高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取

高速实心转子感应电机主要应用于高速压缩机、飞轮储能、航空航天等领域,具有广阔发展前景。和其他拓扑结构的转子相比,实心转子具有较强的端部效应,导致转子涡流损耗进一步加剧。针对高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取问题,以一台380 V,1 MW,12 000 r/min高速实心转子感应电机为主要研究对象,采用二维傅里叶分解方法,精确提取气隙磁场谐波特性,以虚拟永磁谐波电机模型为基础,反向构建气隙谐波磁场用以激励实心转子实现转子谐波涡流损耗的提取;结合混合激励法以及冻结磁导率法,进一步精确考虑了不同负载情况下由材料非线性导致的感应谐波涡流透入深度的变化。采用有限元建模方法,对比了采用混合激励法和冻结磁导率法提取的转子谐波涡流损耗以及感应涡流的分布。该方法为后续对转子谐波涡流损耗进行有效抑制提供了理论基础。     

转子材料和气隙对实心转子直线弧形感应电机性能影响

做直线运动、旋转运动或螺旋运动的两自由度直驱电机在机械工具、机器人等领域有广阔的应用前景。研究了一种两自由度直驱感应电机的旋转运动部分的转子导电材料和气隙对电机性能的影响,采用传统电磁设计理论和有限元相结合的方法确定实心转子弧形感应电机的参数,并且提出了设计过程中的两个关键因素,分析了转子材料和气隙厚度对实心转子弧形感应电机性能的影响。通过应用不同转子导电层材料和气隙厚度进行计算机仿真,得到在空载及负载条件下运行的转速曲线和转子损耗曲线。结果表明:在使用钢铜复合次级材料时转速波动较小,转子损耗较小;在一定范围内,气隙厚度越大,电机的转速波动越小,转子损耗越小。     

实心转子笼型感应电动机电磁计算

本文以实心转子感应电动机电磁计算分析为基础,对具有实心转子表面开槽加笼型铜条结构特点的实心转子感应电动机进行了电磁计算与分析,建立了相应等效电路模型,同时对相关参数进行了计算与推导.     

大小极环形绕组实心转子感应电机 工作机理及电磁特性分析

为了拓宽感应电机的调速范围,提出一种大小极环形绕组实心转子感应电机(LSPTWSRIM)。介绍了LSP-TWSRIM的结构,研究了其工作机理,并给出了其设计参数。建立了二维有限元模型,并分析了不同工况下LSP-TWSRIM的电磁特性(包括定子电流、气隙磁通密度、转速和转矩)。设计并制造了一台LSP-TWSRIM样机,并进行了实验,通过对比仿真和实验结果证明了LSP-TWSRIM的工作机理和电磁特性的正确性。     

实心转子感应电机研究与发展概况(上)

以实心转子感应电机为研究对象,查阅参考国内外的相关文献,归纳总结了实心转子高速电机、旋转直线感应电机以及平面感应电机研究现状,讨论了实心转子感应电机未来的研究热点与发展趋势。     

基于子域分析模型的实心转子感应电机磁场解析

子域分析技术作为一种简捷高效的磁场解析方法,已在电机恒定磁场解析领域获得广泛应用.该文以实心转子感应电机为例,将子域分析技术拓展到电机磁准静态场解析领域.在二维极坐标平面内,将实心转子感应电机求解区域划分为定子槽子域、气隙子域和实心转子子域,从而在复频域建立考虑定子开槽影响的实心转子感应电机精确子域解析模型.该解析模型着重求解实心转子子域的偏微分方程,根据运行方式的不同,分别给出同步运行和异步运行两种工况下的解析表达式.在解析计算结果的基础上,根据磁链法计算实心转子感应电机的运算电感.最后,通过二维时谐有限元分析验证了解析模型的准确性.     

高速两相4/2结构SRM锥形转子结构优化设计

针对传统两相4/2结构开关磁阻电机存在转矩死区而无法自起动的问题,提出了一种新型锥形转子结构的开关磁阻电机。首先建立了传统转子结构和锥形转子结构的两相开关磁阻电机静态有限元模型,分别对两种结构开关磁阻电机的电感特性、静态转矩特性进行了对比分析。优化了锥形转子的偏心半径,得到了锥形转子的最优尺寸参数。仿真结果表明所设计锥形4/2结构开关磁阻电机没有转矩死区,具有自起动能力,平均电磁转矩符合高速烘干机的设计要求。最后试制了样机,搭建了控制系统的软硬件平台,进行了样机试验,实测结果验证了设计和控制方案的有效性。     

潜水永磁辅助同步磁阻电机转子电磁方案设计

为了满足最新电机能效等级国家标准的要求,提高电机的运行效率,以一台55 kW的充水式潜水电机为例,提出了一种永磁辅助同步磁阻电机(PMASRM)转子电磁设计方法,结合转子再制造技术,取代传统的潜水感应电机转子,将其改造成为潜水PMASRM。设计的潜水PMASRM和传统的潜水感应电机具有相同的定子铁心结构和绕组形式,提高了材料的利用率,降低了制造成本。有限元仿真结果表明,改造后的潜水PMASRM效率比潜水感应电机得到有效提高。     

不同叠片式转子结构高速感应电机综合分析

针对叠片式高速感应电机,转子铁心难以承受巨大离心力的问题,本文基于一台280 k W,12000 r/min的高速感应电动机,设计了3种转子结构,并对3种转子结构的电磁特性、转子强度、温度分布进行了综合的比较分析,同时设计了风风冷和风水冷两套冷却方案,分析了两种冷却方案下电机温度分布,分析结果表明:圆形槽转子结构转子损耗远大于平行槽和水滴槽,但转子强度较好,水滴槽的转子强度最差;风风冷冷却结构的电机最高温度集中在定子铁心,而风水冷集中在转子铁心;圆形槽转子结构的转子温度约比平行槽和水滴槽高18°C。     

空心转子弧形直线感应电动机的优化与特性分析

弧形直线感应电机在门机系统、机器人领域具有广阔的应用前景。针对实心弧形直线感应电机的转子质量过大的问题,优化了弧形直线感应电机的导电层结构、转子气隙以及钢层与铜层的厚度关系,将转子设计为空心转子。通过建立有限元模型,仿真得出改进后的最优模型。结果显示:在使用内钢层4 mm,外铜层2 mm时转速波动较小,转子损耗较小;在一定范围内,随着气隙厚度的增大,损耗变小,因此最优气隙厚度是3 mm。     

Electromagnetic and mechanical design aspects of a high-speed solid-rotor induction machine with no separate copper electric circuit in the megawatt range

The most crucial electro-magnetic and mechanical design aspects of an integrated electrical-motor–gas-compressor system in high speed and high power operation are presented. The electric motor type considered is a solid-rotor induction motor with properties of which are particularly well suited in high-speed operation. The effect of the electro-magnetic material properties of the solid rotor core material on the performance of the machine is discussed. Guidelines to improve the performance of the solid-rotor induction motor are given. Thermal design aspects of a solid-rotor induction motor are presented. The mechanical properties of a solid rotor are discussed. Bearing arrangements as well as the rotor dynamics of an integrated system are presented.     

自轴承式双定子实心转子盘式异步飞轮电机设计

自轴承式双定子实心转子盘式异步飞轮电机（DSSRAFIM）具备双定子盘式电机与实心转子异步电机的结构特点,基于其结构特点,研究了该电机的设计方法。为将DSSRAFIM内三维分布的电磁场等效为二维分布,采用了改进的分环法,将其等效为一系列宽度相等、长度递增的双初级钢次级直线电机。通过建立双初级钢次级直线电机模型,分析实心转子厚度、气隙长度等关键尺寸参数对DSSRAFIM运行性能的影响。且分析得到了轴向磁拉力、电磁转矩与定子电流的关系,研究表明该电机除提供稳定转矩外,还能同时提供稳定可控的悬浮力,实现自轴承运行。     

低转矩脉动低速大转矩电主轴感应电机的设计与分析

针对低速大转矩电主轴电机转矩脉动偏高的工程实际问题,对电机不同槽配合的性能进行分析综合对比,精确选择出各方面性能较优的电机方案。针对感应电机有限元仿真瞬态场收敛速度慢、在多方案对比时求解周期长的问题,提出时谐场和瞬态场联合仿真的思路,实现电机的快速优化设计。对一台12极7.5 kW的电主轴感应电机在每极每相槽数为3、2.5、2三种不同槽配合的组合下进行二维电磁有限元分析计算,对比其在额定工况下的铁耗、绕组铜耗、转子铝耗、效率、功率因数和转矩脉动等电磁性能。结果表明了转子导条数目的增加,能够使电机电磁性能保持较高水平,特别是能够维持较低的转矩脉动水平。最后对定子槽数90和转子槽数106的槽配合方案进行了样机制作,试验验证了样机的性能,并验证了时谐场和瞬态场联合仿真的准确性。     

Effect of crosspath resistance between adjacent rotor bars onperformance of inverter-fed high-speed induction motor

The effects of crosspath resistance between adjacent rotor bars on steady state performance of inverter-fed high-speed cage induction motors are discussed. It is shown that the equivalent rotor resistance and leakage reactance change with crosspath resistance between adjacent rotor bars for various values of the fundamental supply frequency and the slip. The steady state characteristics of the high-speed induction motor drives for various crosspath resistance are discussed on the basis of theoretical and experimental results. The results of this research are applied in the design of a high-speed induction motor with uninsulated rotor bars     

复合笼型转子感应电动机起动性能的数值计算

给出复合笼型转子感应电动机起动时的求解域、边界条件和假设条件.利用电磁场理论和变分法建立了复合笼型转子感应电动机起动时二维电磁场的数学模型,给出了正弦时变场单元分析过程和离散格式以及最终的总体合成方程.在电磁场的数值计算过程中,以定子端电压为约束条件,对定子起动电流进行迭代计算,得到了额定电压下的起动电流和起动转矩,最后把正弦电磁场计算结果与实测结果进行对比,表明复合笼型转子感应电动机起动性能的计算结果满足工程实际的需要.同时,将计算结果与普通感应电动机进行比较,表明了复合笼型转子感应电动机具有良好的起动性能.通过改变复合材料的磁导率和电阻率的大小,进一步研究了复合材料磁性能和电性能的变化对起动性能的影响,对于合理选取复合性材料铜铁合金配方有一定的意义.根据复合笼型转子感应电动机一对极下的非线性时变场的求解结果,计算了10个槽的漏感,计算结果表明,起动时各槽参数并不相同.     

基于磁热耦合法的高速永磁电机温升计算及其应用

针对温升计算过程中材料的温度特性对损耗产生影响的问题,利用电磁场与温度场双向耦合的分析方法,并在求解过程中计及损耗的空间分布,从而实现高速永磁电机温升的准确计算。以一台15kW表贴式高速永磁体同步电机为例,考虑电机各部件装配间隙,运用磁热耦合方法计算了电机在额定转速时的温升情况,与传统温度场加载热密度法计算结果对比,并通过温升实验验证了双向耦合计算方法的准确性。以磁热耦合研究方法为基础,对高速电机护套的选材问题进行探讨,提出在护套上加装适当厚度的铜屏蔽层来降低损耗与温升,同时分析表贴式与内置式转子结构对对电机损耗与温升的影响,为高速永磁电机转子结构设计提供可靠有效的参考依据。     

Analysis of inverter-fed high-speed induction motor consideringcrosspath resistance between adjacent rotor bars

The purpose of this work is to analyze the steady state performance of an inverter-fed high-speed induction motor with trapezoidal rotor bars taking into account crosspath resistance between adjacent rotor bars. The performance of the induction motor drives for various crosspath resistances of two kinds of rotor slot shapes, a rectangular bar and a trapezoidal bar, is discussed on the basis of theoretical and experimental results of a 2.2 kW 500 Hz 15000 rev/min three-phase induction motor. It is also shown that the equivalent rotor resistance and leakage reactance change with crosspath resistance between adjacent rotor bars for various values of the fundamental supply frequency, the rotor slip, and the harmonics. The results of this research will be applied for design consideration of a high-speed induction motor with uninsulated rotor bars     

双定子实心转子盘式异步飞轮电机新型等效电路模型分析

双定子实心转子盘式异步飞轮电机具有可高速运行、可靠性高、结构简单、成本低等优点,可作为低成本的飞轮储能系统中电动/发电机用。该电机的等效电路模型与参数对于性能分析、推导控制策略至关重要。针对该电机的结构特点,根据实心转子内磁场分布规律,采用分环分层法以及表面阻抗理论推导了一种新型等效电路模型,该新型等效电路模型相比于传统T型等效电路模型,考虑了双定子绕组间耦合关系对性能的影响,具有更高的精确度。设计了一台5kW,7100r/min的原理样机,验证所提新型等效电路模型的正确性与有效性。     

一种新型混合转子结构无轴承电动机磁悬浮力的矢量控制

无轴承电机具有无机械磨损和噪声等优点，其转子旋转和悬浮的电磁转矩和磁悬浮力皆由电机本身产生。在对不同转子结构转矩和磁悬浮力进行有限元对比分析的基础上，该文提出了一种兼有永磁式和感应式转子共同优点的新型混合转子结构。该电机不仅能产生大的电磁转矩和磁悬浮力，而且提供了通过电流矢量定向实现悬浮力解耦控制的途径。基于数字信号处理器DSP(TMS320C32)和复杂可编程逻辑芯片CPLD(Xilinx)，构建了混合转子无轴承电机的控制系统，实现了悬浮力矢量控制策略。试验结果表明该文所提出的新型无轴承电机的设计与控制策略是可行的。     

端电压调速时电机内电磁场与温度场计算

以一台笼型感应电机为例,采用有限单元法对电机端电压调速时电机的二维电磁场进行了数值计算;从而得到不同电压时定子绕组的基本铜耗、转子导条损耗。基于一系列假设条件和边界条件,建立笼型感应电动机定转子耦合温度场数学模型以及二维有限元计算模型,给出了其相应混合边值问题的泛函和条件变分。在电磁计算分析的基础上,计算了端电压调速时电机在额定负载运行情况下定、转子二维稳态温度场,分析了端电压调速时电机定子绕组和转子温度场的影响,为端电压调速时电机的温度分布的评估提供了理论依据和计算方法,具有工程实际意义。