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maxwell软件三相同步电机设计
10三相同步电机
本章我们将简化RMxprt一些基本介绍,以便介绍一些更高级的使用。
有关RMxprt基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。
10.1分析方法
三相凸极同步电机有发电机和电动机之分,两者的结构基本相同。
三相同步发电机是工业、商业以及民用的主要电能来源,它将机械能转化为电能,其转子上装有由直流电励磁的多级绕组,定子上装有三相正弦分布绕组,转子旋转在气隙中产生旋转磁场。
定子上感应出电压,频率为:
(10.1)
其中p是极对数,n是转子的机械转速,单位rpm,又称为同步转速,电机可以根据负载需要来产生有功功率和无功功率。
通常采用频域矢量图来对电机进行分析,发电机和电动机的矢量图如图10.1所示。
a.发电机
b.电动机
图10.1同步电机矢量图
图中R1和X1分别为电枢绕组电阻和漏电抗,Xad和Xaq分别为d轴电枢电抗和q轴电枢电抗。
相量图中Xad是经过线性化处理的非线性参数。
以输入电压U为参考相量,则电流相量为:
(10.2)
设功率因数角为φ,是电压相量U与电流相量I的夹角,
图中OM所代表的相量可表示为
(10.3)
设E0与U的夹角为θ,(对于发电机θ称为功率角,对于电动机θ,称为力矩角),则E0与I的夹角为
(10.4)
d轴和q轴电流可分别按下式求出
(10.5)
图中ON相量代表由d轴磁链所产生的d轴反电势。
由磁路空载特性曲线,可确定E0,Xad和励磁电流If
1.对于发电机:
输出电功率:
(10.6)
输入功率(机械功率):
(10.7)
式中:
Pfw,PCua,PFe,Padd,Pcuf和Pex分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗
输入机械转矩:
(10.8)
式中ω为同步角速度,单位:
rad/s
2.对于电动机:
输入电功率:
(10.9)
输出机械功率:
(10.10)
式中:
Pfw,PCua,PFe,Padd,Pcuf和Pex分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗
输出机械转矩:
(10.11)
电机效率:
(10.12)
10.2主要特点
10.2.1适用于同步电动机和同步发电机
凸极同步电动机和发电机结构基本相同,相量关系和计算方法有些差别,输出性能数据也有所不同。
故RMxprt将同步电机分为两个设计模块:
同步电动机和同步发电机。
10.2.2三相绕组的自动排布
几乎所有常用的三相和单相,单层和双层,整数槽和分数槽交流绕组都能自动设计。
用户不需要一个接一个的自己定义线圈。
当设计者采用全极式单层绕组时,RMxprt将自动对绕组进行排列,以减少绕组端部长度。
当使用不对称三相绕组时,绕组排列按照最少负序和零序进行优化。
10.2.3绕组编辑器支持任何单、双层绕组的设计
除了利用RMxprt中的绕组自动排列功能,用户也能通过WindingEditor来指定特殊形式的绕组排列。
在WindingEditor(绕组编辑器)中,通过改变每个线圈的相属Phase、匝数Turns、入槽号InSlot和出槽号OutSlot,可排列出任意所需的单、双层绕组分布形式。
10.2.4气隙磁场分析
对于均匀气隙和非均匀气隙(磁极偏心),都能通过许克变换求解气隙磁场的分布。
10.2.5电势波形和总谐波畸变(THD)分析
以气隙磁场波形分析为基础,综合考虑绕组短距、绕组分布、斜槽、绕组联结方式以及负载影响等诸多因数,对线圈和绕组电势波形进行分析,求解电势波形畸变率。
10.2.6阻尼绕组的瞬态参数分析
与感应电机的鼠笼绕组不同,凸极同步电机阻尼绕组处于d轴和q轴差别很大的非均匀磁场中。
因此,阻尼条的联结有多种形式,有每极连接(极间不连接)、全部连接和端板式连接。
1.每极连接(极间不连接)
2.全部连接
3.端板式连接
所有这些复杂情况RMxprt都能进行分析处理,并给出阻尼绕组的动态参数。
10.3设计三相同步电机
这一节,我们将演示三相同步电动机设计的一般流程。
点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell12>Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。
从RMxprt主菜单条中点击File>New新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。
从RMxprt主菜单栏中点击Project>InsertRMxprtDesign。
在SelectMachineType会话框中选择Three-PhaseSynchronousMachine,然后点击OK返回RMxprt主窗口。
这样就添加一个新的RMxprt设计。
从RMxprt菜单栏中点击File>Save。
如果想把项目另存为SynM3_6p50Hz538kW.mxwl,可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。
(参见3.2.6设置默认的项目路径)
分析这个算例,需要做以下几项设置:
1.设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位):
2.配置RMxprt材料库(参考章节3.4.1配置材料库):
3.编辑线规库(参考章节3.3.2到3.3.6):
当选择Three-PhaseSynchronousMachine做为电机模型时,必须输入如下几项:
1.Generaldata.(基本性能数据)
2.Statordata.(定子数据)
3.Rotordata.(转子数据)
4.Solutiondata.(解算数据)
可选项:
1.定子和转子中选择添加或去掉阻尼
2.定子和转子中选择添加或去掉通风孔
10.3.1主要性能数据
在项目树下双击Machine图标,可显示Properties.对话框。
在如图10.2所示的Machine列表下定义基本性能数据。
1.MachineType:
电机类型。
2.NumberofPoles:
电机极数。
其值为定子极数的总和(或极对数×2)。
图10.2基本性能参数
3.FrictionalLoss:
在参考转速下测得的摩擦损耗(由摩擦产生)
4.WindLoss:
参考转速下测得的风阻损耗(由空气阻力产生)
5.ReferenceSpeed:
所给的参考转速。
点击OK关闭Properties对话框。
10.3.2定子设计
双击项目树中的Machine>Stator图标,显示Properties对话框。
在如图10.3所示的Stator列表中输入定子数据。
图10.3定子数据
1.OuterDiameter:
定子外径。
2.InnerDiameter:
定子内径。
3.Length:
定子铁心的轴向长度。
4.StackingFactor:
定子的迭压系数
5.SteelType:
定子铁心材料类型(参考7.3节设置材料类型)
6.NumberofSlot:
定子槽数
7.SlotType:
定子槽型(参考7.1.1节槽型)
1)点击SlotType显示SelectSlotType对话框。
2)选择一种槽型(有6种类型可用)
3)点击OK关闭SelectSlotType对话框。
8.LaminationSectors:
迭片分区数。
对于大型感应电动机,一个迭片可能由如图10.4所示的几个扇形组合而成,而不是一个整体的圆形迭片。
迭片分区数表示一个迭片由几个这样的扇区组成。
9.PressboardThickness:
导磁隔板的厚度。
键入0表示为一个非导磁的隔板
10.SkewWidth:
用槽数度量的斜槽宽度
点击OK关闭Properties对话框。
图10.4定子叠片扇形
10.3.2.1设计定子槽型
双击项目树中的Machine>Stator>Slot图标,显示Properties对话框(参考7.1.1节槽型)。
在如图10.5所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。
点击OK关闭Properties对话框。
图10.5定子槽尺寸
10.3.2.2设计定子绕组
双击项目树中的Machine>Stator>Winding图标,显示Properties对话框,其中包含两个列表:
Winding和End/Insulation。
10.3.2.2.1设计定子绕组的线径及材料
在如图10.6所示的Winding列表中定义导线、导体和定子绕组
1.WindingLayers:
绕组层数。
从下拉菜单中选择绕组层数(可选1和2)
2.WindingType:
绕组类型(参考7.5.1节的设置交流绕组类型)
1)点击WindingType显示WINDINGType对话框。
2)从以下3种绕组类型中选择一种:
a.Editor
b.WholeCoiled
c.HalfCoiled
3)点击OK关闭WINDINGType对话框。
图10.6槽绝缘和绕组形式
3.ParallelBranches:
定子一相绕组的并联支路数
4.ConductorsperSlot:
每槽导体数,槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。
输入0,RMxprt会进行自动设计。
5.CoilPitch:
以槽数度量的节距,节距是指一个线圈跨过的槽数目。
例如,如果一个线圈起始边在1号槽,终边在6号槽,则节距为5。
6.NumberofStrands:
每个导体中导线的并绕根数。
输入0,RMxprt会自动设计根数。
7.WireWrap:
漆包线的双边漆皮厚度。
输入0后能从导线库中自动获得
8.WireSize:
定子绕组导线的直径(输入0,RMxprt会自动设计)。
用户可选择圆导线或扁导线两种型号。
当槽型为1到4时,圆形导线可用(参考7.4.1节设置圆导线)。
当槽型为5或6时,扁导线可用(参考7.4.2节设置扁导线)。
10.3.2.2.2设计端部绕组和定子绝缘
可参考7.5.3节端部绕组和槽绝缘中的详细介绍。
在如图10.7所示的End/Insulation列表中定义绕组端部和槽绝缘。
图10.7端部绕组和绝缘数据
1.InputHalf-turnLength:
选择或取消该选项框以指定是否想要键入半匝长度。
选中该选项,用户下次打开Properties对话框会出现HalfTurnLength。
如未被选中,会有EndAdjustment替代其位置。
2.Half-turnLength:
电枢绕组的半匝长度。
当InputHalf-turnLength被选中时,其可用。
3.EndAdjustment:
定子绕组的端部长度调节项,及导线伸出定子的垂直距离。
当InputHalf-turnLength未被选中时,其可用。
4.BaseInnerRadius:
底角半径
5.TipInnerDiameter:
线圈外弧半径
6.EndClearance:
两临近线圈的间隔
7.SlotLiner:
槽绝缘的厚度
8.WedgeThickness:
槽楔的厚度
9.LayerInsulation:
层绝缘的厚度
10.LimitedFillFactor:
设计槽满率的上限。
点击OK返回RMxprt的主窗口。
10.3.2.2.3绕组编辑器
对于三相同步电机,用户可以利用绕组编辑器为每个槽定义不同的导体数。
为了使用绕组编辑器,用户必须在WindingProperty中选择WindingType为Editor(参考3.5编辑交流绕组)。
10.3.2.3设计定子通风孔
用户可以选择在三相同步电机中添加通风孔。
在三相同步电机的定子上添加通风孔:
1.右键点击项目树中的Machine>Stator图标。
2.在弹出的右键菜单中选择InsertVent,向项目树中添加Machine>Stator>Vent。
3.在项目树中双击Machine>Stator>Vent图标,显示如图8.10所示的Properties对话框。
4.定义定子上的通风孔数据。
1)VentDucts:
通风孔的数量。
2)DuctWidth:
通风孔的径向宽度。
3)MagneticSpacerWidth:
磁性挡板的宽度。
0意味着使用非磁性材料。
4)DuctPitch:
两个相邻通风孔的间距。
5.点击OK关闭Properties对话框。
图10.8通风孔数据
如果想移除三相同步电机定子上的通风孔:
1.右键点击项目树中的Machine>Stator图标。
2.在弹出的右键菜单中选择RemoveVent,从项目树中移除Machine>Stator>Vent图标
10.3.3转子设计
在项目树中双击Machine>Rotor图表显示Properties对话框,其中有Rotor,Pole和Insulation三个列表。
10.3.3.1设计转子数据
在如图10.9所示的Rotor列表中,定义转子数据
图10.9转子数据
1.OuterDiameter:
转子外径
2.InnerDiameter:
转子内径
3.Length:
转子铁心长度
4.SteelType:
选择转子材料(参考7.3指定材料类型)
10.3.3.2设计转子磁极
在Pole列表中,如图10.10所示,设计转子磁极数据。
y
图10.10磁极数据
1.StackingFactor:
转子的迭压系数
2.PoleArcOffset:
极弧中心与转子中心的偏心距(如图10.11所示)。
图10.11极弧偏心距
3.PoleShoeWidth:
.极靴宽度
4.PoleShoeHeight:
极靴高度
5.PoleBodyWidth:
极身宽度
6.PoleBodyHeight:
极身高度
7.SecondAirGap:
第二气隙宽度(极身与转子轭之间的宽度)
8.SecondPoleArc:
第二极弧,选择极表面是否包括半个磁极范围内的两段弧。
当选择该项后,将增加Off2_x和Off2_y两个选项。
9.Off2_x:
第二极弧x方向的偏心坐标,只有当SecondPoleArc被选择是可用。
10.Off2_y:
第二极弧y方向的偏心坐标,只有当SecondPoleArc被选择是可用。
11.MagneticPressBoard:
选择压板是否是由磁性材料构成
12.PressBoardThickness:
压板厚度
转子磁极结构如图10.12所示。
图10.12转子磁极结构
10.3.3.3设计转子绝缘
在Insulation列表中,设计转子绝缘数据如图10.13所示。
1.ShoeInsulation:
极靴之下的绝缘材料厚度。
2.PoleInsulation:
极身侧面的绝缘材料厚度。
3.WindingClearance:
绕组间隙
点击OK关闭Properties会话框。
图10.13绝缘数据
10.3.3.4转子绕组设计
转子上装有励磁用的磁极绕组(参考6.6磁极绕组)。
在项目树下双击Machine>Rotor>Winding图标显示Properties对话框,在如图10.14所示Winding列表中,定义转子绕组数据
1.WindingType:
转子绕组型式(参考7.5.4磁极绕组类型)。
选择绕组型式,然后点击OK关闭弹出的会话框。
2.ParallelBranches:
转子绕组的并联支路数
3.ConductorsperPole:
每磁极导体数。
输入0,RMxprt会自动设计
4.NumberofStrands:
并绕根数。
输入0,RMxprt会自动设计。
5.WireWrap:
导线漆膜厚度。
输入0后能从导线库中自动获得。
6.InterturnInsulation:
绕组的匝间绝缘厚度。
当选择绕组型式为Edgewise时可用。
图10.14转子绕组
7.WireSize:
电枢绕组的线径,0表示自动设计(参考7.4.1圆导线设置和7.4.2扁导线设置)
8.AxialClearance:
磁极绕组与磁极或内部线圈间的轴向间隙。
9.LimitedCrossWidth:
绕组设计时的限制交叉宽度或如图10.12所示的OverallWidth。
(输入0则为可用的最大值).
10.LimitedCrossHeight:
绕组设计时的限制交叉高度或如图10.12所示的OverallHeight(输入0则为可用的最大值).
11.WindingFillet:
绕组弯曲部分的倒角。
磁极绕组结构如图10.15所示。
点击OK关闭Properties对话框。
图10.15磁极绕组数据
10.3.3.5设计转子阻尼绕组
在三相同步电机中可以选择为转子添加阻尼。
10.3.3.5.1添加或去掉转子阻尼
在三相同步电机中添加转子阻尼:
1.在项目树下用右键点击图标Machine>Rotor
2.从Machine>Rotor>Damper中选择InsertDamper
在三相同步电机中去掉转子阻尼:
1.在项目树下用右键点击图标Machine>Rotor
2.从Machine>Rotor>Damper中选择RemoveDamper
10.3.3.5.2设计转子阻尼
1.在工程树下双击图标Machine>Rotor>Damper显示Properties会话框。
2.设计阻尼数据如图10.16所示。
图10.16阻尼绕组数据
3.点击OK关闭Properties对话框。
阻尼数据包括:
1.DamperSlotsPerPole:
每极阻尼槽数
2.SlotType:
阻尼槽型(参考7.2.1阻尼绕组槽型)
1)点击SlotType按钮,显示SelectSlotType对话框;
2)选择一种槽型(可选槽型包括1到4);
3)点击OK关闭SelectSlotType会话框。
3.CastRotor:
选择转子导条是否为铸造,导体是否填满槽中的所有可用空间。
否则,RMxprt将在2D几何模型中假定槽口没有导体。
4.BarConductorType:
选择阻尼导体材料(参考7.3设定材料类型).
5.EndLength:
导条超出定子铁心的单边端部长度。
只指定单边长度,而不是双边长度。
6.EndRingWidth:
端环的单边轴向宽度。
7.EndRingHeight:
端环的径向高度。
端环将转子导条相联,端环高度至少应覆盖转子导体。
只指定单边长度,而不是双边长度。
8.EndRingConductorType:
端环材料(参考章节7.3定义材料属性)。
9.SlotPitch:
斜槽(电角度)
10.CenterSlotPitch:
斜槽中心(电角度)
11.EndRingType:
阻尼端环类型。
点击EndRingType按钮显示SelectPoleType会话框。
从中选择一种,然后点击OK关闭如图10.7中所示弹出的会话框
图10.17选择端环型式
图10.7中有四个选项,当鼠标放在某个选项上时,就会出现所选磁极的轮廓,并带有磁极的尺寸,如图10.18所示。
1)0:
导体盘把所有极下的阻尼条都连接起来。
如图10.18a所示。
2)1:
一个导体盘把一个极下的阻尼条都连接起来。
如图10.18b所示。
3)2:
一个导体环把一个极下的阻尼条都连接起来。
如图10.18c.所示。
4)3:
端环把所有极下的阻尼条都连接起来。
如图10.18d所示。
a.Type0
b.Type1
c.Type2
d.Type3
图10.18端环型式
10.3.3.5.3设计阻尼槽
在工程树下点击Machine>Rotor>DamperSlot显示Properties会话框(参考7.1.2阻尼槽型)
在Slot列表中,如图10.19所示,设计槽尺寸。
点击OK关闭Properties会话框。
图10.19阻尼槽尺寸
10.3.4设计转轴
定义转轴数据:
1.点击项目树中的Machine>Shaft图标,显示Properties对话框.
2.在如图10.20所示的Shaft列表中,选择或清除MagneticShaft选项,以指定转轴是否由磁性材料制成。
3.点击OK关闭Properties对话框
图10.20转轴数据
10.4三相同步电机的求解
10.4.1添加计算方案(setup)
设置计算方案:
1.在项目树下用右键点击Analysis图标,然后右键菜单中点击AddSolutionSetup,显示SolutionSetup对话框.
2.在如图10.21的General列表中定义计算方案的数据。
图10.21解决方案设置
1)OperationType:
在下拉菜单中选择运行方式:
电动机Motor或发电机Generator
2)LoadType:
从下拉列表中选择负载类型(参考7.8.1电机负载类型).
3)RatedApparentPower:
对于发电机,为电机输出的电功率;
RatedOutputPower:
对于电动机,为电机转轴输出的机械功率。
4)RatedVoltage:
电机线电压有效值,并选择其单位。
5)RatedSpeed:
在电动机负载端的理想输出转速。
6)OperatingTemperature:
电机运行时的工作温度。
工作温度会影响绕线的电阻,因此会影响电阻损耗。
3.在SYNM列表中,如图10.22所示定义联接数据。
图10.22联接数据
1)RatedPowerFactor:
额定功率因数。
对于发电机,额定输出功率等于额定视在功率×额定功率因数。
2)WindingConnection:
从下拉列表选择Wye或Delta。
3)ExciterEfficiency:
励磁机提供给转子绕组的电流占直流电源提供的直流电流的百分比。
励磁效率在0%到100%之间,只影响总效率。
4)InputExcitingCurrent:
输入励磁电流
5)StartingFieldResistance:
在起动时连接在励磁电路中的电阻(只对于电动机)
4.点击OK关闭弹出的会话框
10.4.2计算方案求解
1.点击RMxprt>ValidationCheck,显示ValidationCheck的消息框。
2.如果设置有问题,可以通过窗口中的诊断消息解决。
3.点击Close关闭ValidationCheck的消息框。
4.当设计被确认后,点击RMxprt>AnalyzeAll。
5.分析过程会在过程Progress窗口中显示,分析信息会在MessageManager窗口中显示。
10.5三相同步电机设计输出
当RMxprt完成求解后,可采用下面的方法观察和分析计算结果:
10.5.1查看计算结果
点击RMxprt>Results>SolutionData显示Solutions对话框,其中包含4个列表。
看完结果后,点击Close来关闭Solution消息对话框。
10.5.1.1求解结果
在S
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