基于奇/偶互补磁场理论的自起动永磁同步电机两种运行状态研究

基于奇/偶互补磁场理论的新型自起动永磁同步电机(line-start permanent magnet synchronous motor,LSPMSM)根据定子绕组两种联结方式,可分为不同的运行状态。定子仅主绕组接入电网时,电机处于“互补磁场”状态,此时转子同位线圈电阻的折算值增大,电抗折算值不变,进而在起动初期缩小电机冲击电流的同时,增大起动转矩。定子主绕组与次绕组同时供电时,电机处于常规状态,此时定子绕组电磁性能等效于正规60°相带设计,稳态运行时性能与普通LSPMSM相同。该文分别对新型电机两种运行状态下的工作原理、等效电路和转矩–转速曲线进行分析。建立有限元仿真模型,对样机两种运行状态的堵转性能、起动性能进行研究,并分别研究样机在空载、重载起动条件下的切换过程。样机试验与仿真结果表明,轻载时在牵入同步速度附近切换运行状态,重载时在0.6倍额定转速前切换运行状态,新型电机能够兼顾高起动性能与高稳态性能。

硅钢片槽楔在高压自起动永磁电机中的性能研究

针对磁性槽楔存在槽漏抗大,导磁性能低,槽楔脱落的问题,提出一种新型结构的硅钢片槽楔。新槽楔的不同间隙距离和下底面半径可有效改变空载气隙磁密分布情况。槽楔对电机转矩性能主要影响电机堵转性能,对电机牵入性能影响不大。新型槽楔和磁性槽楔在电机运行时受到磁拉力的作用,电磁力作用可忽略不计。新型槽楔所受磁拉力交流分量作用最小,可靠性高于磁性槽楔。新型槽楔的间隙距离在4 mm时,其磁拉力直流分量和交流分量最小。下底面半径对磁拉力交流分量作用明显,对直流分量大小没有影响。最后,通过样机和实验证明了新型槽楔电磁性能的优势。

自起动永磁同步电动机齿槽转矩的研究

永磁电机中永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用,产生齿槽转矩,引起电机振动和噪声。该文提出了一种针对自起动永磁同步电动机的解析分析方法,得到了齿槽转矩的解析表达式。基于所导出的表达式,根据产生机理的不同,将齿槽转矩各分量分为4类,对各类齿槽转矩的特点进行了分析,并研究了斜槽对各类齿槽转矩的影响,研究表明:与表面式永磁电机不同的是,在自起动永磁同步电动机中采用斜槽的方法不能消除所有的齿槽转矩。

自起动永磁同步电机起动过程退磁磁场的计算与分析

自起动永磁电机起动过程中的退磁磁场可能导致永磁体的不可逆退磁。为分析退磁磁场产生的原因,建立了计及饱和、涡流等多种因素影响的自起动永磁同步电机起动过程退磁磁场的时步有限元模型,并分项计算了永磁体作用、鼠笼异步电机效应及变频永磁发电机效应的影响。计算结果表明,重载起动时,从低速开始,永磁体内就出现波动变化的退磁磁场,并在接近同步速时退磁效应最明显;而空载起动时,退磁磁场仅波动一次,并在0.5倍同步速附近出现较强的退磁效应。由理论分析可知,在转速较低时,永磁体就存在退磁效应,其磁密呈波动变化的根本原因在于鼠笼异步电机效应与变频发电机效应的共同作用。算例计算结果验证了理论分析的正确性。最后通过实验验证了所提有限元计算方法的有效性。

一种进气道自起动特性检测方法

发展了一种应用于激波风洞中快速检测高超声速进气道自起动能力的实验方法。该方法通过在隔离段内预先设置轻质堵块,迫使进气道在风洞运行初期不起动,待堵块被吹出后,流道恢复畅通,进而考察进气道是否具有起动能力。实验采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,对二元高超声速进气道的起动特性进行了研究。通过对纹影照片以及相应的壁面压强信号的分析,对所发展的自起动检测方法的可靠性进行了考核,并进一步研究了内收缩比对进气道起动特性的影响。在激波风洞中获得了进气道自起动过程以及起动/不起动双解区的流场特征和相应的壁面压强变化历程。

基于三维有限元法U型单相自起动永磁同步电机涡流场与温度场的分析计算

为了抑制转速波动、降低振动,同时提高电机带载起动能力,在原单相自起动永磁同步电机转子外侧加了铜皮套筒.采用A,φ-A三维有限元法对涡流场进行了计算,得到了铜皮套筒内的涡流和涡流损耗.在此基础上结合利用流体相似理论得到的散热系数,针对所建立的三维温度场进行了有限元计算,分别得到了铜皮套筒内涡流损耗、永磁体平均温度与套筒厚度之间的关系曲线.将计算结果与实测值进行了对比,验证了分析计算方法的可靠性.

自起动稀土永磁电机断相运行时步有限元分析

为了研究自起动稀土永磁电动机断相后的运行特性,建立了断相运行的场—路—运动直接耦合时步有限元模型。以一台22 kW永磁电机为例,分析了其在30%和50%额定负载下断相前后的定子电流、转矩波动及损耗情况。计算结果表明,在负载转矩保持不变的条件下,断相后定子电流接近断相前的2倍,转矩发生大幅度波动,而总损耗分别增加32%和84%。因此,从减小损耗与转矩波动两方面考虑,自起动稀土永磁电机即使轻载工况下也应尽量避免断相运行。实测数据验证了计算结果的正确性。

自起动永磁电动机的稳态转矩波动研究

由于自起动永磁电动机定转子双侧开槽、转子带有铸铝鼠笼,所以其谐波磁场比直流无刷电动机复杂。采用场-路-运动耦合的时步有限元方法对其稳态转矩波动现象进行研究,建立两种时步有限元计算模型对稳态转矩曲线进行分析。第一种模型包括转子运动方程,第二种模型不包括转子运动方程。分析表明采用两种模型计算谐波转矩的结果一致。采用第二种模型,通过加载基波或谐波电流,揭示了齿槽转矩、源于定子基波电流的谐波转矩及源于谐波电流的谐波转矩对稳态转矩波动的影响。通过与实测转矩对比验证了计算结果的正确性。

阶梯气隙结构对U型单相永磁电机自起动性能的影响

针对单相永磁同步电机不能自行起动的问题,采用阶梯气隙结构,使电机静止时在定位转矩的作用下定转子磁场之间存在相位差角,从而实现自起动。利用二维有限元计算的方法,分析阶梯气隙结构对电机电枢磁场和永磁体磁场的影响。针对永磁磁场,利用虚位移法对电机转子在不同位置时的定位转矩进行计算,求得永磁电机的转子初始相位角。得到一系列有关定位转矩、初始相位角与阶梯气隙结构参数之间的关系曲线。利用时步有限元法对U型单相永磁同步电机的起动过程进行动态模拟仿真,通过转速曲线证明了合理的阶梯气隙结构有利于永磁电机实现自起动。

规则往复流中Wells透平自起动过程的数值模拟和实验研究

基于稳态透平切向力实验数据,在准定常流动假设下对规则往复流中Wells透平的自起动过程进行了数值模拟,数值模拟结果与实测数据的比较结果表明,该文建立的数值模拟过程可替代实验方法用以分析规则往复流中Wells透平的自起动过程。

自起动永磁电机最小转矩的时步有限元计算

考虑到起动过程中饱和、谐波及随转速变化的挤流效应等因素对转矩曲线的影响,研究如何从瞬态转矩曲线获取最小转矩数值。首先采用场-路-运动耦合的时步有限元方法得到起动过程的瞬态转矩转速曲线,为了从所获得的转矩随时间以及随转速变化呈现出急剧波动的曲线获得最小转矩的数值,提出了新的数据处理方法,使用该方法经过一次计算即可得最小转矩数值。最后研究了不同计算条件对最小转矩的影响。本文提出的方法不仅可以用于计算永磁电机的最小转矩,也可以为最小转矩的测试提供参考。

自起动永磁电机初始状态对起动冲击电流和冲击转矩的影响

研究了转子初始位置、通电时刻对自起动永磁电机动态起动性能的影响。以一台22kW永磁电机为例,通过理论分析和时步有限元计算揭示了起动冲击转矩、冲击电流与转子初始位置及通电时刻的关系。结果发现,当定子电流非周期分量产生的静止磁场对永磁体磁场产生增磁作用时,可能出现十几倍的起动冲击转矩和冲击电流。通过不同初始状态下的起动电流和转矩的实测分析,验证了该结论的正确性。

U型单相自起动永磁同步电机参数计算与起动特性分析

为了使U型单相永磁同步电机实现自起动,气隙采用非对称形式。文中基于二维有限元法对电机绕组电感、磁链和定位转矩进行了计算。在此基础上,针对所建立的动态数学模型,用龙格库塔法对空载起动过程进行了动态仿真计算,得到该电机电流、转矩和转速曲线。同时讨论了电源合闸角、转子初始相角、磁链和负载转矩对电机转速和旋转方向的影响。本文所论述的工作为该电机的进一步理论研究与优化设计奠定了基础。

叶片数对VAWT-SWS低风速自起动性能的影响

为探明叶片数对自适应风速垂直轴风力机(VAWT-SWS)自起动性能的影响,设计了可更换叶片个数(2,3,4)的风力机模型,通过风洞实验获得了3 m/s风速下风力机的静态转矩系数随方位角变化曲线,并与相同参数的Darrieus直叶片风力机(D-风力机)进行了对比。之后使自适应风速垂直轴风力机空载,得到了3 m/s风速下其转速随时间变化曲线。实验结果表明:自适应风速垂直轴风力机的自起动性能优于Darrieus直叶片风力机,增加叶片数可使自适应风速垂直轴风力机的静态自起动性能提高,但使动态自起动性能降低。

确定自起动永磁电机最小转矩的时步有限元仿真实验方法

自起动永磁电机的最小转矩是评价其启动能力的一个重要指标,根据解析方法所得的光滑转矩–转速(T-s)曲线虽然可得到其具体数值,但其计算条件与实际起动过程差别很大;能够准确反映诸多实际影响因素的时步有限元计算得到的T-s曲线是急剧波动的曲线,据此难以获得最小转矩的具体数值。该文研究工作的目的在于,不对该转矩曲线进行人为处理而获得最小转矩。首先研究在什么计算条件下能得到反映出最小转矩影响的转矩曲线,揭示了在某些计算条件下可能出现的最小转矩被"淹没"的现象;进而提出用以确定最小转矩的优化加载时步有限元仿真实验方法。通过将实例计算所得转矩曲线与实测曲线对比,表明计算结果可信。

利用不均匀气隙优化自起动永磁电机的气隙磁密波形

为了减小空载气隙磁场中谐波磁场对电机性能的影响,对内置"V"型转子磁路结构自起动永磁同步电动机的转子磁极形状进行了优化。采用不均匀气隙结构,以有限元为工具并利用遗传算法对空载气隙磁密波形进行了优化,使其中的谐波含量较小,得出了转子磁极的最优偏心距。在此基础上采用时步有限元方法,在考虑定子开槽、斜槽结构并计及饱和的情况下,对优化前后电机的电动势波形进行了分析对比,并通过试验验证了所采用的时步有限元计算程序的有效性。有限元计算结果表明,通过优化偏心的不均匀气隙设计,电机的空载气隙磁密和电动势波形得到了明显改善。

自起动永磁电机在转子表层结构不对称条件下的堵转电流

为了研究转子表层磁路结构不对称对永磁电机堵转电流的影响,以一台22kW电机为例,利用时步有限元法,系统分析了计及表层磁路结构不对称及磁路附加饱和条件下的堵转电流特点。分析发现:当转子磁极d轴与某相绕组轴线重合时,该相电流有效值比其他两相高10%左右,且正负半波幅值相差接近10%。进一步揭示了转子表层结构不对称是导致三相堵转电流不对称的主要原因,而永磁体存在引起的附加饱和是导致堵转电流正负半波幅值不等的主要原因。通过堵转电流实测验证了分析的正确性。

预设堵块法检测进气道自起动能力的数值研究

在进气道内预先设置轻质堵块迫使进气道不起动,堵块被气流吹出后流道恢复畅通,为激波风洞提供了一种检测进气道自起动能力的方法。为了深入认识预设堵块方法的检测过程,将堵块简化为一个自由度的刚体运动,采用k-ωSST湍流模型,结合铺层动网格技术,对该检测方法进行了二维非定常数值模拟。在Ma_∞=5.9条件下,采用改变堵块质量的方式,获得了三种典型的检测过程。通过分析堵块在气动力作用下的运动与进气道非定常波系演化相互耦合的过程,揭示了堵塞作用产生和消除的流动机理。结果表明,堵塞时间没有显著地改变进气道的自起动能力,预设堵块方法成功检测到进气道在Ma_∞=4.9自起动。此外,建立了预估堵块运动的匀加速模型,预估的堵塞时间与数值模拟结果较为符合。在Ma_∞=5.9条件下,堵块的临界质量约为3.8g。考虑到激波风洞实验时间短暂,应选择合适的堵块。

大型异同步电动机再制造成自起动永磁同步电机技术研究

对大型异同步电动机应用中存在的转子励磁系统损耗大、滑环故障率高等问题,提出仅对其转子进行改造,将其再制造成自起动永磁电机。以一台630k W-36P的异同步电机为例,通过等效安匝数原理将原电机转子直流励磁安匝数等效成永磁体激磁磁势,利用商业软件对等效永磁激励条件下的纹波转矩、气隙磁密波形、转速稳定性及运行效率等进行了仿真。结果表明,再制造后自起动永磁电机保留了原异同步电动机的优点,且效率和功率因数以及起动能力,都具有显著的提高,具有重要的工程实践和节能改造价值。

基于Taguchi的高压自起动永磁同步电动机起动性能优化

针对高压自起动永磁同步电动机起动过程中长时间低速爬行及大起动电流等问题,将Taguchi算法和有限元相结合,对高压自起动永磁同步电动机的起动性能进行综合优化。基于磁路法得到电机的基本设计参数和转子槽参数的水平值;利用Taguchi方法建立正交表,得到因子组合;利用有限元法对各组合进行分析,得到不同组合下的起动性能参数;利用极差和方差方法,就转子槽参数对起动性能的影响规律和所占比重进行分析,从而得到高压自起动永磁同步电动机起动性能优化最优组合方案,并进行了样机起动性能测试实验。研究结果表明:将Taguchi正交方法应用于高压自起动永磁同步电动机设计优化上,在保证全面分析的基础上减少分析次数,实现了多目标的同时优化,提高了起动性能,可以为高压自起动永磁同步电动机的设计提供指导方向。