專利名稱：非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于感應(yīng)電機的分析設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法。

背景技術(shù)：
變頻器供電多相感應(yīng)電機具有高可靠性和高轉(zhuǎn)矩密度等特點，現(xiàn)已成為電力推進領(lǐng)域國內(nèi)外研究的重點。由于多相感應(yīng)電機中無效諧波磁勢大量減少，定子可以采用整距集中繞組并用非正弦電壓供電，其目的在于提高鐵心材料利用率以及改善電機性能指標(biāo)，電磁設(shè)計是研制開發(fā)非正弦供電多相感應(yīng)電機的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)設(shè)計方法中，已知轉(zhuǎn)差率時對感應(yīng)電機進行設(shè)計需要進行兩層迭代，外層迭代是壓降系數(shù)，里層迭代是飽和系數(shù)。傳統(tǒng)設(shè)計方法中的這兩層迭代歸結(jié)為磁路設(shè)計，其本質(zhì)是確定計及飽和的激磁電抗。在已知激磁電抗和定轉(zhuǎn)子其它參數(shù)的情況下，才可用等值電路對感應(yīng)電機進行性能計算。由于涉及到兩重迭代，用有限元法進行非線性磁路設(shè)計會耗時過多，尤其是優(yōu)化設(shè)計過程中更難使用。
傳統(tǒng)設(shè)計方法中的磁路設(shè)計是在計算尺、計算器等計算工具落后的情況下發(fā)展起來的，其中涉及到波幅系數(shù)、軛部校正系數(shù)的查表，而軛部校正系數(shù)又與電機極數(shù)、軛部最大磁密、軛部高度與極距比值有關(guān)，查表方法用計算機處理既不準(zhǔn)確又很麻煩，并且這種計算方法只能得到氣隙磁密、齒部磁密和軛部磁密的最大值。為彌補現(xiàn)有磁路方法在計算精度上和方便程度上的不足，根據(jù)計算機數(shù)據(jù)處理能力和運算速度已大幅提高的實際情況，可以從電機運行的物理本質(zhì)出發(fā)重新考慮磁路設(shè)計方法。尤為重要的是，非正弦供電多相感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子合成磁勢為非正弦分布磁勢，磁勢波形接近于平頂波，現(xiàn)有以正弦磁勢為基礎(chǔ)的磁路設(shè)計方法已無法使用，這是磁路設(shè)計必須采用新方法的根本原因。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法包含以下步驟 第一步驟取感應(yīng)電機半個極距為分析計算區(qū)域，由基波激磁電流與諧波激磁電流寫出各自的磁勢表達式，空間上任意位置點的疊加磁勢等于該點基波磁勢與諧波磁勢的代數(shù)和，磁勢疊加滿足線性關(guān)系； 第二步驟在感應(yīng)電機半個極距模型中進行磁路分析分區(qū)，共分為5個區(qū)其中I為氣隙區(qū)，II和III分別為定子齒部區(qū)和軛部區(qū)，IV和V分別為轉(zhuǎn)子齒部區(qū)和軛部區(qū)；作出多條通過圓心并使相鄰兩條所夾圓心角相等的射線，用這些射線把電機半個極距分析計算區(qū)域沿圓周方向等間隔分成了若干塊； 第三步驟認為氣隙中各節(jié)點的磁密波形與磁勢波形相似，以此確定氣隙磁密初值； 第四步驟根據(jù)磁通連續(xù)性原理，計算各節(jié)點處定子齒部磁密、轉(zhuǎn)子齒部磁密、定子軛部磁密、轉(zhuǎn)子軛部磁密； 第五步驟由各節(jié)點處的定子齒部磁密、轉(zhuǎn)子齒部磁密、定子軛部磁密、轉(zhuǎn)子軛部磁密查鐵芯磁化曲線得到相應(yīng)的磁場強度； 第六步驟在已知磁場強度的情況下，計算各節(jié)點處氣隙區(qū)、定子齒部區(qū)、定子軛部區(qū)、轉(zhuǎn)子齒部區(qū)、轉(zhuǎn)子軛部區(qū)的磁壓降，這5個區(qū)的磁壓降相加為總磁壓降； 第七步驟經(jīng)過氣隙中心線上各節(jié)點的閉合磁路總磁壓降均要等于該節(jié)點處的磁勢，若該條件不滿足，重新確定氣隙中心線上各節(jié)點氣隙磁密的初值，重復(fù)上述第四步驟至第六步驟的過程，直到各節(jié)點處磁壓降與磁勢的相對誤差平方和小于給定精度，最終得到各節(jié)點處的磁密； 第八步驟把求解范圍從半個極距拓至一對極區(qū)域，根據(jù)奇、偶對稱性得到在氣隙中心線上各節(jié)點的氣隙磁密值，進行傅立葉分解求出氣隙基波磁密幅值和諧波磁密幅值； 第九步驟由氣隙基波磁密幅值和諧波磁密幅值得到基波感應(yīng)電勢和諧波感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢與激磁電流之比即為激磁電抗，求出激磁電抗則磁路設(shè)計結(jié)束。
本發(fā)明將磁場和磁路兩種分析方法的優(yōu)點結(jié)合在一起，既避免了磁場分析法的龐大計算量，又提高了傳統(tǒng)磁路計算法的精度并突破了傳統(tǒng)方法中對磁勢正弦的限制。本發(fā)明與現(xiàn)有磁路設(shè)計方法一個重要不同之處在于，分析設(shè)計不僅僅得到氣隙磁密最大值，而是能得到氣隙中心線上各節(jié)點氣隙磁密值，此為傅立葉分解奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明通過空載實驗測量激磁電抗并與計算值進行了比較，結(jié)果較為一致說明了本發(fā)明的有效性和準(zhǔn)確性。



圖1為本發(fā)明感應(yīng)電機半個極距磁路模型與徑向分區(qū)圖。
圖2為本發(fā)明感應(yīng)電機半個極距磁路求解模型周向分塊及磁勢閉合回路圖。
圖3為本發(fā)明多相感應(yīng)電機基波磁勢與3次諧波磁勢疊加波形圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
現(xiàn)以一臺十五相感應(yīng)電機為例，該電機額定功率PN為45kW；極對數(shù)p為2；基波額定相電壓U1為140V；基波額定相電流I1為25A；額定轉(zhuǎn)速n為600r/min，定子繞組每相串聯(lián)總匝數(shù)W為48。
本實施例中十五相感應(yīng)電機采用非正弦供電之主要目的就是通過3次諧波磁勢來降低基波磁勢峰值，使鐵芯局部飽和程度減小從而提高鐵磁材料的利用率，若疊加磁勢相比于基波磁勢下降程度最大，則基波磁勢正幅值位置與3次諧波磁勢負幅值位置應(yīng)位于空間同一點(圖3)，此時合成磁勢的表達式為 F(α)＝F1mcosα-F3mcos3α 其中，基波磁勢幅值F1m與基波激磁電流有效值Im1成正比；3次諧波磁勢幅值F3m與3次諧波電流有效值Im3成正比。
與傳統(tǒng)方法一樣，本發(fā)明分析設(shè)計在半個極距區(qū)域內(nèi)進行，半個極距對應(yīng)于電角度α從0至π/2(圖1)，并設(shè)基波磁勢幅值位置與3次諧波磁勢幅值位置同處于α為0的點。整個磁路分析設(shè)計按傳統(tǒng)方法分為5個區(qū)，其中I為氣隙區(qū)，II和III分別為定子齒部區(qū)和軛部區(qū)，IV和V分別為轉(zhuǎn)子齒部區(qū)和軛部區(qū)。
在感應(yīng)電機半個極距模型中，作出多條通過圓心的射線并使相鄰兩條射線所夾圓心角相等，這些射線把電機半個極距分析計算區(qū)域沿圓周方向等間隔分成了若干塊(圖2)。
若在半個極距內(nèi)沿周向均勻分為N塊，氣隙中心線上則對應(yīng)N+1個等間隔節(jié)點，在極坐標(biāo)系統(tǒng)中，第i節(jié)點極半徑r(i)和極角ρ(i)的為 其中Di1與D2分別為電機定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑。
第i節(jié)點磁勢為 在各節(jié)點磁勢已知的情況下，開始時可以認為氣隙中心線上各節(jié)點的磁密波形與磁勢波形相似。第i節(jié)點處氣隙磁密Bg(i)為 其中μ0為空氣磁導(dǎo)率；gef為考慮齒槽效應(yīng)后的等效氣隙長度；kst是預(yù)取飽和系數(shù)，此為經(jīng)驗系數(shù)，一般取1與1.5之間某一常數(shù)。
設(shè)定氣隙磁通全部從齒中通過，根據(jù)磁通連續(xù)性原理，第i節(jié)點處定、轉(zhuǎn)子齒部磁密Bt1(i)、Bt2(i)分別為 其中l(wèi)為電機磁路軸向有效長度；lfe1、lfe2分別為考慮疊壓系數(shù)及徑向通風(fēng)溝后定子鐵心軸向長度、轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度；τt1、τt2分別為氣隙中心處的定子齒距、轉(zhuǎn)子齒距；bt1、bt2分別為所計算處的定子齒寬、轉(zhuǎn)子齒寬。
同樣根據(jù)磁通連續(xù)性原理可知，第1節(jié)點與第i節(jié)點間氣隙中心面上的徑向磁通等于第i節(jié)點處軛部截面上的周向磁通。若用梯形公式來表示數(shù)值積分，則第i節(jié)點處定、轉(zhuǎn)子軛部磁密Bc1(i)、Bc2(i)分別為 其中τ為氣隙中心處的電機極距；hc1、hc2分別為定子軛高、轉(zhuǎn)子軛高。
若氣隙中心線上各節(jié)點磁密Bg(i)(i＝1，2，3，...N+1)為已知量，則可求出所有節(jié)點處的Bt1(i)、Bt2(i)和Bc1(i)、Bc2(i)。
根據(jù)第i節(jié)點處的定、轉(zhuǎn)子齒部磁密Bt1(i)、Bt2(i)和定、轉(zhuǎn)子軛部磁密Bc1(i)、Bc2(i)查鐵心磁化曲線得到相應(yīng)的磁場強度Ht1(i)、Ht2(i)和Hc1(i)、Hc2(i)。
圖2中粗實線所示的閉合路徑認為是經(jīng)過第i節(jié)點處的磁回路，閉合回路磁壓降實際上包括第i節(jié)點處氣隙磁壓降Fg(i)，第i節(jié)點處定子齒部磁壓降Ft1(i)，第i節(jié)點處轉(zhuǎn)子齒部磁壓降Ft2(i)，第i節(jié)點至第N+1節(jié)點間定子軛部磁壓降Fc1(i)和第i節(jié)點至第N+1節(jié)點間轉(zhuǎn)子軛部磁壓降Fc2(i)。
上述各部分磁壓降的具體表達式分別為 Ft1(i)＝Bt1(i)ht1 Ft2(i)＝Bt2(i)ht2 上列各式中，ht1、ht2分別為定子齒高、轉(zhuǎn)子齒高；lc1、lc2分別為定子一個極下軛部長度、轉(zhuǎn)子一個極下軛部長度。
經(jīng)過第i節(jié)點的閉合回路總磁壓降為上面5部分磁壓降之和，表示為 F∑(i)＝Fg(i)+Ft1(i)+Ft2(i)+Fc1(i)+Fc2(i) 由安培環(huán)路定律可知閉合磁路中總磁壓降等于磁勢，若每個節(jié)點(第N+1個節(jié)點除外)對應(yīng)一個閉合磁路，對所有的閉合磁路而言，總磁壓降均要等于磁勢。在數(shù)值計算中，可用相對誤差平方和小于給定精度ε來表示磁勢相等，即 若上式不滿足，則重新給出氣隙中心線上各節(jié)點磁密，其中第i(i≠N+1)節(jié)點新磁密Bg(i)＇為 式中，kB為經(jīng)驗系數(shù)，可在0.05至0.5間取值，取大值可能發(fā)散，取小值迭代次數(shù)增多，具體取值時要權(quán)衡考慮。
用Bg(i)＇重復(fù)上面磁路計算過程，直到精度滿足要求為止，則得到N+1個節(jié)點上的氣隙磁密值。
采用傅立葉分解前先把求解范圍從半個極距拓至一對極距，在氣隙中心線上，延拓后的一對極距內(nèi)共有4N個節(jié)點，根據(jù)奇、偶對稱性可得到4N個節(jié)點上的氣隙磁密值，進行傅立葉分解后可求出氣隙基波磁密幅值Bg1m和3次諧波磁密幅值Bg3m。
根據(jù)感應(yīng)電勢的計算公式可知基波頻率為f1時的基波感應(yīng)電勢有效值E1和3次諧波感應(yīng)電勢有效值E3，即 其中，基波每極磁通最大值Φ1m和3次諧波每極磁通最大值Φ3m分別為 因為Im1與Im3為已知量、即前面分析過程是在給出Im1與Im3的情況下求出的E1與E3，則基波激磁電抗Xm1、3次諧波激磁電抗Xm3分別為E1與Im1的比值、E3與Im3的比值。
最后對十五相感應(yīng)電機基波磁勢與3次諧波磁勢共同作用下磁勢波形為非正弦時的基波激磁電抗與3次諧波激磁電抗用本發(fā)明進行計算，并與空載實驗測出基波激磁電抗與3次諧波激磁電抗進行比較，以驗證本發(fā)明的正確性和準(zhǔn)確程度。定子每相基波電壓有效值U1為140.6V，3次諧波電壓有效值U3為23.23V，基波激磁電抗計算值為23.35Ω，實測值為23.45Ω，誤差-0.43％；3次諧波激磁電抗計算值為8.461Ω，實測值為8.851Ω，誤差-4.41％。
本發(fā)明的方法也同樣適用于正弦波供電電壓時多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計中。
本發(fā)明的方法稱為分布磁路法。
本發(fā)明已通過最佳實施例的詳細附圖加以描述。熟于此領(lǐng)域技術(shù)人員可從最佳實施例衍生許多變化而毋須背離本發(fā)明的范疇。因此，最佳實施例不致限制本發(fā)明的范疇。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法，其具體步驟是
第一步驟取感應(yīng)電機半個極距為分析計算區(qū)域，由基波激磁電流與諧波激磁電流寫出各自的磁勢表達式，空間上任意位置點的疊加磁勢等于該點基波磁勢與諧波磁勢的代數(shù)和，磁勢疊加滿足線性關(guān)系；
第二步驟在感應(yīng)電機半個極距模型中進行磁路分析分區(qū)，共分為5個區(qū)其中I為氣隙區(qū)，II和III分別為定子齒部區(qū)和軛部區(qū)，IV和V分別為轉(zhuǎn)子齒部區(qū)和軛部區(qū)；作出多條通過圓心并使相鄰兩條所夾圓心角相等的射線，用這些射線把電機半個極距分析計算區(qū)域沿圓周方向等間隔分成了若干塊；
第三步驟認為氣隙中各節(jié)點的磁密波形與磁勢波形相似，以此確定氣隙磁密初值；
第四步驟根據(jù)磁通連續(xù)性原理，計算各節(jié)點處定子齒部磁密、轉(zhuǎn)子齒部磁密、定子軛部磁密、轉(zhuǎn)子軛部磁密；
第五步驟由各節(jié)點處的定子齒部磁密、轉(zhuǎn)子齒部磁密、定子軛部磁密、轉(zhuǎn)子軛部磁密查鐵芯磁化曲線得到相應(yīng)的磁場強度；
第六步驟在已知磁場強度的情況下，計算各節(jié)點處氣隙區(qū)、定子齒部區(qū)、定子軛部區(qū)、轉(zhuǎn)子齒部區(qū)、轉(zhuǎn)子軛部區(qū)的磁壓降，這5個區(qū)的磁壓降相加為總磁壓降；
第七步驟經(jīng)過氣隙中心線上各節(jié)點的閉合磁路總磁壓降均要等于該節(jié)點處的磁勢，若該條件不滿足，重新確定氣隙中心線上各節(jié)點氣隙磁密的初值，重復(fù)上述第四步驟至第六步驟的過程，直到各節(jié)點處磁壓降與磁勢的相對誤差平方和小于給定精度，最終得到各節(jié)點處的磁密；
第八步驟把求解范圍從半個極距拓至一對極區(qū)域，根據(jù)奇、偶對稱性得到在氣隙中心線上各節(jié)點的氣隙磁密值，進行傅立葉分解求出氣隙基波磁密幅值和諧波磁密幅值；
第九步驟由氣隙基波磁密幅值和諧波磁密幅值得到基波感應(yīng)電勢和諧波感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢與激磁電流之比即為激磁電抗，求出激磁電抗則磁路設(shè)計結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法，其特征在于所述多相感應(yīng)電機供電電壓為正弦波電壓，氣隙磁勢為正弦磁勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法，其特征在于所述多相感應(yīng)電機供電電壓為非正弦波電壓，氣隙磁勢為非正弦磁勢。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非正弦供電多相感應(yīng)電機的磁路設(shè)計方法，該方法以基波磁勢和諧波磁勢滿足疊加原理為理論基礎(chǔ)，在電機半個極范圍內(nèi)進行等間隔周向分塊，通過迭代計算得到沿圓周氣隙中心線上各節(jié)點磁密，并由傅立葉分解得到基波磁密和諧波磁密，進而求出基波感應(yīng)電勢和諧波感應(yīng)電勢，最終得到激磁電抗。本發(fā)明不需要采用波幅系數(shù)、軛部校正系數(shù)，適于正弦或非正弦的非線性磁路設(shè)計。本發(fā)明將磁場和磁路兩種分析方法的優(yōu)點結(jié)合在一起，既避免了磁場分析法的龐大計算量，又提高了傳統(tǒng)磁路計算法的精度并突破了傳統(tǒng)方法中對磁勢正弦的限制。
文檔編號H02K15/00GK101420157SQ20081023664
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者東 王, 吳新振, 馬偉明, 郭云珺, 陳俊全, 劉德志 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)