（电机与电器专业论文）高功率密度电驱动系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g na n da p p l i a n c eo f h i g hp o w e rd e n s i t yo fe l e c t r i cd r i v es y s t e mi s r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mi n v o l v e sf o u rp a r t s ，h i 曲p o w e rd e n s i t ym o t o r , l o wh a r m o n i cv a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e r s u p p l y , c o o l i n gs y s t e mo f o i lf o u n t a i nw i t h h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ea n dt h eo n l i n et e s t i n go f t h ed y n a m i cp a r a m e t e r s t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h el o s sa n dh e a to ft h em o t o lt h es t r u c t u r ed e s i g na n d t h ec o o l i n gp r o b l e m 。a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g r e a tc a p a c i t y , s m a l lv o l u m e a n dl i g h tw e i g h t ，a c o o l i n g s t r u c t u r eo fs t a t o r - r o t o rd o u b l eo i lp a t hi sp r e s e n t e d ，a n d t h et e s t i n go f t h em o t o rr e s u l ti sa n a l y z e d a l s ot h em e c h a n i s m o f p r o d u c t i o no f h i g h h a r m o n i ca n dt h ee f f e c tt ot h em o t o ra r ea n a l y z e di nt h ev a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e r s u p p l y , am e t h o do fe l i m i n a t i n g t h e h i g hh a r m o n i c i sa d v a n c e d u t i l i z i n g t h e t e c h n o l o g yo fs p w m a n d r e c o n f i g u r a t i o n f i n a l l yt h em e t h o d i ss i m u l a t e d k e yw o r d ：h i 曲p o w e rd e n s i t y 、e l e c t r i c a ld r i v e rs y s t e m 、o i lc o o l i n g 、v a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y 、s i m u l a t i o n i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍高功率密度电驱动系统的研究意义、发展与应用前景、高功 率密度电驱动系统的分类以及高功率密度电驱动系统的组成。 1 1 高功率密度电驱动系统及其发展前景 1 1 1 本课题的研究意义 本课题来源予国防科工委关于螺旋桨飞机模型风洞改造项目的关键技术研 究，旨在研究满足螺旋桨飞机模型风洞实验要求的电驱动系统。 国内现有的电驱动系统采用的电动机的功率密度不超过0 8 3 3 k v k g ，美国 a b l e 公司生产的5 0 h p 电机的功率密度虽可达1 7 5k w k g ，但都不能满足螺 旋桨飞机模型风洞实验对电驱动系统的要求。根据螺旋桨飞机模型风洞实验的 要求，本项目研究的功率密度电驱动系统的技术指标要求为： 额定功率3 6 k w 同步转速 1 2 0 0 0r p m 额定频率4 0 0 h z 最大转矩倍数 1 5 驱动方式： v v v f 电机外形：巾1 2 0 4 5 0m m 功率密度：大于1 8k w k g 这种功率密度大于1 8 k w k g 的电驱动系统可称为高功率密度电驱动系统”。 研究开发高功率密度的航空电驱动系统技术，首先可以满足螺旋桨飞机模型 进行风洞实验时对驱动系统的要，更长远的看，可以为我们国家在这一领域的 发展能逐步做到与航空发达国家( 特别是美国) 技术同步、提高我国军事工业 领域电驱动系统技术水平，为各种新型武器如飞机、军舰等的研制与发展所需 的高功率密度电驱动系统作技术储备。除了在风洞实验中使用外，高功率密度 电驱动系统还将在会更多特殊场合将得到广泛的应用，因此本项目的研究为发 展各种先进军用设备和工业系统奠定基础。 高功率电驱动系统的广泛使用，可以降低能源的损耗，同时，也会减少对环 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 境的污染。地球上的能源日益稀少，开发、应用高功率密度电驱动系统具有很 重要的现实意义。 1 1 - 2 高功率密度电驱动系统的发展前景 新型的高功率密度电驱动系统有着良好的发展前景。目前，由于受到电机技 术、控制理论、材料等诸多因素的制约，电驱动系统的功率密度的发展潜力受 到极大的制约，这种电驱动技术远不能适应今日各种电驱动设备的发展需求， 尤其是在各种尖端技术领域。在航空领域，多电飞机和全电飞机是未来飞机的 重要发展方向。多电飞机和全电飞机在欧美等国家和地区已经开始研制，其中 的关键技术之一就是用电力作动器取代目前广泛应用的液压作动器，而这种取 代的基本条件是电力作动器的功率密度能否达到液压作动器的功率密度的水 平，目前的普通航空用电驱动系统和此要求还有相当距离。在船舶工业( 尤其 是军用舰船) 领域中，由于高功率密度电驱动系统的优点，高功率密度电驱动 系统代替传统的螺旋桨推进器，可以大大提高舰船的推进系统效率，节约大量 的能源，全电战舰的能源分配【2 】j 由英国皇家海军在2 0 0 1 年提出( 见图1 一1 ) 。 英国皇家海军的一份研究报告【2 l j 显示：全电战舰将是西方军舰发展的一个趋 势，而高功率密度电驱动系统是全电战舰发展的一项关键技术。通过传统螺旋 桨推进器与高功率密度电驱动系统的对比( 见图1 2 ) 可以看出，传统螺旋桨 推进器占整个传统战舰能源消耗的8 0 ，而电驱动系统的能源消耗仅占整个全 电战舰能源消耗的2 0 ，远低于传统螺旋桨推进器。故在传统战舰向全电战舰 发展的过程中，高功率密度电驱动系统无疑将会替代传统螺旋桨动力推进系统。 图1 一l 全电战舰推进器系统 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 驱动系统对比图 高功率密度电驱动系统是传统的电拖动系统的发展，高功率密度电驱动系 统研究涉及到多个领域、多个学科。高功率密度电驱动系统的发展，依赖于充 分利用近年来磁性材料的技术、电力电子器件的技术、计算机技术、控制技术、 精密加工技术的发展成果，特别是近年来各种民用电机的控制技术研究成果， 将电机、控制和电力电子技术融为一体。随着新技术新材料的不断出现，高功 率密度电驱动系统将不断被开发使用。 总之，高功率密度电驱动系统在军事工业、民用工业将逐渐取得不可替代的 地位。并且将带动更多新生事物、新兴产业不断出现。 1 2 高功率密度系统的组成 高功率密度电驱动系统包括：高功率密度驱动电机、低谐波变频电源、油冷 却系统和电动机的动态参数测试装置四大部分( 如图l 3 ) 。 高功率密度驱动电机是本系统的核心。螺旋桨飞机风模型洞实验条件要求电 机的体积小，特别是径向尺寸受到严格限制，同时电动机的功率还必须满足螺 旋桨风洞实验大功率要求。 低谐波变频电源为高功率密度变频电机提供接近理想的变压变频正弦交流 电。一般的变频电源提供的输出都包含高次谐波，但高功率密度电驱动系统要 的其谐波含量要尽量少。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 作为高功率密度电驱动系统核心组成部分的高功率密度电动机，其功率密度 相当高，因此电机发热严重，为及时带走电动机产生的热量，高效冷却系统就 必不可少。高功率密度电动机的冷却系统由电机冷却油路、高效冷却介质以及 油源装置组成。 图1 3 高功率密度电驱动系统原理框图 电 动 机 1 3 课题难点及研究内容 根据系统的技术要求，本课题研究的电驱动系统的功率密度高，因此电动机 必须采用有效的冷却结构，以增加电动机的功率密度；同时，高功率密度电动 机的转速非常高( 1 2 0 0 0 r p m ) ，这就要求电动机的结构强度必须满足高速运行， 所以结构设计( 包括是冷却结构) 是本项目的难点之一。电动机额定输入频率 高( 达4 0 0 h z ) ，这会使电动机的铁损耗增加，从而使电机的温升增大，电动机 的功率密度高这一特点还影响高功率密度电动机的主要电磁参数的选取，目前 高功率密度电动机电磁参数的选择还没有足够的资料可以参考，因此电磁参数 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 的选择也是一个难点。变频电源有高次谐波输出，这些高次谐波会使电机的散 杂损耗增加，因此消除或削弱电源的高次谐波也是本项目的难点。 针对高功率密度电驱动的特点，本课题将主要研究高功率密度电动机的损 耗与发热以及离功率密度电动机的主要电磁参数的选择原则；分析高功率密度 电动机的散热问题，进行结构( 主要指冷却结构) 设计，提出适合高功率密度 电动机的定、转子双油路循油冷却结构；分析高功率密度电动机的实验结果。 变频电源中不可避免的含有高次谐波，本文从理论上研究变频电源中高次 谐波对高功率密度电动机的影响，研究消除变频电源的高次谐波的方法，提出 利用正弦脉宽调制和重构技术消除或削弱电源中的高次谐波的方案，并对提出 的方案进行了仿真。在高功率密度电驱动系统的研究过程中，还将会出现一系 列新课题。 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 第二章高功率密度电动机的电磁设计 通用电动机的电磁设计已经非常完善，即使采用传统的设计方法设计的电 磁参数和实际测量值之间的误差也不是很大。对于高功率密度电动机来说，电 动机的电磁参数并没有太多的资料可以参考，本章针对高功率密度电动机使用 特点以及它与传统电动机之间的差异，重点研究高功率电驱动系统中电动机的 选择问题，以及高功率密度电动机的主要参数设计。 2 1 高功率密度电动机的选择 高功率密度电动机是高功率密度电驱动系统的核心。因此高功率密度电动 机的选择将会对糇个系统性能有直接的影响。 高功率密度电力驱动系统中电动机的选择和传统的电驱动系统类似，主要 包括以下几个方面：电动机的种类、电动机的形式、电动机的额定电压、额定 转速以及额定功率等。系统已经把高功率密度电动机的主要技术条件确定，本 节主要从电动机的种类上加以比较，以选择适合高功率密度电驱动系统总体要 求的电动机。 2 1 1 高功率密度电动机的选择 电驱动系统中，驱动生产机械运行的原动机即驱动电机，包括直流电动机 和交流电动机两大类，交流电动机又有感应电动机和同步电动机两种。高功率 密度电动机也可以分为直流电动机和交流电动机，其种类如图2 1 所示。 直流电动机具有调速性能好的特点，可以进行较宽范围和平滑的调速，因 此很久以来一直被用在要求调速指标比较高的各种工作机械上。此外，直流电 动机也有较高的控制精确度、灵敏度和快速性，因此在各种仪表及工业设备的 控制系统中，特别是程序系统和随动系统中得到了广泛的应用。但是直流电动 机维护较麻烦( 有换向器和电刷) 、价格较贵的缺点，而且由于电刷和换向器的 存在，使直流电动机不适合高速运行。由于直流电动机不太适合高速运行，所 以也就不适合本项目所要研究的高功率密度电驱动系统。 同步电动机的转速与频率严格成正比，可以采用变频调速( 通常是u f = 常 6 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 数，即所谓的恒磁通调速) ，适用范围很广，采用，同步电动机可以实现同直流 图2 一l 电动机的种类 电动机相似的机械特性，可以四象限运行。但是由于使用了滑环结构，结构还 是比较复杂的，并且这种结构并不适合于超高速运行。这种带滑环结构的同步 电动机也不太适合高速运行。因此同步电动机不适合本项目所研究的高功率密 度电驱动系统。 异步电动机( 也称感应电动机) ，特别是鼠笼型异步电动机，结构简单，无 滑环结构；随着现代电力电子技术和电机控制理论的发展，异步电动机可以实 现直流电动机与同步电动机已类似的调速特性，并且可以实现高速运行。 本课题中的高功率密度电动机转速高达1 2 0 0 0 转分钟，应该选择结构简 单，适应高速运行的电机。综合比较，可以得到这样的结论：鼠笼型异步( 感 应) 电动机可以满足高功率密度电驱动系统。因此本项目中，高功率密度电动 机最后选择鼠笼型异步电动机( 图2 2 为其t 型图) 。 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 图2 2 异步电动机的t 型图 2 1 2 电动机的容量与功率密度之间的关系 电动机额定容量是一个很重要的数据。电动机的容量不仅关系着能不能满 足风洞实验，还直接影响电动机的发热，还会影响电动机功率密度。高功率密 度电动机的容量和功率密度之间存在相当密切的关系。 在螺旋桨飞机模型风洞实验中，由于受到风洞安装条件的限制，对电动机 的外形尺寸要求非常严格( 尤其是直径) ，本项目所研究高功率密度电动机，直 径仅为中1 2 0 m m 。在风洞实验中，电动机的负载是一个风机型负载，如果风洞 内环境风速一定，则电动机的转矩和其转速的平方成正比。如果设计的电动机 的额定容量过大，在限定的外形尺寸下，电动机的功率密度将会很高；当整个 系统经常处于轻载运行，电动机本身的容量得不到充分的发挥，变成“大马拉小 车”，同时电动机运行效率低、性能变坏( 异步电动机的功率因数也降低了) ， 同时电动机高功率密度的特点也得不到体现；而如果这样的电动机工作于额定 状态，则电机的发热将会很严重，这会给冷却系统造成很大的压力，解决的办 法只能增大电机的外形尺寸，这显然，不符合系统对电机的要求。反过来，如 果电动机额定功率比较小，电动机的功率密度就比较低，额定运行时，那便是 “小马拉大车”，电动机电流超过额定电流，电机内损耗加大，影响电机的寿命， 即使过载不多，电动机的寿命也会减少较多；过载较多，会破坏电机绝缘材料 的绝缘性能，甚至烧毁。当然，电动机额定功率小，可能根本就拖动不了负载， 会使电动机长时间处于起动状态而过热毁坏。 根据飞机模型各种运行状态，电动机的额定功率3 6 k w 就可以满足系统的 要求，在外形尺寸为m1 2 0 ) 4 5 0i n l n 时，其功率密度可以达到1 8 k w k g ，电 西北t 业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 动机对冷却系统的压力也就不会太大。 2 2 高功率密度电动机的电磁设计 本项目研究的高功率密度电动机采用鼠笼型异步电动机，这种电动机结构简 单，适合高速运行，本节将主要研究其主要电磁参数选择，使其能满足大容量， 轻重量和高速等高功率密度电动机的特点。 和通用电动机一样，高功率密度电动机的主要尺寸指的是电动机的电枢直 径、电枢长度以及气隙。主要尺寸确定后，高功率密度电动机其它尺寸可以大 体确定。本节主要研究高功率密度电动机的主要尺寸的确定方法、主要尺寸对 电磁负荷的影响以及各个电磁参数之间的关系，同时研究了能满足课题要求的 高功率密度电动机的电磁设计。 2 2 1 主要参数之间的关系 高功率密度电动机的外形尺寸受到安装、使用环境的限制，因此电动机的 主要参数在一定程度上受到了限制。螺旋桨飞机模型实验要求的高功率密度电 动机的外形尺寸为：巾1 2 0 4 5 0i n n q 。 高功率密度电动机的主要尺寸受其外形尺寸的制约，它的主要尺寸和其功 率、转速以及电磁参数有关。 电动机的主要参数之间有以下关系： 掣=面61p = a( 2 1 ) a ，甄m k 却a b 6 j 式中： 叫。一电枢直径( m ) ； ”一电机转速( r m i n ) ： d 。一计算极弧系数； p k n m 一气隙波形系数； p 一计算功率( v a ) ； 9 e f 一 如一 爿一 b 5 一 c 二一 电枢计算长度( m ) ： 绕组系数； 线负荷( a m ) ； 气隙磁密( t ) ； 电机常数。 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 对于异步电动机计算功率：p 1 ：坠 t l n c o s 跏 电机常数：巴= 譬鲁= 百6 0 d 3 l f 式中7 _ 。一计算转矩，单位为n m ：电机常数的倒数表示单位体积有效材料 所能产生的计算转矩，其大小可以反映电动机有效材料的利用率。高功率密度 电动机的利用长度就特别高。 2 2 2 高功率密度电动机的电磁参数的选择 高功率密度异步电动机的主要尺寸决定于电磁负荷彳、b 。【引。反过来，电磁 负荷越高，电机的尺寸就越小，重量越轻，功率密度也就越高。但电磁参数的 选取受到很多因素的制约( 如电磁材料和绝缘材料等) 。增大乘积a b 。可以较小 电动机的电枢尺寸，但当电磁负荷超过一定值时或者选取不恰当时，不但会影 响电机有效材料的使用量，而且会影响电动机的参数、起动和运行性能，还会 使电动机发热增加。 异步电动机的电抗影响电动机的起动性能，运行特性和功率因数。异步电 动机的主电抗也称励磁电抗，以下推导线负荷和气隙磁密对主电抗的影响。 对于异步电动机，其主电抗的标幺值： x m 2 面2 面5 面2 瓦 2 _ 2 式中：r ，、m 矿e n t 一由通过电动机定子的额定电流产生的基波磁势、基 波磁通及其所感生的电势； u n * 、中”、n 一额定电压、在定子绕组中的异步电势所产生的基波 磁通、相应的气隙磁势。 其中： 小筹箸= k 乏 f n i ：m 、2i n 。胍。鱼f 丝坐1 丝勘。：鱼爿r 硒。 霄p行 行d 12 p 巧 j l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章高功率密度电动机电磁设计 f n ：b 8 1 8 4 i j o 可得： 小镌竽= k 杀b 8 c ：1 ，n m 巧b n 6 “”i “ 其中为：丝笪孥堕常数； 刀口盯 由以上推导可以知道，在一定的情况( r 1 6 4 = 常数) 下，异步电动机的主 电抗的标幺值与线负荷成正比，和气隙磁密成反比。 多相异步电动机的线负荷： a ：掣。c 坐( 2 - 4 ) 石dd 式中：卿一每相匝数： d 一电枢直径， 在电势和极数一定的情况下： 2 玷lo c 二 ( 2 5 ) 舡k 1 d 厶r 所以有： 瓦a 嘶1 2 。 ( 2 1 ) 可见，随着线负荷的增大，绕组电抗的标幺值将增大。这会使异步电机的 最大转矩、起动转矩和起动电流降低。 当线负荷a 选取较高，而气隙磁密忍不变时，对高功率密度异步电动机有 以下影响： ( 1 ) 电机尺寸和体积较小。 ( 2 ) 电机铁耗减小而铜损耗增加，同时电流密度j 会减小。 ( 3 ) 电动机的参数和特性会受到影响。 当气隙磁密色较高，线负荷a 不变时 ( 1 ) 电机尺寸和体积较小。 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 ( 2 ) 电机的基本铁损耗增加。 三相异步电动机的磁化电流： = o 3 7 p f z c o ，l k o l ( 2 _ 7 ) 其中：f z 一总磁势即磁压降 因此，气隙磁压降和磁路饱和程度增加，引起磁化电流增大。 另外，电机的冷却方式、以及所采用的材料，绝缘结构的等级对气隙磁密色、 线负荷a 有直接影响。 电动机线负荷a 的选择会影响电机的运行特性，线负荷的选择取决于冷却 方式( 见表2 1 ) 。 表2 1 高功率密度电动机线负荷的选择2 1 容量 线负荷p 。 一 月轷 安厘米 、 1 63 04 05 06 09 0 磬 心 不过载，空气冷却 3 5 04 0 04 2 54 3 54 5 04 7 5 短时过载两倍，空气冷却 3 0 53 0 63 2 73 2 73 6 2 3 5 0 短时过载两倍，循油冷却 3 7 03 9 0 短时过载两倍，喷油冷却 5 4 05 7 0 6 2 5 高功率密度电动机的额定电流大，电枢直径小，而且可看作短时工作制电 动机，在采用油冷方式( 见第三章) 下，本项目中高功率密度电动机的线负荷 取得就比较高( 大于5 0 0 安厘米) 。 电机的气隙磁密b ；的选择与电机尺寸有关，与线负荷和材料有关，选择气 隙磁密可参看表2 2 。 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 本项目采用新型磁性材料铁钴钒软磁合金( 1 j 2 2 ) 和油冷却方式，则气隙 磁感应b 可以选择比较高的值，甚至可以达到0 8 0 9 t 2 1 ，但气隙磁感应b 过 高，磁化电流也将变大，所以，高功率密度电动机的气隙磁感应e 在0 7 0 8 t 之间。 表2 2 气隙磁密选择1 2 】 电机容量 1 63 04 05 06 09 01 2 0 备注 ( k 、，a ) b 5( t )0 6 20 6 3 50 6 50 6 5 20 6 6 50 7 00 7 2不过载 b j( t )0 8 6o 8 70 7 60 7 3o 7 3o 8 6 2 倍过载 电机的电流密度j ：与冷却方式，线负荷有关1 2 j 自然通风方式：7 - 1 0 a m m 2 强迫通风：1 2 - 1 9 a m m 2 油冷却方式：1 8 - 2 5 a m m 2 选择具体的j 的值决定于电枢热负荷的允许值，热负荷首先近似地决定于 乘积a j 。a j 的最大允许值与发电机容量有关，对于用强迫空气冷却的最好型 式的发电机线负荷a = 7 0 0 7 1 5 0 ( 安厘米) 。在采用更高a j 值时，由于发热 厉害以致会损坏耐热绝缘。对于不能承受大过载的普通空气冷却发电机，乘积 a j 可选为a j 6 5 0 0 。对于能在5 分钟过载1 5 倍和在5 秒钟内过载2 倍的大容 量发电机( 3 0 1 2 0 千伏安) ，取乘积a j 5 0 0 0 。对于采用油冷却的发电机至今 在选择乘积a j 方面还没有足够的经验数据。其a j 允许值很大程度上取决于冷 却油的温度。增加冷却强度可提高乘积a j 的允许值。 综上，本项目中的高功率密度电动机应在1 8 2 5 a m m 2 之间。 异步电动机定子槽数的选择和转子槽数的选择密切相关。选择高功率密度 电动机的定转子齿数z - 、z ：间的关系时应考虑下列因素： 1 在m = f ( n ) 曲线中不能存在由切向力引起的异步和同步寄生转矩所产 生的凹陷： 2 电动机运行时由径向力作用下而产生的噪音应该最小； 3 齿中附加铁损耗最小。 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 为了减小电动机起动和运行时的异步寄生转矩，电动机的定转子齿数z 。、 z 2 应该满足下列不等式： a ) 起动时 b ) 运行时 z l z 2 ：= 2 1 2 z z 2 # 2 2 1 ；z 2 l p 譬 7 , 2 2 m l p g + 2 p ：z 2 z 1 + 2 p 7 , 2 2 m + 2 p ：7 , 2 1 2 m + p z2 z 1 + 口 为了避免出现径向力，还应满足： z 1 2 m 】p g + 1 ： 2 2 2 m l p g + p + 1 ： 2 2 2 m l p g + 2 p + 1 以上各式中：g 任意整数。 常用的定、转子齿数可按表2 3 选取： 表2 3 定、转子槽数选择 ( 2 8 ) ( 2 母) ( 2 1 0 ) 2 p z lz 2 21 81 52 12 22 33 0 22 41 71 81 92 23 03 6 23 03 6 42 41 61 72 23 03 6 43 22 6 4 24 4 63 64 8 82 43 6 83 64 0 电动机的转速很高，为了减轻变频电源的压力，极对数p _ 2 ( 电源4 0 0 h z 时， 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 转速为1 2 0 0 0 r p m ) ；电枢直径很小，定子槽数不能选择的太多，本项目定子 槽数可以取极对数为2 时的2 4 ，转子槽数可以在1 6 、1 7 、2 2 内选取。 2 3 高功率密度电动机主要电磁参数的优化 高功率密度电动机的电磁参数是在预选( 电磁参数的预选值见2 2 节。) 后， 利用计算机进行数次优化、调整后就得到满意的电磁参数值1 2 1 。 进行电机的电磁设计时，电机的各个参数通常被一个或几个条件所约束， 这些约束条件在计算电机参数时会被用作约束函数。电机中的各个参数都是相 互有关，相互制约的。通常，只要最最关键的约束条件满足时，就认为电机参 数已经优化。 本项目中要求在高功率密度电动机的额定技术条件确定的条件下，其重量 要轻，体积要小、并且要求其功率密度高，其实就是功率密度要高。优化时， 当电动机的重量和体积小于某值时，就可以认为电动机已经满足电驱动系统的 要求了。那些不太重要的参数的取值可以适当放宽，它们没有对电动机性能造 成太大的影响，这时就可以认为电动机的已经优化。 螺旋桨飞机模型风洞实验，要求高功率密度电动机的体积小，不大于1 2 0 4 5 0 m m 、重量轻，不大予2 0 k g 。这样在优化时就可以 ( 1 ) d ，中1 2 0 x 4 5 0 ( 2 一1 1 ) ( 2 ) g 2 0 砍( 2 1 2 ) 为约束条件对主要参数进行计算。 通过优化，电机的主要电磁参数为： 定子内径d i l o 0 5 6 m 铁心长度1 。f o 2 8 m 线负荷a 5 6 0 ( a e m ) 电流密度2 4 ( a m m 2 ) 气隙磁密b 50 7 8 ( t ) 定子槽数 2 4 极数p 2 西北工业大学硕士学位论文第二章高功率密度电动机电磁设计 转子槽数 2 2 高功率密度电动机的定、转子铁心均由铁钴钒合金( 1 j 2 2 ) 叠压成。 优化后，在额定工作点，高功率密度电动机的效率r = 8 1 ，功率因数 c o s p = 0 7 4 ，电动机的重量和体积均不大于高功率密度电驱动系统对于功率密 度电动机的限制值。 异步电动机定、转子的空间基波磁场相互作用的电磁现象和结果所产生的 电磁转矩，这是高功率密度异步电动机中最主要的。实际上，由于绕组的非正 弦分布，以及齿槽效应的存在，高功率密度异步电动机运行时，即使给电机绕 组通三相正弦交流电，其气隙磁场中必定还存在一系列空间谐波。这些由电动 机自身产生的高次谐波，将直接影响高功率密度电动机的性能，特别是起动性 能。高次谐波不仅会在电机中产生附加损耗、振动和噪音，还会产生附加转矩 叠加在基波转矩上，使异步电动机的性能恶化，附加转矩包括同步附加转矩和 异步附加转矩。 为了消除高功率密度电动机中的附加转矩，在设计时采用了一下措施： 1 ) 定子绕组采用了短距和分布绕组，以便削弱和消除5 次和7 次谐波； 2 ) 转子采用了斜槽结构( 斜槽度为3 0 0 ) ： 3 ) 合理选择定、转子的槽数( z l = 2 4 ，z 2 = 2 2 ) 。 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 第三章高功率密度电动机的结构设计 电机结构是高功率密度电动机的一项关键技术，电动机的结构设计主要考 虑结构强度、发热、冷却方式【6 1 。本章主要研究高功率密度电动机损耗和发热 问题。在此基础上研究适合课题要求的高功率密度电动机结构。 3 1 高功率密度电动机中的损耗 高功率密度电动机是将电能转变为机械能，随着能量的转换就有能量的损 失，这种损失转化为热量而引起电机发热，使电机的容量受到一定的限制；若 这种损耗在电机各部分合理地分配，可以得到较高的效率。因此研究高功率密 度电动机损耗，有利于以后深入研究其发热机理，提出有效的冷却方案。 高功率电动机的重量轻，体积小，但容量比较大，所以电机的损耗直接影 响电动机的效率和发热，本节主要以讨论电动机的损耗。 商功率密度异步电动机的损耗也可以分为四类，即铜损耗、铁损耗、机械 损耗和杂散损耗。电机的总损耗p = 铜损耗+ 铁损耗+ 机械损耗+ 杂散损耗。 3 1 1 铁损耗 铁损耗引起铁心发热。铁损耗包括定子铁损耗和转子铁损耗。定子铁损耗 由定子轭和定子齿的磁滞损耗和涡流损耗组成。转子铁损耗因为转子铁心中磁 密的交变频率很低，所以忽略不计。当铁心材料、频率、硅钢片厚度一定时， 铁损耗只决定于磁通密度的最大值。在设计电机时若磁通密度过高，则铁耗增 加；降低了功率因数。所以在设计电机时磁路各部分磁通密度最大值应在一定 的范围之内。当然磁通密度也不必选得很小，因为那样就不能充分利用材料而 造成浪费。 基本铁损是由主磁场在铁心内发生变化时产生的，这种变化可以是交变性 质的，也可以是旋转磁化性质的。在电机的定子和转子轭中发生的是旋转磁化 性质的铁损。无论什么性质的磁化，均会引起磁滞损耗和涡流损耗。 ( 一) 磁滞损耗 磁性材料分为软磁材料和硬磁性材料。本项目中，电动机磁路中大量使用 软磁材料，其磁化特性曲线b = f ( h ) ，如图3 1 中的曲线部分。当磁场强度h 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 较大时，磁感应强度b 增加不多或不增加，这种现象称为“饱和现象”。 磁性材料完整的磁化特性曲线还具有磁滞现象如图3 1 中实线部分，这样， 磁性材料在反复磁化过程中特性不重复，交变一周就要消耗一定的能量，这就 廿j 罗_以 刎 v ? z ；7 图3 一l 磁性材料磁化特性曲线 稼为“磁滞损耗”。磁滞回线的面积越大，磁滞损耗越大。 单位重量的铁磁物质内由交变磁场引起的磁滞损耗p h ，即称为磁滞损耗系 数，其与交变频率f 和磁感应强度的幅值b 有关。 磁滞损耗系数可以较准确的由下式描述： p n = a f b + b f b 2( 3 一1 ) 其中，a 、b 取决于磁性材料的性能。 在磁通密度1 o t b s l 6 t 时，系数a 很小，上式可以简写为 p n = 玎矿b 2 ( 3 2 ) 式中仉为材料常数。 电机中使用的软磁性材料饱和磁感应强度b 较高，可达1 8 t 2 4 t ，铁钴钒 软磁合金的饱和磁感强度甚至可以达到2 5 t ，而且软磁材料的磁滞回线较小， 其磁滞损耗在中频下也比较小。 ( 二) 涡流损耗 由于磁场交变的缘故，将在磁性材料当中产生感应电势，其引起的电流在 磁性导体中造成涡流损耗。 在电机中，通常使用o 2 0 5 m m 后的软磁性合金钢片作为电机的铁心，在 1 8 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 如图3 2 所示钢片中，显示出了涡流的途径。 图3 2 薄钢片中的涡流 图中a r e 为钢片的厚度，设磁通密度幅值b 的方向与钢片的平面( y 轴) 平行，并随时间作正弦变化。把坐标原点放在薄钢片截面的中心，则在距离原 点x 处的某回路中的损耗可以计算出来。 由电磁感应定律及欧姆定律可得该回路中的涡流损耗为： 面，：堕( 3 3 ) r ， 式中e x 回路中的感应电势e 。的幅值，。，：型竺，妒。一俩。： 日f e 。= , f 2 z r f r d 。，啦m 为回路所包围磁通的最大值。 见此回路电阻，b “p 差。 有上式可得： 如：堑2 1 型2 堕( 3 - 4 ) d n 把由。= 2 b x h 带入上式。即有： d 抗：x 2 f 2 8 2 , , , f l h x 2 d x ( 3 - - 5 )d 抗：) p 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 因此，薄钢片内的涡流损耗为： p 2 厂觑。乞( 卢) 2 浙 3 - - 6 薄铁片的密度p 。，则重量为g = p 。编，那么单位重量内的涡流损耗为： 弘2 嚣焉( 幽黟) 2 ( 3 1 ) 简写为： 肛= m ( 从矽) 2 ( 3 8 ) 式中：m ：霉鲢 6 p p n 涡流损耗系数与材料厚度、磁通密度及磁场交变频率的平方成正比。在推 导过程中，忽略了薄钢片中存在的磁通肌肤效应。在频率较高的情况下利用上 式计算会增加磁滞损耗而减小了涡流损耗，这时应该在计算中予以修正。 由于钢片的基本损耗由磁滞损耗和涡流损耗组成，所以钢片的损耗系数可 以由下公式表示： p 舵= c ，矿b 2 + o ( ，露) 2 ( 3 _ 9 ) 钢中的基本损耗可以表示为： p n = 乜p 。g n ( 3 1 0 ) 式中：g ，。受交变磁化和旋转磁化的钢片重量； k a 经验系数，与磁通密度分布、磁通密度的正弦性等有关。 本项目研究的高功率密度电动机的输入频率比较高，并且变频电源还向其 输入其它阶次的高次谐波，所以基本损耗不可忽视。 为了减小基本损耗，本项目尽量减小电机的用铁量，同时采用o 2 m m 的钴 钢片1 j 2 2 ，最终铁损耗理论上为2 3 4 8 w 。 3 1 2 铜损耗 电机中的绕组具有电阻，当通过电流时就会消耗一定的能量。如果电机有 多个绕组，则可以分别计算各绕组的损耗，然后相加。 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 由焦耳一愣次定律可以得到： p “t m = ( j ：只，) ( 3 一1 1 ) 式中：厶流过绕组x 的电流； 见换算到基准工作温度的绕组电阻 本项目所研究的电动机有三相绕组，用以下公式计算其铜损耗： n ，= 3 1 r ( 3 1 2 ) 用上式计算铜损耗，忽略了电流的肌肤效应，并且假定电流在绕组截面上 均匀分布。注意上式中采用的是绕组的直流电阻。 为了减小肌肤效应的影响，本项目中采用了多根绕组并绕的方法，最终计 算值为4 4 3 2 w 。 3 1 3 附加损耗 附加损耗主要指铁心表面损耗和齿中脉振损耗，主要由气隙中的谐波磁场 引起的。这些谐波磁场可以由几种原因引起：1 ) 电机铁心中开槽导致气隙磁导 不均匀；2 ) 励磁磁场中存在高次谐波。当谐波磁场相对磁极表面运动时，就会 在磁极表面产生涡流损耗和磁滞损耗。其中磁滞损耗较小可以忽略；产生的涡 流损耗主要集中于磁极表面，故称“表面损耗”。当谐波磁场相对于齿运动时， 就会导致在整个齿中涡流损耗和磁滞损耗，称为脉振损耗。 感应电机中的磁极单位表面积的表面损耗可以按一下公式计算： p 月= k o ( b o f ) 2 ( 勐) 2 ( 3 - - 1 3 ) 式中：k o 经验系数； b 0 _ 一谐波磁通密度的幅值： 卜一齿距： z - 一电枢槽数 i r 一涡流频率与电枢相对于磁极的转速 因而电机表面损耗为：伽= q o a 一；a 。为电机磁极表面积。 本项目中采取以下措施减小表面损耗： 一) 减小齿槽效应引起的谐波以减小谐波磁通密度的幅值，消除或削弱变 频电源对电动机的高次谐波的输入； 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 二) 采用高电阻的钴钢片1 j 2 2 。 通过采取以上措施，电动机的表面损耗非常小。 3 2 高功率密度电动机的发热问题 电动机工作时，必定有一部分功率被消耗掉了。电机的损耗一方面使电动 机的效率降低，另一方面使电动机发热。温度过高，将减小电动机的寿命，甚 至妨碍电驱动系统的运行安全。本节将重点讨论电动机的发热机理。 3 2 1 电机的发热与温升 电机的损耗转变为热能，以传导的方式从热源传到电机的各个表面，通过 对流和热辐射的作用散发到周围介质中去。电机不是一个均质物体，各部分发 热情况不均匀，散热条件也相差悬殊，热源之间又存在一定的热交换，所以电 机内部的热场比较复杂。电机的热场分布特别复杂，用传统的分析方法很难对 电机的热场建立一个准确的模型，利用有限元对其分析，计算量又特别大，要 依赖计算机和昂贵的计算软件。为了探索电机的发热过程，假定电机是一个表 面散热均匀、内部没有温差的均质等温物体，得出一些主要的概念和规律。为 设计高功率密度电动机的冷却结构做好前期准备。 根据等温固体发热理论，假设高功率密度电动机是一个质地均匀的等温固 体：电动机运行时单位时间内产生的热量为q ，电动机的重量为g ，电机的比 热容为c ，总散热厦积为s ，表面散热系数为 。若在西时间内，电动机对周 围介质的温升为d r ，根据热平衡原理可得： q d t = s 础+ c g d r ( 3 1 4 ) 式中的q d t 为在d t 时间内电机产生的热量，船砌为在d t 从电机表面散发 到空气中的热量，c g d r 表示电动机温度上升所吸收的热量。式3 1 4 经过变 形得： q = a s f + c g 宰( 3 - - 1 5 ) 解这个一阶微分方程可得： r = 罢( t 可；) h e c ，州， 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 f = ( 一f 。) p 一乃+ f 。( 3 - - 1 7 ) 式中仁= 旦2 s ，。为电动机在t _ o 时的初始温升。上式表明，在假设的条 件下，电动机运行时的温升按照指数曲线规律上升。 t 图3 - 1 3 电动机的温升衄线 对于高功率密度电动机来说，可以按照焦耳定律来计算其稳态时所产生的 热量。根据焦耳定律，高功率密度电动机的各种损耗最终转化为热量的形式。 p 2 = r p i c o s 口( 3 1 8 ) 式中：p - 、p ：分别为高功率密度电动机的输入输出功率； 卵一为电动机的效率 c o s p 一功率因数 野2 气产= 赢p 赢2 ( 3 - - 1 9 ) 式中： p 损耗一高功率密度电动机的损耗 p 损耗：1 - r p 2 ( 3 之0 ) 野 o = p 损耗t ( 3 - 2 1 ) 式中：f 一时间 q 一时间t 内由损耗转化的热量 对于高功率密度电动机来说，其发热情况就非常复杂，六七十年代英美等 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 国家的技术人员就曾经对功率密度比较高的发电机的温度场分布做过一些测 量。由于技术水平的限制，测量采用在电机各个部位埋设测温电阻的方法。测 量结果发现，电机在额定情况下，其定子端部温度发热最严重，分析后认为这 电动机在端部漏磁的很大，造成在端部损耗非常大。对于长径比较大的电机来 说，由于电机铁心比较长，铁心中部所产生的热量不能及时传递出去，以至于 定子铁心的温度也非常高。 随着计算机技术的发展，大量可以用来计算热场的计算软件应运而生，这 就为以后能更加精确分析电机内部发热和温升提供了条件。 实际上，由于高功率密度电动机并非质地均匀的等温体，电机温升变化规 律非常复杂。对于3 6 k w 高功率密度电动机： n 用3 - - 9，电动机的计算损耗 p 损耗= 导p ，= 等x 3 6 = 8 4 ( k w ) 所以每分钟高功率密度电动机产生热量：q = 5 0 4 0 0 0 ( 焦耳) ，这就是说电 机在温升要恒定，必须每分钟将5 0 4 k j 的热量传递出去。 3 , 2 2 高功率密度中的热传递 温差的存在是发生热交换的前提，高功率密度电动机在工作时，有一定的 损耗，电机损耗转换成热量向外传递。 高功率密度电动机工作时，产生的热量以三种形式向外传递热量【阳 ，即： 一) 导热，电动机内部产生的热量直接传递给电机的壳体； 二) 对流，用于冷却高功率密度电动机的滑油内部各部分之间产生相对位 移而引起热传递； 三) 辐射，郎电机通过电磁波方式把热量传递出去的过程。 牛顿冷却公式可以用来计算冷却介质与固体之间的对流换热。根据冷牛顿 冷却公式： q = a f ( t w t s ) ( 3 _ 2 2 ) 式中：q 一对流换热热量； f 一对流换热面积，即冷却介质( 滑油) 与固体壁接触面积； “一固体壁的温度； t l 一冷却介质( 滑油) 温度； 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 口一对流换热系数 可知：油冷电动机中，对流交换的热量和对流换热面积，即冷却介质( 滑油) 与固体壁接触面积成正比。 在高功率密度电动机当中，各种损耗最终转化为热量，这些热量除了对外 辐射以外，大部分热量将同冷却介质以对流和热传导的方式传递出去。为了增 加热交换，减小电动机的温升，本项目在电机的冷却结构上采用了肋片结构， 以增加散热面积。 f + “ 图3 - - 4 温度梯度和热流方向的关系 对于均匀、各向同性( 材料的导热性质各个方向相同) 的固体材料其导 热量与温度梯度成正比，其表达式为： ：昙r-3gradtq-a- x g r a a t ( 3 _ 2 3 ) 2 = 一 l j 一2 jj a n 式中：q 热流密度，即单位时间内通过单位面积的到热量 _ o th ：g r a d t - - 激黻 o n 一导热系数 对于一维( x 轴方向) 温度场，可以用傅立叶定律的标量表达式描述： g ：一五李 ( 3 2 4 ) “ 整个等温面的导热量： q = q s ：一a d ts ( 3 2 5 ) “ 冷却介质( 滑油) 以下物理性质对对流换热影响较大： 西北工业大学硕士学位论文第三章高功率密度电动机结构设计 1 ) 冷却介质的导热系数旯：冷却介质( 滑油) 的导热系数和热边界厚度组 成了热边界层的导热热阻，它的大小影响对流换热的强弱。 ，n 2 ) 冷却介质( 滑油) 的比热容c ：冷却介质( 滑油) 得比热容是单位质量 冷却介质( 滑油) 的热容量，表示单位质量的冷却介质( 滑油) 温度变化1 。c 时所产生的热量。比热容越大，单位质量的介质带走的热量越多 3 ) 冷却介质( 滑油) 的动力粘度：冷却介质( 滑油