电机设计(第二章).ppt

航空电机电磁设计及CAD 第二章航空交流发电机的结构方案 第二章航空交流发电机的结构方案 2 1磁极安装方式 a 为凸极式 b 为隐极式 l 旋转磁极式 2 旋转电枢式 2 2激磁问题 同步电机的励磁系统1 他激形式2 自激形式相复励3 三次谐波励磁4 旋转整流器式无刷励磁 一 激磁方式 二 他激及自激 他激式 自激式 地面电机广泛应用的所谓 三次谐波励磁 三次谐波励磁的主要优点是 1 三次谐波绕组输出电压随负载的增加而增加 因而具有自动调整电压的特点 2 三次谐波励磁的交流发电机的过载能力强 它甚至能启动同容量的异步机 3 动态反应速度快 4 结构简单 可靠 体积小 重量轻 三次谐波励磁也具有缺点主要是 1 自激比较困难 实际上这是上述所有自激线路的通病 2 输出波形较差 自激问题 对于利用整流器把交流整流成直流来激磁的自激交流发电机 尽管其自激线路形式可以是多种多样的 但都要求比起一般电机来高得多的剩磁磁通 这是共同的 这一点在设计磁路时必须给以充分注意 并采取相应措施 嵌永久磁铁等方法 给以保证 复激线路的特点是 激磁电流的大小 同时取决于交流输出电压和电流 不存在失磁问题 一定的自动调压作用 三 无刷同步发电机的特点 1 旋转整流器的形式 2 交流励磁机的特点 旋转整流器三级电机如何实现起动 发电双功能 问题的提出 静止或低速时如何获得主发电机励磁 改造励磁绕组单相交流励磁 2 3冷却系统 一 迎面气流强迫吹风冷却二 循油冷却三 喷油冷却 循油冷却 喷油冷却 2 4转轴 弹性连接空心轴 软轴刚性连接 电机与负载或原动机的连接 基于可旋转变换器的同步电机无刷励磁研究TheNovelBrushlessExcitationBasedonRotationalPowerElectricalConverter 国家自然科学基金项目50477013 目标和内容 研究目标是 研究电机励磁用旋转变换器的与电机集成的结构 磁芯旋转后的电磁现象 设计理论 新型无刷电机的性能 力图将之实用化 为航空 战车提供新型无刷高功率密度的发电机 增强电励磁同步电动机在中小功率伺服及驱动系统中的竞争力 旋转变换器无刷励磁原理框图 可旋转DC DC变换器 高频可旋转变换器的无刷励磁技术 旋转变压器在电机中位置示意图 可旋转电力电子DC DC变换器 是一种基于感应电能传输技术 InductivePowerTransfer IPT 的新型变换器 高频可旋转变换器的无刷励磁技术 优点 高频可旋转变换器的无刷励磁技术 感应电能传输技术 InductivePowerTransfer简称IPT 分离式感应电能传输技术 滑动式感应电能传输技术 旋转式感应电能传输技术 新型非接触高频电力电子电能传输技术 从20世纪90年代初开始研究 多种场合应用 特点 1 变压器为旋转下的分离的耦合方式 电源和负载单元之间不需要物理连接就能进行能量耦合 传递电能2 变换器一般工作于谐振态 变压器进行能量传输受转速影响小3 消除了触点磨擦 提高了系统供电的灵活性 更安全 旋转变压器 旋转变压器是可旋转变换器的核心部件 方式 a 方式 b 线圈绕组的分布结构 a 方式使线圈尽量靠近中心磁柱 b 方式使原 副线圈尽量正对和靠近 旋转变压器 为对比两种绕制方法 分别绕制两组匝比为8 8的变压器 测试频率取50kHz和100kHz 测试结果如下表 a 方式线圈分布在窗口中较深 匝链了更多的漏磁通 b 方式线圈较浅 漏感小 旋转变压器 实验用旋转变压器采用GU60罐形锰锌材料 MnZn 铁氧体磁芯 它具有高磁导率和高饱和磁感应强度 选择方式 b 的绕组结构形式 线圈绕组采用螺旋环状铜薄片叠成 a 线圈绕组侧面视图 b 线圈绕组正面视图线圈绕组正 侧面视图 旋转变压器 制作好的旋转变压器外观照片 旋转变压器 反激和全桥式可旋转变换器研究 旋转变换器方案选择 旋转变换器 电路简单 易控制 适宜小功率场合 反激式旋转变换器 正激式旋转变换器 推挽式旋转变换器 半桥式旋转变换器 全桥式旋转变换器 电路形式上与反激式相似 有两个开关管 结构简单 能够输出较大的功率 因此用途广泛 四个开关管组成 能输出大的功率 反激和全桥式可旋转变换器研究 反激式旋转变换器原理图 全桥式可旋转变换器主电路图 旋转部分 反激和全桥式可旋转变换器研究 静止部分 34 先对可旋转变换器的性能作一下研究分析 移相角的变化 转速的变化对可旋转变换器的输出电压和电流的影响 旋转变压器原 副边电压的影响 为后面的同步电机无刷励磁打下基础 旋转变换器实验平台 反激和全桥式可旋转变换器研究 35 实验结果 转速为电机额定转速1500r min 负载为用电阻和电感串联模拟的同步电机励磁线圈 Q1与Q4的驱动波形 变压器原副边电压波形 输出电压电流波形 输出电压电流波形 旋转变换器实验波形 变压器原 副边电压波形 占空比丢失使得副边占空比减小 结论 移相全桥旋转变换器用于同步电机的无刷励磁 可以通过控制移相角的大小方便地调节励磁电流的大小 从而控制发电机的输出电压 反激和全桥式可旋转变换器研究 36 在移相角为90 转速由0升高到1500r min 原副边输出电压的波形 60r min 900r min 1500r min 结论 在移相角为90度 转速由0升高到1500r min 不同负载时副边输出电压均没有随转速升高有明显下降 只是在感性负载时 输出电压有较大尖峰 这是由输出整流管的反向恢复和变压器的副边漏感造成的 实验测得不同负载时转速与输出电压的关系图 反激和全桥式可旋转变换器研究 反激和全桥式可旋转变换器研究 结论 反激式旋转变换器由于变压器存在较大漏感 存在严重的占空比丢失 使传输功率较小 只能用在传输功率较低 如几十瓦 能量的场合 移相控制全桥变换电路的变压器交替磁化 占空比丢失不大 可用于较大的感应电能传输场合 对于中小型同步电机的无刷励磁 励磁容量在百瓦以上 额定容量的2 左右 应选择全桥式可旋转变换器 样机利用一台普通异步电机Y112M 4改型设计 同步发电机Maxwell模型 根据同步电机定转子尺寸 在Maxwell中建立同步发电机的模型 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 电机磁场分布 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 电机磁场有限元仿真 a 单匝定子三相绕组自感曲线 b 单匝定子三相绕组互感曲线 c 单匝定转子绕组互感曲线 d 单匝励磁绕组自感曲线基于有限元法分析的电感参数曲线 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 同步发电机样机的电磁参数表 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 同步发电机励磁控制系统是由两个反馈环组成 内环是电流环 电压外环的输出信号作为电流环的给定信号 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 在这个系统中 包含以下几个主要功能模块 桥式逆变器模块 桥式整流模块 同步发电机模块 负载模块 电压电流检测模块 PI调节模块以及移相控制模块 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 输入直流电压 电机转速 0 2s时突加负载 在0 32s时突卸负载 开环 闭环 发电机电流和端电压幅值波形 突卸负载时发电机端电压和端电流幅值波形放大图 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励磁系统分析与实验 无刷励磁系统实验平台框图 实际无刷励磁系统实验平台照片 控制器 实验平台 实验结果 左图为旋转变压器原边的电流 对应励磁电流约为1 6A 右图为电机端电压波形 电压幅值约为320V 频率为50Hz 旋转变压器原边电流波形 发电机端电压波形 开环实验结果与分析 开环实验 闭环实验结果与分析 闭环实验 创新与特点 将新型旋转变换器运用到电机无刷励磁的方案中 提出新的同步电机无刷励磁方案 并完成初步研究 中小型电机的无刷励磁用旋转变换器采用全桥移相控制式旋转变换器 研究了新型基于感应电能传输技术的可旋转变换器 对旋转变压器进行了设计和磁性能分析 可旋转变换器可推广至其他用途 新型兆瓦级无刷励磁同步风力发电机结构特点 高频旋转电力电子变换器无刷励磁 可行 但旋转磁芯部分成本较高 中频旋转变压器励磁方案 基于中频旋转变压器及三次谐波励磁技术 通过旋转变压器原副边绕组的感应电能传输 将从发电机三次谐波绕组中得到的电能经过相应处理变换用作发电机自励磁 不仅具有非接触式能量传递的相关优势 同时降低成本 旋转变压器原理 E 4 44fW mk 旋变机械特性 静态 动态 转差 设计要求 1 主同步发电机 额定线电压 690V额定功率 1 5MW额定频率 50Hz额定励磁电流 100A2 三次谐波励磁绕组 输出额定电压 200V输出额定功率 30kW频率 150Hz3 旋转变压器 定子三相电压 200V转子输出可根据励磁需要调节开关频率 400Hz 其他电机研究的创新 开关磁阻电机双凸极电机双定子绕组异步发电机高速电机 无轴承 混合励磁起动发电电机容错技术 富于联想敢于创新 混合励磁同步电机方案 缺点 大功率电机设计技术不够成熟 无法完全灭磁 优点 结构简单 功率密度 效率高 发电控制简单 易实现起动发电 混合励磁同步电机特点 混合励磁同步电机方案 混合励磁同步电机结构 根据电机内部电励磁磁势 永磁磁势的路径和相互关系可分为 径向 轴向磁路并联轴向磁路串联磁路串 并联混合型 混合励磁