（电机与电器专业论文）基于fem的直线感应电动机的机械特性分析.pdf

竺玺鎏翌三奎兰：罂：兰竺丝三 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r a n a l y z i n go f l i n e a ri n d u c t i o n m o t o rb a s e do nf e m a b s t r a c t t h el i n e a rm o t o ri sak i n do fg e a r i n gw h i c hc a nt r a n s f o r me l e c t r i c a le n e r g y d i r e c t l yi n t ol i n e a rm o v i n gm e c h a n i c a le n e r g yw i t h o u ta n ym i d d l ec o n v e r s i o n d e v i c e c o m p a r i n g w i t ht h et r a n s m i s s i o nf o r m o f r e v o l v i n g m a c h i n e + m e c h a n i c a lc o n v e r t e r ”t h el i n e a rm o t o rh a so b v i o u sa d v a n t a g e s ：s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，n oc o n t a c to ra b r a s i o n ，l o wn o i s e ，h i g hs p e e d ，h i g ha c c u r a c ya n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ei m p r o v i n gr e q u e s tf o ri n d u s t r i a lp r o c e s s i n gq u a l i t y a n dp r e c i s i o no fm o v e m e n tl o c a t i o n ，t h el i n e a rm o t o rh a sr e c e i v e dw i d e s p r e a d a t t e n t i o n t h e r e f o r e ，t h el i n e a rm o t o ri sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ew h o l ep a p e ri sc o n s i s t e do ft w om a i np a r t s ：t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o m p u t a t i o nr e s e a r c ho ft h el i n e a rm o t o r ；t h ef i n i t ee l e m e ma n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ft h el i n e a rm o t o r i nt h ef i r s tp a r t , t h ed i s p o s a lo fc u r v e 。c h a r ta n d i t e r a t i o nw h e nc o m p i l i n gt h ec a dp r o g r a ma r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e s t e a d ys t a t ef o r m u l a so f t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o ra n di n t e g r a t i o no f t h en e w e s tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fl i n e a rm o t o rd e s i g n ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s m d e s i g ne x a m i n a t i o np r o g r a mi sc o m p i l e dw i t i lt h ec + + l a n g u a g e t h ep r o g r a m c a r r i e so ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p u t a t i o n ，p a r a m e t e rc o m p u t a t i o na n dp e r f o r m a n c e c o m p u t a t i o no nb a s i so fg i y e np a r a m e t e r s ，a n df i n a l l yo u t p u t st h ed e s i g n p r o p o s a la n de l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c et h a ts a t i s f yt h eu s e r st e c h n o l o g y r e q u e s t i nt h es e c o n dp a r t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i n e a rm o t o rd e s i g n ， 2 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm a t h e m a t i cm o d e lo fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra ts t a r t i n g p o i n ti ss e t 叩b yt h em e t h o do fa n a l y z i n gt h es i n et i m e - v a r y i n gf i e l do fl i n e a r i n d u c t i o nm o t o rb yf e m ，t h eu n i ta n a l y s i sp r o c e s sa n dd i s c r e t ef o r mo fs i n e t i m e v a r y i n g f i e l da n dt h ef i n a lo v e r a l ls y n t h e s i se q u a t i o na r eg i v e n i nt h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o np r o c e s s ，t h ee n dv o l t a g eo ft h e p r i m a r yi st a k e na st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n , t h es t a r t i n gc u r r e mo ft h ep r i m a r yi s i i - 竺笔蒌耋三銮：要：鳘兰兰 i t e r a t e d ，a n dt h es t a r t i n gc u r r e n ta n dt h r u s ta tr a t e dv o l t a g ea r eo b t a i n e d b a s e d o nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df o r m u l ac a l c u l a t i o na b o v e ，t h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n sa td i f i e r e n ts l i pr a t e sa r ea n a l y z e d ，s i m u l t a n e o u s l yt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e ro fl i n e a rm o t o ri sc o m p u t e da n dc o m p a r e dw i t i lt h et e s td a t a t h er e s u l t c o n f o r m st ot h et e s td a t aa n dt h a tp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h ec o m p u t a t i o nm e t h o d k e y w o r d s l i n e a r m o t o r ；c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ； p h y s i c a lc h a r a c t e r s t i e s - m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f e m 的直线感应电动机 的机械特性分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 芦日期： ，z 名年3 月0 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于f e m 的直线感应电动机的机械特性分析系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：j ，铆舀年月，工日 日期：少- 衫年乡月2 - - - n 葫鼯 哈尔滨理工大学- 学硕十学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能的不需要任何中间转换 机构的电力传动装置。在结构上，直线电机相当于旋转电机在顶上沿径向剖开 并将其圆周拉直，工作原理同旋转电机相似。它不需要任何中间环节可直接驱 动被控制对象产生直线轨迹运动，打破了传统“旋转电机+ 机械变换环节”的 传动形式，具有独特的优点： 1 不存在中间环节的磨损问题，对给定路径可用高速进行高精度跟踪与定 位。系统维护简单，可靠性好： 2 具有比传统旋转电动机大得多的加、减速度。由于不会像旋转电机那样 受到离心力的作用，因而直线速度可以不受限制； 3 进给行程长度不受限制； 4 结构简单，依靠电磁推力驱动，故运动安静，噪声低，从而改善工作环 境。 因此近些年以来，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高，直线 电机受到了广泛的关注。然而直线电机也有其不足之处，直线电机初级绕组和 铁心是开断的，因而产生其特有的边端效应吲。1 。第一类纵向边端效应主要是 因为初级有限长造成的。其影响是气隙磁场不仅含有正向的行波磁场，还有交 变脉振磁场。脉振磁场的大小直接影响到气隙磁场的均匀度，应尽可能减少脉 振磁场。第二类纵向边端效应是因为电机运动时次级进入和离开初级区域时磁 场会发生畸变，从而引起附加损耗，降低电机性能，由于直线电机所特有的边 端效应，使得对直线电机的分析比对旋转电机的分析更为复杂“。但随着直 线电机技术的发展，出现了一些特殊分析及计算方法，在提高直线电机的性能 方面取得了良好的效果”“”“” 本文借助于有限元方法分析直线电机磁场，基于所获得的磁场分布，求得 在考虑端部效应下的电磁推力，近而得出直线电机的机械特性，通过分析计 算，研究不同滑差时对电机性能的影响，以期得到有益的结论，为进一步改善 电机的性能提供依据。 同时本课题中还包括开发一种适合工厂使用的直线电机c a d 软件，通过 哈尔滨理工大学- 学硕士学位论文 本项目的研究，将有助于工厂进行三相异步直线电动机的设计、制造以及进行 性能分析。 1 2 直线电机的国内外发展和研究现状 直线电机的发展经历了漫长的历史。早在1 8 4 5 年w h e a t s t o n e 就提出和制 作了略具雏形的直线电动机。到如今，已有近1 6 0 年的历史了，但是在初始阶 段由于直线电机的弊端性：一、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋 转电机，因此激磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断产生的边端效应，于 是直线电机的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。这个概念牢固地束缚了 直线电机的应用，使它无法与旋转电机相抗衡：二，没能找到唯独它适用的或 者有很大优势的领域；三、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展的障 碍，因为当时控制技术不完善、元器件昂贵且性能欠佳；四、直线电机理论发 展缓慢，设计上存在缺陷，没有对应用起到促进和预见作用。 以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。但随着控制、材料技术的飞 速发展和新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。 同时人们也逐渐接受了新的概念，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装 置的传动效率来补偿，在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的 简单和经济显示了直线电机的优越。人们观念的改变以及因此而产生的需求成 为直线电机的发展的原动力。这一时期世界各国出现了许多直线电机的产品， 例如前苏联生产的液态金属电磁泵、美国x y n e t i c s 公司生产的自动绘图 仪、法国生产的直线电机记录仪、e d w a r d so fe i l f i e l d 公司生产的有色金属工业 用的新型挤拉机、日本三洋公司生产的直线电机驱动的电唱机、英国h e r b e r t m o r n s 公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。它的理论发展也 取得了很大的发展，有关的文献和书刊不断出版，基于电磁场理论对直线电机 进行分析与计算的文章也陆续报道。近二十年来，不仅直线电机的新产品层出 不穷，而且新原理直线电机也不少。例如超声波直线电机，微步距直线电机等 等。 关于直线电动机的发展应用可从如下四阶段来讨论：第一，孕育阶段 ( 1 8 8 6 - - 1 9 2 9 ) ，在这个阶段尼克拉芯斯拉f n t e s l a ) 发明了一系列运动磁场方面的 技术，以此为契机开始了对直线电动机的研究工作。值得注意的是，在这称为 孕育阶段的时期内，不仅发表了直线电动机的驱动原理，并进行了各种应用方 面的研究。第二，实验阶段( 1 9 3 0 - - 1 9 4 0 ) ，这个时期直线电动机重新受到重视， 哈尔滨理1 二大学t 学硕十学位论文 一度出现了直线电动机热。但是后来这种直线电动机热也逐渐冷却下来，专利 件数的逐年减少说明了这个问题。其原因是旋转电机与直线电机的互相竞争 中，在成本和效率方面直线电机没有能够战胜旋转电动机。换句话说，一方面 直线电动机未能找到唯独它能解决的领域。另一方面直线电动机在设计上没有 取得应有的成果。在这个阶段即将结束时，美国西屋公司发生了著名的电牵引 机( e l c c t r o p u l t ) 失败事件。失败的原因首先是其相关技术尚不完善，其次是没有 能够充分发挥直线电动机的特性。但是，西屋公司在实际应用方面的尝试给后 来人提供了宝贵教训，就这一点看它还是具有深远意义的。第三，开发阶段 ( t 9 4 5 1 9 6 9 ) ，在这个阶段特别是1 9 5 5 年以来，迎来了技术革新的新时期，重 新估计以前被舍弃的技术这个时期可以说是直线电动机的“文艺复兴时 期”，特别是控制技术和材料技术的惊人发展，更加助长了这种势头。这个时 期申请专利的件数也开始急速增加，直线电动机专利的增长率超过了所有其他 技术领域的平均增长率。这种增长一方面靠直线电动机作为可控制的直线运动 发生装置而得到广泛重视，另一方面由于电磁铁型、动圈型等直线电动机经过 多年来的技术储备已经能满足当时的需要。英国的莱斯威特( e l a i t h w a i t e ) 强 调直线电动机的基础研究，在以莱斯威特为首的一些人的努力下取得了不少研 究成果，从而直线感应电动机再一次受到世界各国的重视。尤其是日本新干线 ( 铁路) 技术的成功给日益萧条的日本铁路事业带来了新的生机。这又导致重新 评价铁路事业，重视直线感应电动机所具有的无接触驱动特性。使直线感应电 动机在低噪声高速铁路上得到了广泛的应用。到了1 9 6 5 年以后，随着控制技 术和材料性能的显著提高，开始出现了一些应用直线电动机的实用机械。例如 m h d 泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、 输送装置等都是这方面的例子。第四，实用阶段( 1 9 7 0 - - 至今) ，从1 9 7 0 年开 始，直线电动机终于进入了独立应用的时代它在历史上尝到了几次苦头之 后，现在不在与旋转电动机直接对抗，而是在旋转电动机无能为力的地方寻找 自己的出路。直线电动机应用于磁浮列车、液态金属的输送和搅拌装置就是最 好的例子其次直线电动机不以单机的形式与旋转电动机竞争，而以直线电动 机系统与旋转电动机竞争。从而，直线电动机总能找到适合某系统的形式，在 这类系统领域中展开越来越激烈的竞争。电子缝纫机、磁头定位装置就是很好 的例子。在这种情况下，直线电动机走自己的道路，不与旋转电动机牵缠，在 满足人类需求的过程中求得自身的发展。 相对于国外，国内的直线电机研究起步较晚，发展不稳定，七十年代比 较热，八十年代前期滞退，八十年代后期至今又有较大发展。目前国内已经 哈尔滨理 大学 学硕七学位论文 有一支稳定的研究开发队伍，并不断发展壮大自从1 9 8 2 年开始，全国直线 电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展现。最早电 机设计中，求解起动性能是通过采用简化的等值磁路来模拟实际电机内的磁 场，根据电机的尺寸、形状算出起动时各部分电阻、漏抗等参数来实现的 但由于次级导电板中存在明显的集肤效应，漏磁路的铁心部分出现高度饱和 现象，采用传统的解析方法分析其起动性能往往误差较大。随着计算机及计 算技术的发展，为涡流场的研究提供了方法和手段1 。关于涡流场的数值解 法，s t o l l 给出了保证场变量具有唯一解的两种边界条件“”，c h a d 提出了关于 二维时变场的复泛函“”和一种边界条件的具体处理方法，并应用于矩形开口槽 导体及自由空间中导体集肤效应的计算。l a i 、m a y o f f , t a n i 等人给出了三维 有限元的处理方法“”“”1 。 我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的遥控直 线电机窗帘机、世界首创的新型电磁式直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并 利用其电磁内热的炒茶机、西安交通大学的一种“新型电磁打泊机”、上海工 业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的“自动门”，中国科学 院电工研究所的“平面直线电机绘图仪”等等。在理论研究上，我国发表了 不少的文章，出版了一些书籍，这些理论既研究了电磁特性，也给出了实用 的经验公式，为国内直线电机的发展奠定了厚实的基础。在目前的实际项目 中，直线电机己经被应用在直线电机电梯和磁悬浮列车中，现在这两个项目 还在研究开发中。 1 3 直线电机的分类 直线电机的分类在不同的场合有不同的分类型式。例如在考虑外形结构 时，往往以结构型式将其进行分类；当考虑其功能用途时，则又以其功能用途 进行分类；而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分 类。 1 按结构型式分扁平型、圆筒型、圆盘形、弧形； 2 按原理分直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机； 3 按应用分力电机、功电机、能电机、信号电机； 4 按磁通型式分轴向磁通式、径向磁通式： 5 按初级的数量分单边型、双边型； 6 按初、次级的长度分短初级、短次级； 竺釜鎏耋：查兰：要：耋堡鎏兰 7 按电源分三相、单相、直流。 以上的几种分类方法中，1 3 种是常用的分类方法。图1 1 至图l - 3 是几 种典型直线电机的结构型式。 次缀 ) 短韧擐b ) 连次龋 图1 i 单边扁平型直线电机 f i g 1 if l a ts i n o e - s i d el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 图1 - 2 双边扁平型直线电机 f i g 1 - 2f l a td o u b l e - s i d el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 图1 - 3 从旋转电机到圆筒型直线电机的演变过程 f i g 1 - 3 e v o l u t i o n p r o c e s s f r o m r o t a t i n g m o t o r t o t u b e l i n e a r m o t o r 5 一 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 1 4 课题的工作 本课题的研究内容主要包括以下两个方面： 1 扁平型直线感应电动机的电磁计算的研究 根据三相异步直线电动机的稳态计算公式，结合最新直线电机设计理论和 技术，用c + + 语言编写该电机的电磁设计校核程序，此计算程序不仅可以根据 给定的参数进行电磁计算、参数计算、性能计算；也可以根据用户输入的额定 数据、技术要求及少量的经验数据，自动确定电机的主要尺寸、槽形尺寸、初 级绕组每相串联匝数及绕组所用线规，最后输出满足用户技术要求的设计方案 及电磁性能。 2 扁平型直线感应电动机的有限元分析和计算 熟悉与普通异步电动机设计相比，直线感应电动机设计的一些特点：了解 利用有限元法分析直线感应电动机正弦时变场的方法和步骤；利用有限元法分 析了直线感应电动机起动性能，并计算了起动时的性能参数；通过对两台样机 的机械特性的研究，更全面、更准确地分析、计算了直线电机的工作性能。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第2 章直线电机的计算机辅助设计 直线电机的电磁设计就是根据产品的技术要求，并考虑制造、运行的经济 合理性和可靠性，决定电机初级冲片尺寸、绕组数据以及次级材料等数据。电 磁设计包括电磁方案的设计，计算和设计数据的调整等内容。应通过若干设计 方案的分析、比较，以选定较优的设计。 2 1 电磁参数对直线电机性能的影响 电磁参数一般指电磁负荷，也就是电负荷和磁负荷。所谓电负荷或线负荷 ( 以4 表示) 是指在额定负载下初级表面沿纵向单位长度的安培导体数，即每米 的总安培数。对于双边型直线电机，电负荷是指两边之和。所谓磁负荷是指气 隙中等效基波磁通密度的幅值b 。之所以要引入这个等效基波磁通密度，是 由于在直线电机中气隙磁密分布较为复杂，纵向和横向边端效应造成了磁场的 畸变，为了便于比较，可用等效气隙磁通密度来代替实际的磁通密度。 2 1 1 主要尺寸和电磁负荷的关系 我们知道，在进行旋转电机设计时，为了按照预定的要求合理地确定电机 各部分的尺寸，总是首先确定电枢的直径d 和有效长度o 。这是由于电机所 能传递的电磁功率与d 2 0 成正比，为了保证电机能正常地传递预定的电磁功 率，d 与。这两个尺寸是最重要的。从这两个尺寸出发，我们可以有的放矢 地进行设计方案的选择，因此通常把这两个尺寸称为旋转电机的主要尺寸。同 理，在进行直线电机设计时，我们可以把初级铁心的极距f 和i 。作为主要尺 寸，这是由于直线电机所能传递的电磁功率与2 p f 2 l 。成正比。 这里以单边扁平型非磁性次级直线电机为例来说明。 我们知道 只= r l s m l u i i ic o s p ( 2 - 1 ) 若令 巨= ( 1 8 ) u( 2 2 ) 则 只：t l , m 百l e l i i _ c o s 一p ( 2 3 ) l i 一吼j 其中：( 1 一。) 为压降系数。 哈尔演理- 大学工学预七学位论文 在直线电机中，此值约为0 3 5 - 0 8 5 ，通常，f 与瓯的比值愈大，则( 1 一e ：) 愈大。 根据电负荷a i 的定义，可得 4 ：垫堡堡璺窒堕量堡：2 m l w t l ：堡兰生( 2 棚 1 2 p t2 p r 由上式移项得 = 竺l( 2 - 5 ) 肌1w i 根据每相绕组感应电动势的公式可得 e l = 4 4 4 f w i k , , , l ( 二兄l 吃) ( 2 6 ) 其中：足。为初级绕组的基波绕组系数。 把式( 2 - 5 ) 及( 2 - 6 ) 代入式( 2 3 ) ，经移项整理得 2 2 厶2 万瓦( 1 忑- e d 赢p , ( 2 - 7 ) 由上式可见，对于一定的同步功率，4 和选得愈大，电机的尺寸就愈 小，对于电机制造来讲是经济的。但是4 和并不能无限地提高，因为玩太 高，会使电机铁耗增加，功率因数下降：4 太高，则会使用铜量及电阻损耗增 加，于是效率下降，发热严重。 有时将只= 9 8 1 f c v , , 及v , = 2 力代入( 2 7 ) 式，则导出主要尺寸与电磁推力的 关系如下 2 p 办= 等篆券( 2 - 8 ， 由上式可见，在彳。和兄。一定的条件下，直线电机的有效面积2 p 哝与电磁 推力只是成正比的。 在同步功率只与同步速v 。一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷4 和 曰。电磁负荷越高，电机的尺寸越小，重量就越轻，成本也越低。因此在可 能的情况下，一般总希望选择较高的4 和易。，但是电磁负荷值的选取与许多 因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量，而且对电机的参数、起动和运行 性能、可靠性等都有重要影响。下面先讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影 响，然后简单介绍具体的选择方法。 哈尔滨理仁大学t 学硕七学位论文 2 1 2 电磁负荷对电机性能和经济性的影响 1 当气隙磁密见。不变，线负荷4 较高时 ( 1 ) 电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁材料； ( 2 ) 易一定时，由于铁心重量减小，铁耗随之减小； ( 3 ) 绕组用铜( 铝) 量将增加，这是由于电机的尺寸小了，在玩，不变的情况 下，每极磁通将变小，为了产生一定的感应电势，绕组匝数必须增多； ( 4 ) 影响电机参数与电机特性。我们知道，交流绕组电抗( 互感电抗或漏电 抗) 的标么值可表示为 ；k 鲁 ( 2 9 ) 玩。 、。 其中：丘为比例系数，近似为一常数。 随着a 的增大，绕组电抗的标么值将增大，从而影响电机的起动特性和运 行特性。 ( 5 ) 线负荷a 。过高，由于用铜( 铝) 量和电阻损耗的增加，会导致效率下降， 发热严重。 2 当线负荷4 不变，气隙磁密玩。较高时 ( 1 ) 电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁和导电材料； ( 2 ) 气隙磁位降和磁路的饱和程度将增加。玩，提高后，一方面直接增大了 气隙磁位降的数值；另一方面，由于铁芯内磁密增大而使磁路饱和程度增加； ( 3 ) 影响电机参数与电机特性。由式( 2 - 9 ) 可知，随着兄。的增大，绕组电抗 的标么值将减小，从而影响电机的起动特性和运行特性： ( 4 ) 气隙磁密既，过高，会导致电机铁耗增加，功率因数下降。 2 1 3 线负荷和气隙磁密的选择 由以上可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的4 和兄。 值，以便使制造和运行的总费用最小，而且性能良好。 除了不应选择过高的4 、玩，数值外，还应考虑它们的比值要适当。因为 这一比值不仅影响电机的参数和特性，而且与铜( 铝) 耗和铁耗的分配密切有 关，也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置。正因为这样，对经常处 于轻载运行的电机，通常宜选用较大的4 值和较低的色。值，以便在轻载时能 得到较高的效率。 哈尔滨理工大学_ 学硕士学位论文 电机的冷却条件对电磁负荷的选用也有重要影响。对于冷却条件较好的电 机，选用的4 和见，值可比相同封闭式电机的高，对于一般小型感应电机，通 常可高出1 5 - - - 2 0 左右。 电机所用的材料与绝缘结构的等级也直接影响电磁负荷的选择。所用绝缘 材料的耐热等级越高，电机允许的温升也就越高，电磁负荷可选高些；导磁材 料( 包括兼起磁路作用的某些结构部件的材料) 性能越好，允许选用的磁密也可 越高。 在直线电机中，电负荷丑的选择，应视初级绕组的散热条件及运行状态而 定。对于散热条件较好或日j 歇运行的电机，4 可取较大的值；对于散热条件较 差或连续运行的电机，a 应取较小的值。通常，对于单边型间歇工作的电机， a 可取5 x1 0 4 安米( 5 0 0 安，厘米) 左右；对于双边型间歇工作的电机，4 则取 1 0 安米( 1 0 0 0 安厘米) 左右。 关于磁负荷的选择，由于直线电机的电磁气隙通常比旋转电机大，为了减 小励磁电流，提高功率因数，通常选用较低的值。电磁气隙愈大，吼，值越 愈低。对于非磁性次级，见，可取o 1 啦0 3 5 韦米2 ( 即1 0 0 0 - 3 5 0 0 高斯) ，电磁 气隙小而极距大的电机，弦，取较大的值，反之，则取较小的值。 总而占之，电磁负荷选择时要考虑的因数很多，很难单纯从理论上来确 定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与己有 电机之间在使用材料、结构、技术要求等方面的异同后进行选取。电机工业的 发展历史表明，随着材料，特别是电工材料性能、冷却条件和电机结构的不断 改进，电机的利用系数和a 。、玩，的数值一直在逐步提高，从而使电机的体积 和重量不断减小，而性能指标仍能得到保证。 2 2 手算到机算的转变 2 2 1 电机计算机辅助设计程序流程 电机设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多， 难免会遇到许多错综复杂的矛盾。这要求设计人员必须全面地看问题，并能针 对具体情况采取不同的解决方法。如电机的各项性能之间以及技术指标和经济 指标之问，经常存在矛盾。当采取措施改变某个性能时，常会使其他一些性能 变差，因此须全面照顾。在设计电机时，也不能片面的追求体积小和材料省， 因为这样易导致电机性能降低，特别是效率降低，加工工时增加，而使运行费 哈尔滨理t 大学 学硕士学位论文 用或制造成本上升，并造成能量浪费”设计人员要完成一个电机的电磁计 算方案，需经过如图2 1 所示几个步骤。 1 确定技术条件和评价标准技术条件和评价标准是由电机制造部门和使 用单位根据国家标准、用户要求、产品特点以及生产单位的技术水平共同协商 确定的技术协议。评价标准应包括电机的技术性能、经济性能以及可靠性等方 面的具体指标。以上内容将作为指导产品设计和验收产品的依据 2 建立初始设计方案在搜集了相关产品样本( 样机) 和技术资料( 包括试验 数据) ，根据用户的要求制定技术任务书；根据技术条件或技术任务书的规 定，参照生产经验，通过计算和比较多种设计方案，来确定和电机电磁性能有 关的某些尺寸和数据，如电机定转子冲片、铁心的各种尺寸。 图2 - 1 电动机的电磁设计流程图 f i g 2 1f l o w c h a r to f e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nf o rt l l o t o t 3 分析计算利用电机的电磁计算程序对以上初定的方案进行电路和磁路 计算以核算电负荷，磁负荷，并进行参数计算、工作性能计算、起动性能计算 以及材料消耗及成本的计算。 4 结果评价把计算结果与评价标准进行比较。这个过程计算机执行起来 是比较复杂和困难的。在分析设计程序中，这是由设计者自行判断的 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 5 设计调整在以上正确执行评价标准的基础上，需对设计方案做进一步 的调整，以获得较佳方案。在电机设计中，可供调整的设计参量很多，并且调 整的幅度对方案办有很大的影响，必须准确地、有的放矢地进行。经过反复计 算、反复分析，直到得到一个合格的方案为止。 2 2 2 电机计算机辅助设计程序的特点 电机手算程序的作用相当于一个联立组的求解。我们给定一组自变量的值 ( 设计参数值) ，就会得到一些确定的函数值( 电机的性能) 。但是，尽管电机的 设计参数与其性能之间构成了唯一的对应关系，我们却无法用确切的数学表达 式把这些关系直接描述出来。电机的计算程序有其自己的特点”： 1 程序中的某些公式不确切电机的手算程序有百余个计算公式，这些公 式有的是经过理论推导得出的，有的是从生产实践中总结出来的经验公式。经 验公式中的系数大多给出取值范围，无确定数值。因此设计人员需根据生产实 际和设计经验加以确定，这就造成不同设计者对同一电机设计方案的计算结果 略有差异。 2 程序中的有些变量是通过试凑方法求得的手算程序中的有些量不能确 切地计算出来，需先假定一个值，而后通过迭代求得。 3 程序中含有大量的曲线和图表电磁设计中有些量之间的关系是通过实 验得到的，难以用一个数学公式精确地表达。例如电机铁心所用的硅钢片，其 磁场强度日和磁密b 之间的关系就只能通过实验得到一条曲线或制成相应的表 格，供计算时查阅。还有些图表是为了减轻计算的工作量，把一些复杂的计算 公式在满足要求的前提下简化制成的。 计算机程序是按照自身严格的逻辑关系由计算机自动进行计算的，因此程 序的一切处理方法都必须在编制程序时完全考虑好。考虑到电机的计算机辅助 设计的上述特点，在编写程序时必须有严格的数学逻辑及完整的数学模型，一 切细节都必须在事先做必要的处理，以保证计算机自动执行有关程序；编写程 序时不必完全按照手工计算的程序步骤，可根据调整方案或计算方法的需要， 适当安排程序或原有的手工计算方法；在程序中具有原始数据的输入和计算结 果的输出，并可根据需要安排必要的人机对话，以便设计者了解整个设计的全 部过程。 哈尔滨理 大学t 学硕十学位论文 2 2 3 标识符的命名和初始数据的形成 程序设计开始就要规定统一符号和输入各种初始信息1 。电机设计是一系 列的计算和有关的处理过程，它将遇到各种不同形式的量。为在计算机内进行 区别，应该用不同的标识符来代表它们。同时，按照计算机运算特点的要求， 每一个参与运算或处理的标识符，都必须有确定的值与之对应，这就要求初始 信息输入的及时性和准确性，这样才能保证计算机按程序进行正确的运算。因 此，将手算程序变为计算机辅助设计程序的第一个问题就是标识符的命名和初 始数据的设置。一般标识符都是以英文字母开头的有英文字母和数字构成的字 符串。 考虑到与手算程序命名的一致性，标识符命名时尽量与手算符号相一致， 尽可能照顾专业习惯以增强程序的可读性。本课题采用上述原则进行处理，实 践表明比较方便。如初级冲片槽数q ，气隙磁通密度b ，气隙磁通妒等。对于 采用希腊字母这样一些无法用计算机合法变量符号表示的变量，则用汉语拼音 或英文原文的缩写代替。 从内容上看，要形成的计算机辅助设计程序初始数据可分为以下几种：电 机的规范，如电机的功率、电压、频率以及绝缘等；电机的设计变量和某些不 变参数的值，如槽口尺寸、叠片系数等；有关判别信息，如初级采用何种槽 型，电枢绕组的连接形式以及输出数据类型等；插值用数据，用来表示曲线、 图表的数据，构成相应维数的数组。 2 2 4 数据图表和函数曲线的处理 由手算到机算最突出的问题是曲线和图标的处理1 。在电机设计过程中常 常要查一些函数曲线和数据图表来确定某一设计参量的数值。手算时可以很方 便地用寻找坐标的办法来实现，但是目前在计算机上尚无法直接按这样的步骤 去工作。所以要用计算机进行电机设计，必须对函数曲线和数据图表作必要的 处理。使其逻辑能够为计算机所接受。其具体处理方法有插值法、公式化法、 数值计算法等。 2 2 4 1 插值法 在电机设计中所用的数据图表和函数曲线，有一些是根据实验观察或其他 方法得到的，没有理论计算公式与之对应。因此只能将曲线“离散化”，输入 有限个数据，它们分别和曲线上有限个离散点相对应，相邻两个离散点问的数 哈尔滨理- 大学工学硕+ 学位论文 据则依人为选定的函数关系来表示，这就是插值法的实质。 当以两点日j 的直线代替原来函数关系时就称为分段线性插值。由于插值是 分段进行的，对任意x 插值时，首先要在原曲线上给定的m + 1 个离散点( 即插 值节点k ，) 中找出包含x 的插值区间i x 。，x 。】，即x x 。然后利用 工，和x l + 两点之日j 的直线段来代替这段区间内的原曲线，则x 所对应原曲线上 的函数值就可以用这条直线段上相应点的函数值来近似代替。显而易见，插值 节点数目脚+ 1 取的越多，即节点分布越密，相邻两节点间直线逼近原曲线的 程度越好，插值精度越高。为在整条曲线实现插值计算，插值公式见式( 2 1 0 ) 。图2 2 是线形插值的方法的图框。 r v r 、 y b ) = 乃+ 二= 生( 以“一只) ( 2 - 1 0 ) 图2 - 2 线性插值过程框图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo f t h e l i n e a ri n t e r p o l a t i o np r o g r e s s 由于通过平面上三个点可以作一条抛物线，因此用原曲线上顺序三个点所 作的抛物线来代替原函数关系时就称为二次插值或抛物线插值。当己知曲线上 顺序的三个点而、工：和而及其对应的函数值y 。、y 2 和y 3 ，则计算在区间 g ，工，) 内x 点处函数值y g ) 的抛物线插值公式如下 y g ) = ；糕乃+ ：芝端y ：+ i ( i x _ = - - i x i , j ) 两( x - - x 2 ) 均( 2 - ，) 哈尔滨理丁大学- 亡学硕j _ 学位论文 电动机设计中处理磁化曲线，计算槽比漏磁导等都采用插值的方法。 2 2 4 2 计算公式化法 为减少输入计算机的曲线数据，可采用函数y = ，g ) 来代替原曲线，这就 是曲线的公式化”1 。有如下处理途径： 1 恢复使用原始公式在电机设计所用曲线中，有些是由理论推导的公式 改绘而成的，绘制成曲线后查找比较方便。但对于计算机来说，不仅没有带来 方便而且降低了精度，这样就不如采用原始公式。曲线恢复到原来的公式，一 般不必再验证其精度。例如对三相6 0 。相带绕组0 2 3 ) 的谐波漏磁导系数 曲线，其原始公式如下 西= 百i f 2 亭【( 5 q 2 + 1 ) + 百e 3 一等一寺一墙 ( 2 m ) 其中：q 为每相每极槽数； ，由l 为初级基波绕组系数。 e = 3 q ( 1 一) ( 2 1 3 ) 2 采用经验公式有些曲线图表是由一些实验或经验数据得到的，或者是 数值计算得出的数据。它们暂时无数学公式准确表达出来，可采用经验公式近 似计算。计算结果与原曲线有误差，但可以满足工程上的需要。如轭部磁路校 正系数 p ：2 时c 1 ：0 8 6 h d i 芸i - + 1 2 7 ； ( 2 1 4 ) f p 1 ) i 州时c , = 0 6 5 等一南“2 5 5 ； ( 2 - 1 5 ) p = 6 及以上时c i = o 3 5 ：生+ o 0 2 2 8 b ? 一o 7 2 8 8 , + 6 0 6 ( 2 1 6 ) f ， 如果c l 的计算值超过2 石= 0 6 3 6 6 2 ，均按2 # 处理。 2 2 5 迭代计算过程的处理 在直线异步电动机的设计中由于磁路的饱和影响，使电磁计算十分复杂， 处理这些非线形问题，经常用试探法，通过迭代计算来解决，如以下四个参量 功率因数c o s 妒、压降系数l 一气、效率，7 、起动电流l 。应对四个参量事先给 予假定初值，通过程序计算后，分别得到计算值，直到满足精度为止，手算不 仅耗时多，而且迭代精度不可能很高。机算为解决该类问题创造了条件，编程 哈尔滨理工大学t 学顼七学位论文 时应注意以下几点： l 确定迭代初值合理的设定迭代初值，可以减少计算机的工作量，增加 计算的准确性。设定的初值偏大时，增加了迭代次数，特别对低效率的电动 机，效率的初设值偏差太大时容易引起迭代不收敛。如压降系数1 一占，在直线 电机中，约为0 3 5 - - - 0 8 5 。 2 确定假定值的再设值计算值和假设值之间的误差如超过允许范围，则 要提出再设值，重新计算这段迭代过程。这时应分析这段迭代过程，确定再设 值应在计算值之间还是之外，如增大假设值，通过整个迭代过程的计算，使计 算值减小，则再设值应在计算值与假设值之间；否则再设值应比计算值大。 3 控制合理精度由于计算机的运算精度和速度比手算高的多，所以在计 算值与假设值的允许误差可以取得很小，计算精度可以大大提高，但是如果精 度取得过高，一方面受现有电磁计算方法的局限，单纯提高迭代精度并无实际 意义；另一方面过高的迭代精度无疑增加了迭代次数，并且很容易造成“死循 环”。因此，合理地控制迭代精度很有必要。机算精度一般比手算的高一个数 量级。功率因数允许误差绝对值设为0 0 0 1 ；压降系数允许误差绝对值设为 0 0 1 ；效率允许误差绝对值设为0 0 0 1 ；起动电流的允许误差绝对值设为0 0 1 。 2 3 电磁计算程序的框图及计算结果 2 3 1 校核设计 校核设计是指把设计人员预先估计好的若干参量，如初、次级冲片尺寸， 槽形尺寸、槽数、铁芯长、绕组数据等，作为已知量输入计算机，然后。计算 机依照一定的程序步骤和公式算出该设计的计算结果，而这些计算结果是否符 合原定的指标要求，贝有设计人员自行判断。如果不符合要求，则由人工将一 些输入参量加以改变后再校算，直到算出符合指标要