开关磁阻电机设计与优化

1、论文大纲论文大纲 第一部分第一部分: : 绪论绪论 第二部分：开关磁阻电机理论分析第二部分：开关磁阻电机理论分析 第三部分：开关磁阻电机电磁设计第三部分：开关磁阻电机电磁设计 第四部分：开关磁阻电机优化设计第四部分：开关磁阻电机优化设计 第五部分：样机性能与试验第五部分：样机性能与试验 第六部分：总结与展望第六部分：总结与展望 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化本课题主要研究内容本课题主要研究内容 （1 1）介绍了本课题研究的目的；电动执行机构的特点以及国）介绍了本课题研究的目的；电动执行机构的特点以及国内外现状；开关磁阻电机的发展现状与研究概况；分析开关磁内外现

2、状；开关磁阻电机的发展现状与研究概况；分析开关磁阻电机应用于阀门电动执行机构的优势等。阻电机应用于阀门电动执行机构的优势等。 （2 2）以三相）以三相12/812/8结构为例分析开关磁阻基本结构和工作原理，结构为例分析开关磁阻基本结构和工作原理，通过讲述基本数学模型和分段线性解析，分析开关磁阻电机的通过讲述基本数学模型和分段线性解析，分析开关磁阻电机的运行规律和特性。运行规律和特性。 （3 3）介绍开关磁阻电机电磁设计过程，给出电机参数选择原）介绍开关磁阻电机电磁设计过程，给出电机参数选择原则和方法，介绍一种基于则和方法，介绍一种基于AnsoftAnsoft软件的电机设计流程，根据设软件的电机

3、设计流程，根据设计流程、数学模型及参数选取办法设计了一台样机。进行了等计流程、数学模型及参数选取办法设计了一台样机。进行了等效电路等效磁路的分析以及有限元分析，研究电机静态特性。效电路等效磁路的分析以及有限元分析，研究电机静态特性。 （4 4）对所设计的样机进行优化设计，包括参数优化和结构优）对所设计的样机进行优化设计，包括参数优化和结构优化。研究了开关磁阻电机的不同相数、不同绕组方式的区别，化。研究了开关磁阻电机的不同相数、不同绕组方式的区别，使用使用Maxwell 2DMaxwell 2D的基于遗传算法的参数化方式，以增加电机启的基于遗传算法的参数化方式，以增加电机启动转矩、减小转矩波动为

4、目标，对各个参数进行分析，选取最动转矩、减小转矩波动为目标，对各个参数进行分析，选取最优参数。并且就电机定转子齿形进行结构优化，使得增加性能优参数。并且就电机定转子齿形进行结构优化，使得增加性能的同时更加符合工艺要求。的同时更加符合工艺要求。 （5 5）对优化后的电机进行动态有限元仿真，分别对启动状态）对优化后的电机进行动态有限元仿真，分别对启动状态和和1500rmp1500rmp准额定状态（额定状态一般为恒转矩区向恒功率区变准额定状态（额定状态一般为恒转矩区向恒功率区变化的拐点，化的拐点，1500rmp1500rmp准额定状态指的是阀门额定工作时转速所对准额定状态指的是阀门额定工作时转速所对

5、应的电机状态）的电流、转矩、磁链波形进行分析。并且将以应的电机状态）的电流、转矩、磁链波形进行分析。并且将以上设计的电机加工为样机后进行试验，查看电机性能。上设计的电机加工为样机后进行试验，查看电机性能。 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化开关磁阻电机的基本结构开关磁阻电机的基本结构 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化1 1、油封、油封 2、前端盖、前端盖 3、轴承、轴承 4、转子、转子 5、机座、机座 6、轴承、轴承 7、波型垫圈、波型垫圈 8 8、连接端盖、连接端盖 9 9、位置检测器、位置检测器 10、后端盖、后端盖 11、定子

6、、定子开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理 三相三相 12/8 极开关磁阻电机系统的基本构成极开关磁阻电机系统的基本构成 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化图中S1、S2为电子开关，VD1、VD2为续流二极管，E为直流电源 电压方程：磁链方程：机械方程：转矩方程：dtdLidtdiLRiU)()(开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机的数学模型dUdrsLiT221电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化22eLddTJDTdtdt开关磁阻电机开关磁阻电机机械特性机械特性 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化

7、开关磁阻电机设计指标开关磁阻电机设计指标电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化电机型式：封闭型开关磁阻电机；电机型式：封闭型开关磁阻电机；额定功率：额定功率：3KW；力能指标：效率力能指标：效率85%；额定转矩：额定转矩：19N.m；额定电压：额定电压：280V（直流）；（直流）；冷却方式：冷却方式：IC410自然冷却；自然冷却；启动性能指标：启动性能指标：5倍（倍（B型）。型）。防护等级：防护等级：IP54；绝缘等级：绝缘等级：F级；级；使用机座号：使用机座号：Y112系列系列开关磁阻电机电磁设计开关磁阻电机电磁设计电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计

8、计与与优优化化1、设计原则、设计原则 本设计主要性能指标是参考“GBT 24923-2010普通型阀门电动装置技术条件”和“JB 2195-1998-T YDF2系列阀门电动装置用三相异步电动机技术条件”。2、运行条件、运行条件(1)海拔不超过1000m。(2)环境空气最低温度为-20；环境空气最高温度随季节而变化，但不超过40。(3)最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度低于25。3、基本型式、基本型式(1)电动机的外壳防护等级为IP54(GB/T4942.1)。(2) 电动机的冷却方式为IC410(GB/T993)。(3)电动机的结构及安装形式为IMB5 和IMV1(GB

9、/T997)。4、工作制与定额、工作制与定额 电动机的定额是以短时工作制(S210min)为基准的短时定额。基本尺寸公式基本尺寸公式电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化nPkkABlDemmiefa1 . 62aefDl7 . 04 . 0saDDefCrphlDBnUNNa04. 3设计流程设计流程电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化冲片材料、结冲片材料、结构、尺寸及绕构、尺寸及绕组选取组选取RMxprt电路与电路与磁路等效计算磁路等效计算Maxwell 2D有限元分析有限元分析动态仿真、控制优化动态仿真、控制优化参数设计原则与基本性能

10、参数设计原则与基本性能性能性能核算核算优化设计优化设计设计设计指标指标电机电机参数参数优化设计优化设计结构结构设计设计电机的主要尺寸电机的主要尺寸电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化定子外径定子外径/mm175转子外径转子外径/mm110定子内径定子内径/mm110.7转子内转子内径径/mm38定子轭高定子轭高/mm12转子轭高转子轭高/mm16定子极弧定子极弧0.5转子极弧转子极弧0.35每极匝数每极匝数/匝匝58每相并联支路数每相并联支路数1绕组线径绕组线径/mm0.8并绕根数并绕根数3铁芯叠厚铁芯叠厚/mm135冲片叠压系数冲片叠压系数0.97硅钢片材料磁化曲

11、线硅钢片材料磁化曲线电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化 50DW470磁化曲线 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化 50DW470损耗曲线 硅钢片材料损耗曲线硅钢片材料损耗曲线电机磁路参数电机磁路参数 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化输入母线电流输入母线电流/A11.9输入直流电压输入直流电压/V280输出功率输出功率/W2989效率效率89.2%一相电流有效值一相电流有效值/A9.3电流密度电流密度/ A/mm26.1转速转速/ rpm1498转矩转矩/ N.m19.15倍电流起动转矩倍电流起动转矩/

12、N.m155最大起动电流最大起动电流/A75定子极磁密定子极磁密/T1.2定子轭磁密定子轭磁密/T0.72转子极磁密转子极磁密/T1.1转子轭磁密转子轭磁密/T0.54最大磁链最大磁链/ Wb0.91最大输出功率最大输出功率/W6832电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化磁链特性磁链特性 气隙电感特性气隙电感特性 开关磁阻电机特性曲线开关磁阻电机特性曲线 开关磁阻电机特性曲线开关磁阻电机特性曲线 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化机械特性曲线机械特性曲线 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化不同位置角磁链分布

13、不同位置角磁链分布 不同位置角磁密分布不同位置角磁密分布 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化磁路的区别磁路的区别 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化单相导通单相导通 单双相导通单双相导通 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化转子外径优化转子外径优化电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化转子极弧优化转子极弧优化电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设

14、计计与与优优化化定子极弧优化定子极弧优化电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化结构优化结构优化 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化极靴优化极靴优化 电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化磁密分布情况磁密分布情况电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化三相三相12/812/8极开关磁阻电机结构极开关磁阻电机结构电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化输出转矩相电流相电感电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化输出转矩相电流相电感电电动动阀阀门门

15、用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化定子转子控制器电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化实验平台实验平台电电动动阀阀门门用用开开关关磁磁阻阻电电机机设设计计与与优优化化 1、完成样机有关实验，通过对样机实验结果分析，、完成样机有关实验，通过对样机实验结果分析，进一步优化电机最终尺寸，尽可能的减小电机体积、进一步优化电机最终尺寸，尽可能的减小电机体积、提高性能、增加启动转矩并减小启动电流等。提高性能、增加启动转矩并减小启动电流等。 2、改善优化方法，不仅仅是文中定量的去分析和、改善优化方法，不仅仅是文中定量的去分析和优化各个参数，还要寻求参数间的最优配合，减小材优化各个参数，还要寻求参数间的最优配合，减小材料消耗和能量损失。料消耗和能量损失。 3、研究开关磁阻电机无位置传感器技术，可以有、研究开关磁阻电机无位置传感器技术，可