无刷电励磁同步电机设计与实验研究

摘要一般的无刷电励磁同步电机系统由同步电机、旋转整流器和交流励磁机等组成。同步电机与交流励磁机同轴相连，旋转整流器固定于转轴上，与两个电机的转子同步旋转。传统同步电机中转子侧存在电刷和滑环，结构复杂、维护困难，容易产生电弧、火花，从而产生爆炸安全事故。本文提出一种新结构无刷同步电机，不需要单独的励磁电机与同步电机相连，该结构的无刷同步电机取消了传统同步电机中转子侧的电刷和滑环结构，也没有同轴连接的单独励磁机，使得电机结构简单，运行可靠，便于维护，且损耗小，效率高。首先分析了无刷同步电机和无刷电励磁同步电机的结构特点和工作原理，介绍了同步电机的磁场、电动势、相互作用以及转矩性质和运行方式，又介绍了同步电机的额定值和一些一般型号。利用磁路设计方法完成了一台电励磁同步电机的设计，依照设计参数，利用RMxprt旋转电机设计软件计算其参数，设计了新结构电机的定转子单相绕组参数、旋转整流器的参数，并利用Ansoft进行了有限元分析，分析了电机的性能。利用样机，进行了电机的负载、空载实验以及短路实验，进一步验证了这种电机的可行性。关键词：电励磁同步电机；无刷励磁；有限元分析AbstractTraditionalbrushlesssynchronousmotorsystemiscomposedofsynchronousmotor、rotatingrectifierandanACexciter.SynchronousmotoriscoaxiallyconnectedwithACexciter,rotatingrectifierisfixedontheshaft,rotatingwithrotorofsynchronousmotorandrotatingrectifier.Therearebrushesandslipringsintraditionalsynchronousmotorhasbrushesandsliprings,sotraditionalsynchronousmotorhascomplicatedstructureanddifficultmaintenance,andeasilyproduceelectricarcandspark,resultinginexplosionaccident.Thispaperproposedanewstructureofbrushlesssynchronousmotor,withoutseparateexcitationmotorwhichcoaxiallyconnectedwithsynchronousmotor,thisstructureofbrushlesssynchronousmotorcancelsbrushesandslipringswhichontherotorside,norseparateexcitationmotorcoaxiallyconnectedtosynchronousmotor,sothemotorhasadvantagesofsimplestructure、reliableoperation、convenientmaintenance、lowlossandhighefficiency.Firstanalysisofbrushlesssynchronousmotorandelectricbrushlessexcitationsynchronousmotorofthestructurecharacteristicsandworkingprincipleofsynchronousmotorareintroduced,electromotiveforce,interactionofmagneticfieldandtorquepropertiesandoperationmode,andintroducestheratingandsomegeneraltypesofsynchronousmotor.Usingthemethodofmagneticcircuitdesigncompleteda200kwelectricexcitationsynchronousmotordesign,accordingtothedesignparameters,designsoftwareRMxprtrotatingmotorisusedtocalculatetheparameters,designanewstructureofthemotorstatorsingle-phasewindingparametersandtheparametersofrotatingrectifier,andbyusingAnsoftfiniteelementanalysis,analyzestheperformanceofthemotor.Usingtheprototype,themotorloadandno-loadtestandshort-circuitexperiment,furtherverifythefeasibilityofthiskindofmotor.Keywords:electricmagnetsynchronousmotor;brushlessexcitation;finiteelementanalysis目录1绪论.11.1课题的背景与意义.11.2同步电机的研究现状.11.2.1同步机的特点及分类.11.2.2同步电机的启动方法.21.2.3同步电机的用途.31.2.4国产同步电机型号.31.3无刷励磁同步电机在国内外的发展情况.31.4无刷励磁同步电机的研究现状.41.4.1系统组成.41.4.2传统无刷同步电机原理及特点.52普通同步电机和无刷电励磁同步电机的结构特点和工作原理.62.1同步电机结构.62.1.1同步电机类型.62.1.2构成：由定子与转子两大部分组成。.62.2同步电机的工作原理.72.2.1磁场.72.2.2电动势两个旋转磁场切割绕组产生。.72.2.3相互作用.72.2.4转矩性质与运行方式：.82.3额定值.82.4无刷电励磁同步电机结构.82.4.1结构模型.82.5同步机的励磁方式.103无刷电励磁同步电机设计和电磁参数计算.123.1电机设计部分.123.1.1主要尺寸及电磁负荷的确定.123.1.2气隙.133.1.3绕组.133.1.4定转子槽的设计.133.1.5无刷励磁部分的设计.133.2无刷电励磁同步电机结构参数的计算.143.2.1同步电机的额定参数和主要尺寸.143.2.2定子绕组.153.2.3定子槽型及导线.163.2.4凸极转子铁心磁路计算.173.2.5阻尼槽及阻尼绕组设计.193.2.6励磁绕组设计.193.3电励磁同步电机的RMxprt电磁计算.193.3.1满载时的损耗和效率.193.3.2空载磁路计算.203.3.3电抗和时间常数计算.213.4无刷同步机的设计.213.4.1旋转整流器的参数选择.213.4.2定转子单相绕组的参数设计.223.5旋转整流器.233.5.1旋转整流器的数学模型.233.5.2旋转整流器在有限元分析中的模型.234电励磁同步电机的有限元分析.264.1电励磁同步电机磁力线及磁密分布.264.2无刷电励磁同步电机负载条件下的性能分析.284.3实验.334.3.1实验目的.334.3.2实验器材.334.3.3主要实验仪器介绍.334.3.4实验步骤.344.3.5实验数据.354.3.6结论.355总结.36参考文献.37翻译部分.38英文原文.39中文译文.48致谢.591绪论1.1课题的背景与意义现在，爆炸性气体、蒸汽的易燃因素在煤炭、石油和化工等企业广泛存在，含有那些易燃物质的混合气体非常容易形成爆炸性的气体环境；为了预防对电气设备操作不当，从而产生危险性气体，引起安全事故，对那些存在易燃物质等可能存在爆炸性危险的气体环境，必须用防爆型电气设备。对电动机来说，因为常规的有刷电机的转子上有滑环及电刷，在电机运转时火花很容易产生，从而造成爆炸事故；无刷励磁电机的主要特征是没有滑环及电刷系统，因此电机在运行时不太容易有电弧和火花，大大降低了爆炸性安全事故发生的概率，所以对工矿企业来说无刷励磁电机安全性非常好，应用广泛。现在使用的主要无刷励磁方式是旋转整流器式无刷励磁，此种电机使用了额外的电机当作励磁机，这种励磁机一般为一台旋转电枢式发电机，该电机与主电机同轴连接为主电机提供励磁电流，因此在这种结构的无刷方案加了一个可以将交流电转换为直流电的旋转整流器，励磁绕组与励磁机的输出电流串接，可以将交流电换为直流电，供给直流励磁电提供给主要的发电机。该旋转整流器式无刷励磁方法没有滑环及电刷，因此火花和电弧不容易产生，很好的改善了电机地可靠性及稳定性。可是这种无刷励磁方案仍有几点不足：(1)直流励磁电的产生是一个复杂的过程，经过整流器和励磁机形成励磁绕组所需要的直流电，从而产生主发电机需要的直流励磁电，为主电机励磁绕组励磁，大大降低了系统的动态性能；(2)整个系统中增加了额外的励磁机部分，使得轴向空间增大，功率密度有所降低；(3)当电机转速为零或转速较低时，该方案的无刷励磁系统的励磁机没有输出或输出不足；因此这种方案不适合要求调速运行的同步电动机系统。常规同步电机转子旁边有滑环与电刷，这种复杂的结构维护起来很困难，很轻易有火花与电弧,然后造成重大安全事故的发生。本文构想了一种新结构无刷同步电机，没有滑环与电刷，没有专门的励磁系统，这是一种有简便的内部构造，靠谱的运行方式，维护工作量减小。1.2同步电机的研究现状1.2.1同步机的特点及分类平常的交流电机有两种：同步电机与异步电机，它们都有自己的特征。同步电机地转子的转速和定子旋转磁场地转速一样，异步电机地转子的转速和定子旋转磁场地转速不同。异步电机包含绕线式异步电机与鼠笼式异步电机，常规鼠笼式异步电机因为转子的结构单一可行，广泛应用于工业中，可是异步电机有相当低地效率与功率因数。同步电机可分为电励磁同步电机和永磁同步电机，电力磁同步电机又包括电力磁隐极同步机和电力磁凸极同步机。随着电力电子技术的发展，现有的同步电动机大部分采用旋转整流器励磁，整流器由可控硅晶闸管构成，将交流电转换为直流。1电图1-1同步发电机图1-2同步电动机电励磁同步电机与异步电机，它们都有一样的定子构造，都有定子铁心加上三相绕组，以及不一样的转子结构。与异步电机相比，同步电机主要具有以下特点：(1)功率因数高，功率因数可以任意调节，效率高；(2)转速恒定，不随负载变化；(3)运行稳定性能好；(4)启动过程较为复杂，不能直接启动，需要额外的装置；(5)需要直流电和交流电，结构复杂，价格高；(6)如果频率一直不变，会有失步和震荡现象产生，对电机的运转性能有害。1.2.2同步电机的启动方法(1)异步启动法在转子上装有起动绕组及阻尼绕组的同步电动机，可以采用异步启动。该启动绕组类似于感应电机的鼠笼绕组。异步启动法是说同步电机起动时和异步机运转时差不多，同步机转子地阻尼绕组和异步机地鼠笼绕组差不多，当电机用异步方法加速到接近同步转速时，在转子励磁绕组中通入励磁电流，一般当转速为0.95n时通入励磁电流。通常为转子绕组串联电阻值的510倍的电阻，即转子绕组既不能短路也不能开路，以防止损坏转子绕组的绝缘，造成电机没法启动。采用异步启动法，电机可以自启动，起动转矩大，不需要额外的附加启动电机，操作简单，维护的工作量小，但是随电网和电机的冲击较大。(2)辅助电动机启动法用感应电动机来启动同步电动机，该感应电动机与待启动的同步电动机磁极数相同。异步启动法是依靠同步机本身的结构特点来启动的，只适用于转子上装有阻尼绕组的同步电机。用辅助的感应电动机拖动将要启动的同步机，直到转速达到接近同步转速为止，然后使用自整步法将同步电机投入电网，同时将辅助电动机的电源切断。另外辅助电动机也可以采用异步电机，该异步电机的极对数比要启动的同步机少一对极。(3)变频启动法变频启动是指采用变频电源为同步电机三相定子绕组供电，逐步升高电源频率，则定子旋转磁场转速逐步升高，转子转速逐步升高，从而起动电机。在开始起动时，变频电源为三相定子绕组提供频率较低的电源，由于转子转速与定子旋转磁场同步，此时转子转速较低；然后逐步增加变频电源的频率以升高定子三相绕组电压的频率。采用变频启动法需要使用变频电源，实现同步电机的无级调速，可以使电机的转速逐步上升，电机平滑起动，得到了广泛的应用。这使得同步电机的应用范围大大增加，变频启动要求使用额外的变频装置，技术要求高，结构复杂，投资费用大。1.2.3同步电机的用途因为同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，使用大型同步电动机可以提高运行效率。同步电机还可以作为电网的同步补偿机，这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。目前，同步电机主要有以下几种应用形式：（1）常规的有刷和无刷励磁型同步电机，如电排站水泵、空气压缩机等。（2）采用变频技术的同步电机。这类主要应用于大型工矿企业的大容量机组中，如钢厂的轧机传动系统，抽水储能泵站的发电、电动机组等。1.2.4国产同步电机型号1汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。2大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。3举例：QFS-300-2）表示容量为300MW、双水内冷、2极汽轮发电机。TSS1264/160-48）表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。4同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。5同步调相机表示为TT。1.3无刷励磁同步电机在国内外的发展情况上世纪六十年代，随着电力电子技术的迅速发展，由于有刷电机存在电刷和滑环结构，容易引起电弧和火花，美国西屋公司首先研制成功了无刷励磁系统大型汽轮机组，功率为180KW。因为无刷电机取消了电刷和滑环，不容易产生电弧和火花，得到了广泛的应用，据不完全统计，1968年至1973年，西屋公司为容量为220-600MW的24台汽轮发电机组配置了无刷励磁系统。1975年至1981年，又生产了大约60台。据资料，上世纪七十年代，威廉森(Williamson)就已经对无刷励磁技术进行了深入的研究，设计了两极式无刷励磁涡轮式发电机，该电机功率损耗小、效率高。无刷励磁系统得到了越来越广泛的应用，国内的好多发电机组均已采用无刷励磁系统，例如广东大亚弯核电站生产的900MW汽轮发电机组，四川江油发电厂生产的330MW汽轮发电机；1999年北京重型电机厂研制了200MW汽轮发电机，该系统采用无刷励磁系统，标志着无刷励磁技术的发展又迈上了新的台阶。1.4无刷励磁同步电机的研究现状1.4.1系统组成交流励磁机交流励磁机对应的励磁电压和整流回路的接线方式决定了交流励磁机的功率因数。随着整流电路的频率增大，反应速度加快，时间常数减小，因此应尽量选择较高的整流电路频率；但整流电路的频率与同步机的转速、极数和电动机使用特性的要求有关，因此并非整流电路的频率越大越好，要综合考虑各方面的因素。交流励磁机的励磁电流可由外电源供给，但是为了提高系统运行的可靠性，减小外部装置对系统的影响，大多数大中型无刷同步电动机中往往不采用外电源，而采用静态励磁装置。(2)静态励磁装置随着电力电子元件的发展，现有的无刷励磁同步电动机中，交流励磁机定子励磁绕组与可控硅静止励磁装置连接，通过可控硅静止励磁装置整流产生直流电，为励磁机提供励磁电流。(3)旋转整流器旋转整流器是主要由整流电路构成，同时还包括相应的散热器，整流器是用于将交流电能变换为直流电能的变换器，输出整流电压完全决定于交流电源电压的称为不可控整流电路，输出整流电压可以控制的称为可控整流电路。按电路结构分为：半波整流电路和全波整流电路，按电源相数分为：单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路，按电路控制特点分为：不可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。因此整流电路可按变压器次级绕组工作制分类，分为半波整流电路和桥式整流电路。整流电路一般采用三相桥式电路和三相半波电路，两者各有其特点。三相桥式整流电路的功率因数较高、效率也较高，每个元件承受的反向电压为三相半波的12，但使用的元件数较多，是三相半波的2倍，连接线较多，结构较为复杂。半波整流电路的输出中含有直流分量及较多的脉动分量，该输出加载到交流励磁机电枢，由于直流分量的存在会使交流励磁机的容量加大。因此，三相桥式线路在容量较大或为了获得较好动态性能的同步机中用的较多，只有在小容量电机为了结构紧凑、简单可靠才选择三相半波整流线路。为了保证旋转整流器工作在正常状态，旋转整流器安装有相应的保护装置，如过电压保护、过电流保护等，当系统遇到过电压过电流等故障时机组保护装置的保护动作，防止旋转整流器的损坏，但功率二极管仍可能被损坏。如果旋转整流器二极管损坏系统应立即报警，尤其在发生一管短路故障时，必须立即消除故障，否则会危害整个系统。但是由于取消了电刷和滑环，电压和电流监测装置安装困难，无法与系统连接，因此该系统的监视与保护变得十分困难。(4)灭磁电阻同步电动机起动时励磁绕组中没有加载励磁电流，并且励磁绕组不能断路也不能短路，这是因为同步机的启动类似于异步电动机，起动时如果转子励磁绕组开路，绕组中将产生高达几千伏的感应电势，因此起动时一般在励磁绕组上并联阻值为5-10倍的灭磁电阻。图1-3无刷励磁同步电机的系统组成1.4.2传统无刷同步电机原理及特点励磁系统是同步电动机的核心组成部分，为转子励磁绕组提供直流励磁。长期以来由于同步电动机励磁装置技术性能的不完善，严重影响了同步机的运行性能，有时甚至损坏同步机，影响生产安全。传统无刷励磁系统的励磁机为异步发电机，转子发出的三相交流电经过旋转整流器进行整流，为同步电动机转子励磁绕组提供直流励磁，取消了电刷和滑环，避免了火花的产生，对同步电机无刷励磁技术有下述基本要求：(1)励磁电压的大小应该可调；(2)由于无刷励磁的整流元件及相应的散热装置安装在转轴上，与转子一起旋转，因此与静止整流器相比，旋转整流器的元件应该能承受较大的离心力；(3)无刷励磁设备安装在转轴上，并且与转子一起旋转，会产生动平衡、扭矩等问题，应进一步分析考虑其结构；(4)如果同步电机启动时就加载励磁电流，由于转子转速太小，而定子旋转磁场转速恒定，将产生正负交变的力矩而引起振荡，使电机不能牵入同步运转，因此同步电动机启动时一般先在转子中加入电阻，在转速达到0.95n时为转子励磁绕组投入励磁，将电动机拖入同步。2普通同步电机和无刷电励磁同步电机的结构特点和工作原理2.1同步电机结构2.1.1同步电机类型按其结构型式可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。在实际应用中，需要通过滑环将电功率自转子部分导入或者引出。由于同步电机的电枢功率极大，电压较高，因而不容易由滑环导入或引出。由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压通常又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电容易实现。因此旋转电枢式只适用于小容量同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。2.1.2构成：由定子与转子两大部分组成。同步电机的基本结构与直流电机和异步电机相同，都是由定子与转子两大部分组成。(1)定子结构：由铁心、电枢绕组、机座以及端盖等结构件组成。（定子铁心是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常为扇形冲片，然后组装成圆形。电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。定子机座是支承部件，用于安放定子铁心和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。）(2)转子结构：与异步电机转子结构不同，通常由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。分类：同步电机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。（隐极式转子呈圆柱形，无明显的磁极。隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电机，例如汽轮发电机。在同步电机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。凸极式转子结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合，例如水轮发电机或者柴油发电机。凸极电机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。）此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。此绕组在同步发电机中起到了抑制转子机械振荡的作用，称为阻尼绕组；在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并借电刷接到励磁装置。2.2同步电机的工作原理2.2.1磁场三相同步电机运行时存在两个旋转磁场:定子旋转磁场和转子旋转磁场。定子旋转磁场又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场。速度：同步速度，即（2-pf160n1）方向：从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。形成原因：以电气方式形成。当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。它的旋转速度为同步速度，即;它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相；当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。这个旋转磁通势是以电气方式形成的。同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕组中流通对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁通势，建立旋转磁场。同步电机的定子绕组被称为电枢绕组，因此，上述磁势又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场12。转子旋转磁场直流励磁的旋转磁场。速度：同步速度，即方向：与定子相同。形成原因：机械方式形成。（在同步电机的转子上装有由直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当转子旋转时,以机械方式形成旋转磁通势，并在气隙中形成另一种旋转磁场。由于磁场随转子一同旋转，被称为直流励磁的旋转磁场。）2.2.2电动势两个旋转磁场切割绕组产生。原因：旋转磁场切割绕组。电动势：定子绕组-感应频率与同步转速相同的电动势。由定子旋转磁场和转子旋转磁场共同作用，两者有相角差。pf160n转子绕组-正常情况下转子与磁场同速，无感应电动势。同步电机的定子磁场和转子磁场均以同步转速旋转，但空间相位不同。当切割静止的定子绕组时，旋转磁场在定子三相绕组中感应出频率相同，时间相位不同的感应电动势。绕组中的感应电动势的时间相位差与旋转磁场间的空间相位差相等。在稳态对称运行时，无论是定子磁场或是转子磁场都以同步转速旋转，与转子绕组没有相对运动，不会在转子绕组中产生感应电动势。2.2.3相互作用原因：磁极间同性相斥、异性相吸，相互作用的电磁力。（由于同步电机的空气隙间存在着两种不同方式产生的旋转磁场，因此，当这两个磁场的空间位置不同时，由于磁极间同性相斥、异性相吸的原理，它们之间便会产生相互作用的电磁力。同步电机的定子磁场和转子磁场之间没有相对运动。但是由于负载的影响，两个磁场之间的相对位置却是不同的。这个相对位置决定了同步电机的运行方式。）2.2.4转矩性质与运行方式：1转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场：制动转矩+发电机运行方式。（当同步电机的转子在原动机的拖动下，转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场运行时，定子磁场作用到转子上的转矩是制动转矩，原动机只有克服电磁转矩才能拖动转子旋转。这时，电机转子从原动机输入机械功率，从定子输出电功率，则同步电机工作于发电机运行方式。）2转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行：拖动转矩+电动机运行方式（当转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行时，转子会受到与其转向相同的电磁转矩的作用。这时，电枢磁场作用到转子上的转矩是拖动转矩，转子拖动外部机械负载旋转，则同步电机工作于电动机运行方式。）2.3额定值同步电机的额定运行数据有：(1)额定容量或额定功率NSNP同步电机的额定容量是指出线端的额定视在功率，单位为或者；额定功率是指发电kVAM机输出的额定有功功率，或指电动机轴上输出的额定机械功率，单位为或者；对于kW补偿机则使用额定视在功率(或者无功功率)来表示。(2)额定电压NU指正常运行时定子三相绕组的线电压，单位为或者。k(3)额定电流I指额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为。A(4)额定功率因数cosN指额定运行时电机的功率因数。(5)额定频率f指额定运行时的频率，我国标准工频规定为。50Hz(6)额定转速Nn指同步电机的同步转速。(7)额定效率指额定运行时的电机效率。此外，电机铭牌还常列出额定励磁电压，额定励磁电流,额定温升等参数。fNUfNI2.4无刷电励磁同步电机结构2.4.1结构模型无刷电励磁同步电机包括机壳、电枢铁心、电枢绕组、转轴、N、S级磁极。特点是：电枢铁心下的磁极为瓦片型，所有N极磁极向一边扩展后向上（或向下）拉伸再向同一边扩展并连接在同一材料的圆环上，形成一个整体，所有S极磁极向一边扩展后向下（或向上）拉伸再向同一边扩展并连接在同一材料的圆环上，也形成一个整体，两个圆环之间放置一环形磁桥固定在机壳上，直流励磁绕组置于环形磁桥中，磁极外圆周有笼形全阻尼绕组7。普通的电励磁同步电机定子中包括定子三相绕组，转子中包括励磁绕组和阻尼绕组，新结构的无刷同步机中，在定子中增加了定子单相励磁绕组线槽和定子单相绕组，转子中增加了转子交流感应绕组线槽（也可称为转子单相绕组线槽）和转子交流感应绕组线（也可称为转子单相绕组）。普通电励磁同步电机定子铁心中为轴向分布的定子三相线槽，转子铁心中为轴向分布的阻尼绕组线槽。与普通电励磁同步电机相比，该无刷同步电机的定子铁心中增加了围绕转轴的圆环形定子单相励磁绕组线槽，转子铁心中增加了围绕转轴方向的圆环形转子交流感应绕组线槽。定子单相励磁绕组安放在定子单相励磁绕组线槽中,转子交流感应绕组安放在转子交流感应绕组线槽中。图2-1无刷同步电机的定子结构图图2-2无刷同步电机转子结构图2.5同步机的励磁方式励磁系统为同步机的励磁绕组提供直流励磁，是同步机的核心部分，励磁电流直接影响电机的性能和质量。目前采用的励磁方式主要分为两大类：一类是直流励磁机励磁系统；另一类是整流器励磁系统，包括静止整流器励磁和旋转整流器励磁，系统采用硅整流装置将交流电转化成直流，为同步机励磁绕组提供励磁。（1）直流励磁机励磁。直流励磁机励磁系统中，励磁机与同步发电机同轴连接，采用他励接法时，需要额外的与励磁机同轴连接的直流发电机为励磁机供电，称为副励磁机。（2）静止整流器励磁。静止整流器励磁系统采用硅整流装置将交流电转化成直流，为同步机励磁绕组励磁，建立起稳定的电压后，副励磁机转为自励方式运行。副励磁机的输出电流与静止晶闸管整流器连接，静止晶闸管整流器与主励磁机连接，整流器经过整流产生直流电为主励磁机提供直流电，经过静止的三相桥式硅整流器整流后产生直流电，为发电机提供励磁电流，该励磁电流经过电刷和滑环为同步机的励磁绕组提供直流励磁。（3）旋转整流器励磁。采用旋转整流器励磁的系统不需要电刷和滑环，避免了火花和电弧的产生。旋转整流器励磁系统中，主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机，主励磁机与旋转整流器同轴连接，旋转整流器与同步发电机连接，旋转电枢的交流电流经过旋转整流后产生直流电，为主发电机的转子励磁绕组提供直流励磁电6。图2-3所示为无刷同步机的励磁原理图，定子单相励磁绕组加单相交流电压，绕组中流过交流电流，在电机磁路中建立一个交变磁场，该磁场与定子单相励磁绕组及转子交流感应绕组相环链，因此在转子交流感应绕组中会感应变压器电势，其大小与定子单相励磁绕组的输入电压成正比，与转子的转速无关，转子交流感应绕组输出交流电压，该交流电压经过旋转整流器转换成直流电压，为转子直流绕组提供直流励磁电压，建立同步电机需要的转子恒定磁场，调节定子单相励磁绕组的交流电压大小，就可以成比例地调节同步电机转子直流绕组励磁电压的大小，从而实现了同步电机的无刷励磁调节8。图2-3无刷同步电机的励磁电路图1-单相交流电源；2-定子单相励磁绕组；3-转子交流感应绕组（也称为转子单相绕组）；4-旋转整流器；5-转子励磁绕组。该结构的无刷同步机存在以下优点：(1)任意一个定子三相绕组线圈构成的平面与定子单相励磁绕组构成的平面垂直，因此定子三相绕组和定子单相励磁绕组之间不存在磁场耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率；(2)任意一个转子励磁绕组线圈构成的平面与转子交流感应绕组构成的平面垂直，转子励磁绕组和转子交流感应绕组之间不存在磁场耦合关系，转子交流感应绕组的电流产生的磁场不会在转子励磁绕组中感应交流电势和产生交流电流，因此，转子励磁绕组中只有直流电流无交流电流，其产生的磁场恒定，同时转子励磁绕组中无交流电流产生的损耗功率；(3)取消了传统同步电机中转子侧的电刷和滑环结构，也没有同轴连接的单独励磁电机，使得电机结构简单，运行可靠，便于维护，且本电机设计结构简单，损耗小，效率高，使用场合广泛6。3无刷电励磁同步电机设计和电磁参数计算3.1电机设计部分3.1.1主要尺寸及电磁负荷的确定电机的主要尺寸是指电机电磁感应实现能量转换的有效部分尺寸，定子内径和定子铁ilD心有效长度为同步机的主要尺寸。efl对于交流电机：（3-3312cmin/106.0kVABKnlDSCdpefi1）(kva)mEI-3Nc线负荷表示沿定子圆周上单位长度的安培导体数，即（3-ADZS/il2）气隙磁通密度（3-TSWKEBdpf3）上式中,：计算视在功率(kVA)；c：交流电机同步转速(r/min)；1n：绕组系数；dpE：满载时定子绕组每相电动势(V)；：定子额定相电流(A)；NII：绕组电流(A)；：每槽导体数；sZ：槽数；：绕组并联路数；W：每相串联匝数；：每极气隙面积()。S2m在已知视在功率及转速的情况下，可借助利用系数C的经验值或通过适当地选择电磁负荷计算，并参照推荐的主要尺寸比值得出定子内径和定子铁心有效长度；eflDi2ilDefl相同的电机，既可以设计得细长，也可以设计得短粗。主要尺寸比的大小与电机运efli行性能、经济性、工艺性等有密切关系。大，电机细长，用铁量较多；小，电机短粗，用铜量较多，制造成本一般会高些，但通风效果较好，允许选用较高的电负荷，硅钢片用量及铁耗减少。电机的利用系数C主要取决于的积，如果不变，两者在适用取值范围内变化对主ABAB要尺寸的影响不大。较大会增大励磁绕组的铜损耗和铁损耗，即产生较大的空载损耗；A较大会增大电枢绕组的铜损耗，即产生较大的负载损耗。3.1.2气隙气隙长度是电机的重要尺寸，是影响电机技术经济指标的一个重要参数，凸极同步电机为了使气隙磁场波形接近正弦波，气隙采用不均匀气隙，磁极中心部位气隙最小，并逐渐向两边增大，到极靴边气隙最大。最小气隙：（3-cKBA0min4）-经验系数0K-短路比c最大气隙：minax绕组定子三相绕组及转子励磁绕组的设计与普通电励磁同步机的设计原则相同。励磁绕组设计包括确定励磁绕组匝数、线规及励磁系统对额定励磁电流及电压的要求。同步电动机阻尼绕组不仅改善了同步电动机的启动特性，同时还可以提高励磁系统运行的稳定性、抑制同步电动机转子自由振荡。此处在凸极同步电动机的磁极极靴上开凿线槽，放置阻尼导条，并镶嵌阻尼端环。以上参数的设计均与普通电励磁同步机的设计原则相同，将设计好的电机用RMxprt（旋转电机设计专家）进行分析并进行优化设计，得到性能良好的同步机3。3.1.4定转子槽的设计为减少谐波磁动势并综合考虑电机的功率因数，同步电机的定子每极每相槽数一般取1q36之间的整数。为了消除齿谐波电动势对电压波形的影响，常采用定子或转子斜槽的方法，一般是斜一个齿距。定子槽采用半闭口梨形槽：半闭口槽的槽口小，槽口对气隙磁场的影响小；圆底使槽的利用率高，槽绝缘不易损伤，冲模寿命较长；采用平行齿，齿部磁密分布均匀。3.1.5无刷励磁部分的设计旋转整流器是无刷励磁同步电机的核心部分。旋转整流器安装在转轴上，与同步机的励磁绕组连接，并且与同步机的转子一起旋转，因此必须承受较大的离心力和振动；如果旋转整流器的机械强度不好、或热应力差而导致晶闸管元件的损坏，会导致整个电机不能正常运行，因此旋转整流器设计、整流元件的性能选择至关重要18。普通的旋转整流器一般安装在正负集流板和结构件上，采用螺旋型分立器件二极管,因此旋转整流器体积较大、重量较重，又因为旋转整流器与转子一起旋转，因此整流元件承受的离心力也很大，而且安装、维修不便。目前国内外整体化结构的旋转整流器的结构紧凑、体积小、重量轻，不但减小了离心力和机械振动，而且维修时方便，可以采用整体更换的方式。一般中小型同步发电机的励磁系统主要分为有刷励磁系统和无刷励磁系统，有刷励磁系统的励磁容量为发电机容量的25，无刷励磁系统的励磁容量小于发电机容量的0.2。考虑到无刷同步机过载强励的情况，这里的励磁容量按总容量的2%计算。定子单相励磁绕组线槽和转子交流感应绕组线槽均为围绕转轴的圆环形线槽，槽尺寸的设计综合考虑槽对电机性能的影响，进行合理设计。定子单相励磁绕组和转子单相感应绕组的设计遵循变压器原理。3.2无刷电励磁同步电机结构参数的计算先利用手算法估算凸极同步电机的主要尺寸、磁极尺寸、定转子槽尺寸，并设计定子绕组、励磁绕组及阻尼绕组，然后用RMxprt进行电磁计算，并对电机的参数进行相应调整，获得性能良好的电磁参数。3.2.1同步电机的额定参数和主要尺寸1.额定功率：PN=200kW2.相数：m=33.额定线电压：U=380V4.额定频率：f=50Hz5.极对数：p=26.额定转速：in/150nNr7.额定效率：%98.额定功率因数：cos.9.绕组连接形式：双层短距Y接10.绝缘等级：F级11.计算视在功率：（3-kWPSN249.0cosc5）12.极弧系数：极弧长度7.063.bp取.ap13.气隙磁密：,取TB07.1B8.014.取线负荷：A=400A/cm15.电机的利用系数：（3-42.31016.02cBAKlDSCdpefi6）32il7./mCcef16.主要尺寸比：526017.定子铁心内径取值范围：（3-mplDef