无刷电励磁同步电机设计与实验研究.doc

1、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，

2、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AbstractTraditional brushless synchronous motor system is composed of synchronousmotor、rotating rectifier a

3、nd an AC exciter. Synchronous motor is coaxially connectedwith AC exciter, rotating rectifier is fixed on the shaft, rotating with rotor ofsynchronous motor and rotating rectifier. There are brushes and slip rings intraditional synchronous motor has brushes and slip rings, so traditional synchronous

4、motor has complicated structure and difficult maintenance, and easily produce electric arc and spark, resulting in explosion accident. This paper proposed a new structure ofbrushless synchronous motor, without separate excitation motor which coaxially connected with synchronous motor, this structure

5、 of brushless synchronous motor cancels brushes and slip rings which on the rotor side, nor separate excitation motor coaxially connected to synchronous motor, so the motor has advantages of simple structure、reliable operation、convenient maintenance、low loss and high efficiency.First analysis of bru

6、shless synchronous motor and electric brushless excitation synchronous motor of the structure characteristics and working principle of synchronous motor are introduced, electromotive force, interaction of magnetic field and torque properties and operation mode, and introduces the rating and some gen

7、eral types of synchronous motor.Using the method of magnetic circuit design completed a 200 kw electric excitation synchronous motor design, according to the design parameters, design software RMxprt rotating motor is used to calculate the parameters, design a new structure of the motor stator singl

8、e-phase winding parameters and the parameters of rotating rectifier, and by using Ansoft finite element analysis, analyzes the performance of the motor.Using the prototype, the motor load and no-load test and short-circuit experiment, further verify the feasibility of this kind of motor. Keywords: e

9、lectric magnet synchronous motor; brushless excitation; finite elementanalysis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1 1.2.1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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。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