高效自启动永磁同步电动机核心技术研究.docx
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高效自启动永磁同步电动机核心技术研究
高效自启动永磁同步电动机核心技术研究
1、永磁同步电动机关键制造工艺的研究
永磁同步电动机关键工艺的研究主要包括永磁体装配以及永磁电机总装配工艺的研究。
1)永磁体装配工艺的研究
由于高性能钕铁硼稀土材料的应用,永磁电机的转子加工精度要求较高,永磁电机转子上的永磁体槽与永磁体之间留有的间隙较小,一般在0.2~0.4mm范围,而目前永磁电机铁心叠压工艺大多采用铁心冲片的轴孔键槽定位方式已不能满足加工要求。
利用轴孔键槽定位,其定位方式精度低,转子铁心永磁体槽的整齐度得不到保证,叠压质量不能满足精度要求。
通常的解决措施是,利用人工对永磁体槽进行磨挫,增加永磁体槽的周边气隙,使永磁体能够顺利装入永磁电机转子内,这种工艺浪费了大量的时间和人力,延长了电机的生产周期和增加了电机的加工成本,而且容易造成由于电机永磁体槽在磁化方向气隙的增大而引起永磁电机运行性能恶化的结果。
1假轴2大头螺母3转子挡板4转子铁心5双头螺栓6螺母7转子槽8永磁体槽
图27.转子铁心叠压示意图
而采用假永磁体定位的叠压工艺,在转子铁心完成铸铝后拆卸假永磁体的时机不易掌握,铸铝转子的一次合格率较低,加工效率低下。
新的加工工艺是综合了两种加工工艺的优点而形成的、创新的叠压工艺(如图27),采用冲片键槽及固定转子端板的双头螺栓进行定位,有效地解决了转子铁心叠压不齐的问题,而且在永磁体装配前,增加了清槽工艺过程,使转子上的永磁体槽的尺寸公差完全能能够满足永磁体装配的要求。
2)永磁电机总装配工艺的研究
由于装入磁性较强的钕铁硼永磁材料,给永磁电机的装配工艺带来了很大的困难。
在转子刚接近定子时,由于永磁体的磁(极)性作用,定、转子就会紧紧地吸在一起,造成转子不能顺利装入定子,电机的功率越大,两者作用力就越大。
在无专用设备的过程中,如果装配时处理不当,不但两者会被强烈地吸引在一起而无法分开,影响了装配工作;甚至在强行分开的过程中损坏定、转子,更有甚者在实际装配过程中出现碰伤手指而致残的人身伤亡事故。
因此,研究永磁电机装配专用装备是十分必要的。
对于小功率的永磁电机,可不借助于专用装备,将永磁转子装入定子中,但对于较大功率的永磁电机,则必须借助于专用装备将转子推入到定子,以完成永磁电机的装配过程。
永磁电机总装配工艺的研究则是发明了一种永磁电机装配专用装备(如图28),此装备应用后能够克服操作困难,人体易受伤害等问题,工艺装备代替人工装配永磁电机,实现了机械化,效率高、安全可靠,为永磁电机制造开辟了一条高效装配之路,具有一定的经济效益。
图28.永磁电机定转子装配用工艺装备的结构示意图
1液压系统2工作台3导轨4小车5液压缸6液压缸7前顶针8前端盖9机座10定子11电机轴12前轴承13转子14后轴承15后端盖16后顶针
2、永磁同步电动机提高最小转矩关键技术研究
异步起动永磁同步电动机在起动过程中要求具有一定的起动转矩倍数、最小转矩倍数,此外还要求具有足够的最小转矩倍数。
最小转矩是决定异步起动永磁同步电动机起动能力的主要转矩之一。
如果在设计中不能采取有效措施提高最小转矩,常常导致电动机因最小转矩不够而无法起动。
永磁同步电动机起动过程中的总平均转矩
由异步转矩
、制动转矩
和发电制动转矩
三个平均转矩分量构成:
异步起动永磁同步电动机平均转矩随转差率变化曲线如图29所示:
图29.异步起动永磁同步电动机的平均转矩转差率曲线
由图29可见,异步起动永磁同步电动机起动过程中有两个最小转矩,一个是由Tg引起的,出现在低速处;另一个则是由Tb引起的,出现在稍高于半同步速处。
实践表明,对于设计合理的永磁同步电动机,由Tb引起的最小转矩较大,一般不影响电动机起动;而由Tg引起的最小转矩较小,是影响电动机起动的关键因素。
由图29还可明显看出,Tg引起的最小转矩由初始起动转矩和Tg的最大值及其发生的位置决定。
要提高电动机的最小转矩,首先必须提高初始起动转矩(比普通感应电动机高得多),其次应尽可能减小Tg的最大值。
将
和
合并计算(
),近似采用感应电动机的转矩公式如下式:
可以得到初始起动转矩主要由起动时定、转子漏抗和转子电阻决定。
要提高初始起动转矩,一是要减小定转子漏抗,可通过减少定子绕组匝数和定、转子漏磁导来实现;二是增大转子电阻,在转子槽形设计中,应适当缩小槽面积并尽可能采用深槽以利用挤流效应,同时,在端环设计中应适当减小端环面积。
在上述措施中,减少定子绕组匝数对提高初始起动转矩效果最佳,但匝数的减少需兼顾电动机的功率因数和效率指标,应保证电动机具有一定的空载发电电动势E0永磁同步电机与普通异步电机的主要区别在转子结构上。
永磁同步电机转子上既有转子槽又有永磁体槽,在有限的转子区域中存在转子槽与永磁体槽“竞争”空间的问题,因此应设计合理的转子结构,在为永磁体留出足够的安放空间的情况下尽量采用深槽。
转子电阻的增大应兼顾电动机的牵入性能。
在转子永磁体摆放空间允许的前提下,转子槽形应采用深槽,利用挤流效应增大转子起动电阻。
永磁发电制动转矩Tg是影响最小转矩的一个非常重要的因素。
定子电阻R1对Tg的最大值Tgm没有影响,它只影响Tg达最大值时的转差率sgm。
R1越大,则sgm越小,即Tg达最大值时的转速越高,此时由于异步平均转矩在低速区随转速增加而稍微增大,因此电动机的最小转矩值相对高一些。
空载发电电动势E0、电抗参数Xd、Xq及其比值Xq/Xd是影响Tgm的主要因素。
由于Xd、Xq与每极每相串联匝数平方成正比,E0与每极每相串联匝数成正比,因此改变匝数并不影响Tgm的大小(但影响初始起动转矩)。
E0对Tgm的影响由产生E0的磁场强弱即每极磁通大小决定。
磁场越强,磁通越大,Tgm越大,电动机的最小转矩越小;反之,磁场越弱,则最小转矩越大。
电抗参数Xd、Xq及其比值Xq/Xd对Tgm的影响主要由交、直轴磁路的磁阻分布状况决定。
随着Xq/Xd的增加,Kgmd、Kgmq均增加,但Kgmd增加的幅度较小(呈斜率较小的线性增加),Kgmq增加的幅度则较大。
当Xd增加时,一般Xq/Xd会有所减小,使Tgm减小;同样,减小Xq,Tgm亦将减小。
因此,为了提高电动机的最小转矩,从减小发电制动转矩角度考虑,一方面不应使气隙磁场过强,另一方面应设法适当增加直轴电抗Xd,减小交轴电抗Xq。
综合上述分析,提高永磁同步电动机的最小转矩可从以下4个方面着手:
★在保证一定的空载发电电动势E0的前提下,尽量减少定子绕组匝数;
★转子槽形和端环设计中应适当增大转子电阻,在永磁体摆放空间允许时采用深槽;
★气隙磁场不宜过强,但应与匝数配合保证一定的空载发电电动势E0;
★应设法适当增加直轴电抗Xd,减小交轴电抗Xq,但应兼顾电机牵入性能。
3、永磁同步电动机提高牵入转矩倍数的关键技术研究
1)牵入转矩的机理
一般来说,永磁同步电动机稳态运行时负载转矩并不是很大,但负载的转动惯量却相当大,这就要求电动机在带有规定转动惯量的负载时具有足够的整步能力。
因此,理清整步的机理和准确计算电动机整步能力对这类电动机的设计与运行极为重要。
牵入同步过程中,转子能量的增加应等于该过程中转矩所作的功。
若负载转矩较大,电动机负载转矩曲线与电磁转矩曲线的交点所对应的转速离同步转速较远,即牵入同步过程开始时的转差率比较大,意味着需要更多的能量以加速该负载到同步转速;同样,系统转动惯量越大,则电动机加速所需的电磁转矩越大,相应地牵入同步所需的能量也越大,电动机越难牵入同步。
电动机从接近同步转速开始到牵入同步过程中,如果电磁转矩足够大,则使电动机升速到超过同步转速,然后又减速,使转子围绕同步转速振荡。
由于稳态同步转矩的作用,使振荡衰减,转子逐渐牵入同步。
这反映在转矩转速轨迹上(见图30)为一系列顺时针方向旋转的近似椭圆的曲线,电动机转差率在接近零的最小值和最大值之间变动。
牵入同步的最后过程还可用图31所示的永磁同步电动机矩角特性曲线来分析。
开始时,电动机工作于电磁转矩曲线与负载转矩曲线的交点A点,对应的转矩角为1。
A点为非稳定工作点,如果有一个减少角的扰动,便会导致电动机加速,最后稳定运行在稳定工作点A点,如图31中虚线所示;如果有一个增加角的扰动,由于Tem 1瞬态转矩2负载转矩 图30.永磁同步电动机的负载转矩转速轨迹图31.永磁同步电动机的矩角特性 2)影响永磁同步电动机牵入同步能力因素的分析 影响电机牵入同步能力的因素很多,从能量守恒的角度看,这些因素最终要通过两种途径影响电机的牵入能力: 一是合成转矩在牵入过程中所作的功,二是转子牵入过程中所需的动能的变化。 它包含以下方面: ★空载漏磁系数对牵入性能的影响——当漏磁系数减少时,电机的牵入能力得到了提高。 因此,采取合理的隔磁措施减小漏磁系数使提高永磁电机牵入能力的重要途径之一; ★凸极率对永磁同步电动机牵入同步能力的影响——永磁同步电动机的凸极率是指电机的交轴电抗与直轴电抗之比,凸极率的增大可使电机所能牵入同步的临界转动惯量明显地增大,从而有利于电机牵入同步能力的提高。 ★转子电阻对牵入性能的影响——异步起动永磁同步电动机的起动过程可分为异步起动和牵入同步两个过程。 从提高永磁同步电动机的牵入性能考虑,电机转子电阻值应该设计的小一些,特别是在负载转动惯量较大时。 ★永磁体尺寸对永磁同步电动机牵入同步能力的影响——永磁同步电动机中永磁体的尺寸包括永磁体提供的磁通的面积、永磁体充磁方向长度和永磁体轴向长度。 计算表明,永磁体提供磁通的面积过大和过小都不利于牵入同步能力的提高。 因此,存在着一个使得电机牵入同步能力可达到的最大值的永磁体面积最佳值。 ★绕组匝数对于牵入性能的影响——从提高电机牵入性能的角度讲,减少绕组匝数是最方便、最快捷、最有效的途径,而且,减少绕组匝数也使得电机的是不转矩倍数和堵转转矩倍数增大,但是,这势必也将导致电机功率因数的减少和电机堵转电流的增大。 因此,必须选择合适的绕组匝数才能优化电机的性能。 综合上述分析,提高永磁同步电动机的牵入转矩可从以下5个方面着手: ★对永磁电机的转子磁路进行创新,以提高电机的漏磁系数。 ★合理选择 的数值。 ★通过改变转子起动笼适当减小转子电阻。 ★通过永磁体尺寸和位置的合理选择,得到适当的凸极率。 ★在不会导致电机功率因数的减少和电机堵转电流的增大的基础上,适当减小匝数。 4、永磁同步电动机防退磁技术的研究 钕铁硼永磁电机中的永磁体退磁后,永磁体的剩磁降低,电机的各项性能指标会发生改变,造成了诸如发电机输出电压达不到额定数值、电动机额定负载下电流增大等情况,更为严重的是电机不能正常运行。 因此有必要对永磁电机防退磁技术进行研究。 电机在起动、反向、突然短路等情况下,会有6~12倍额定值的电流,在电机内产生退磁磁场,使永磁体的工作点急剧下降。 图32.永磁体工作点图图33.最大去磁情况下永磁体工作点分布 采用场路结合的全新设计方法,对永磁电机永磁材料退磁机理进行了研究,对永磁电机退磁进行了仿真,提出了电机防退磁技术的设计方法,能够有效地避免永磁电机在非正常运行时产生退磁现象。
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