动时间短,稳态运行性能良好;负载时的绕组铜损较小;稳态运行时,电机的磁路未达到饱和状态;电机负载稳态运行时的气隙磁密基波幅值较低。
(4) 然后,通过运用电机场路耦合仿真分析模型,对其由空载起动至稳态运行时强加额定负载转矩来考核电机的机械瞬态特性。电机由空载稳态运行状态经过电磁转矩的增加后进入额定负载稳态运行的调整时间较短,得到该电机具有较理想的抗负载变化特性的结论。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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