新型异步电动机的研究.doc
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1、摘 要笼型感应电动机结构简单、运行可靠,但是起动性能较差。而传统绕线异步电机虽然具有较好的起动性能,但由于其结构复杂、故障率高,严重影响了该电机的使用范围。为解决传统绕线电机结构上的缺陷并具有良好的起动性能,本文从电机的绕组出发,以电机的定、转子绕组为整体研究对象,设计出一种结构简单、起动性能优异的新型无刷绕线异步电动机。该电机以谐波起动理论为基础,利用电机绕组理论和槽号相位图设计出一种接法简单、嵌线容易、不断电切换的绕组方案。其中定子绕组采用两种接法,分别对应起动和运行状态,起动时定子绕组能产生有利于起动的谐波,运行时谐波含量很少;转子绕组采用特殊的连接方式,能为谐波和基波感应电流分别提供不
2、同的流通路径,前者的流通路径中具有很大的折算电阻,能显著降低起动电流和提高起动转矩;基波感应电流流通路径中的电阻很小,电机的运行效率高。绕组设计的关键在于将定、转子绕组看成一个整体加以研究,互相配合,转子绕组要以定子绕组的特点为设计基础。利用槽矢量星形图对绕组方案进行了详细的分析。针对新型无刷绕线异步电动机与传统绕线异步电机电磁设计的不同之处,对电磁设计的几个关键问题进行了研究,包括主要尺寸的选取、参数的计算以及起动性能的计算方法等。并结合等效电路图,研究出了电机的数学模型和仿真模型。仿真和样机试验证明,该新型电动机的起动性能得到了显著提高且结构简单,该绕组方案很好地解决了传统电机性能与结构之
3、间的矛盾。关键词:无刷绕线异步电动机,起动性能,槽号相位图,绕组方案,数学模型Abstract Although cage induction motor is simple in structure, reliable in operation,but starting performance is poor. Winding asynchronous motor has better starting performance and operation performance, and the scope of application is be limited due to the co
4、mplicated structure and high failure rate.In order to overcome the structurally deficient and further improve the starting performance of the winding asynchronous motor, based on the windings of electric motor, a novel type brushless wound-rotor asynchronous motor is designed with simple structure a
5、nd excellent starting capability by research on the windings as a whole in this paper. Basing harmonic starting theory as a foundation, a new scheme of stator winding and rotor winding is devised by using the modern winding theory and slot-number phase graph. The winding scheme has a number of featu
6、res as simple-connection, easy-embedding and capable of uninterruptible power supply switching. The stator winding has two states which one kind corresponds to states of starting and the other corresponds to states of operational. The stator winding can produce harmonics which is advantageous to sta
7、rting. The Rotor winding which adopts special method of connection, can provides flow path for induced current of fundamental wave and harmonic wave. The former path has very big equivalent resistance, which can significantly reduce the starting current and improve starting torque. the resistance of
8、 other induction current flow path is very small, which can produce high efficiency of the motor. The key point for wingding design consists in research on the stator and rotor wingding as a whole. The two sets of wingding must coordinate with each other, and design the rotor winding must base on th
9、e characteristics of stator wingding. We analyzed the wingding scheme in detail by groove vector diagram and the software of analyzing harmonic. Applying by the principle of harmonic separation and superposition, the calculation methods of starting performance and circuit parameters are deduced for
10、the novel type motor, and we also study out the electromagnetism design program, mathematical model and simulation model. Simulation and the prototypes of experiment verified the proposed novel motors improvement of starting performance with simpler structure and the proposed winding scheme successf
11、ully resolving the contradiction between performance and structure of the traditional motor.Key Words: winding asynchronous motor, starting performance, slot-number phase graph, winding scheme, mathematical model目 录摘 要I第一章 绪 论61.1 传统感应电机概述61.1.1 传统感应电机的特点61.1.2 传统感应电机的发展21.2 课题研究的目的及内容31.3 本文的主要内容4第
12、二章 新型无刷绕线异步电动机的基本原理52.1 谐波起动原理的基本概念52.2 谐波起动对定子绕组的基本要求52.2.1 对起动时产生的基波磁势的基本要求62.2.2 对起动时产生的主谐波磁势的基本要求62.2.3 对起动时产生的副谐波磁势的基本要求72.3 谐波起动对转子绕组的基本要求82.4 运行状态下定、转子绕组的技术要求9第三章 新型无刷绕线异步电动机定子绕组的设计103.1 槽号相位图103.1.1 槽号相位图的意义103.1.2 槽号相位图的画法113.2 定子绕组设计原理123.2.1 对定子绕组的基本要求123.2.2 定子绕组的联接方法133.3 定子绕组方案153.4 方案
13、分析16第四章 新型无刷绕线异步电动机转子绕组的设计204.1 转子绕组的设计要求204.2 转子绕组的结构204.3 转子绕组的设计方法224.4 转子绕组方案234.5 方案分析24第五章 新型无刷绕线异步电动机的电磁设计295.1 等效电路图295.2 电磁设计305.2.1 主要尺寸的确定305.2.2 参数推导315.2.3 性能计算33第六章 样机与仿真实验376.1 样机设计376.2 数学模型386.2.1 A-B-C坐标下的数学模型386.2.2 M-T坐标下的数学模型396.2.3 坐标变换416.3 仿真实验436.4 样机实验44总结与展望46参 考 文 献48附录A
14、攻读学位期间获得的研究成果52附录B 样机及试验系统53附录C 致 谢54第一章 绪 论硕士学位论文1.1 传统感应电机概述1.1.1 传统感应电机的特点 感应电动机(或称异步电动机),它是在定子绕组中通以三相电产生旋转磁场,由于旋转磁场的作用,转子内的线圈产生感应电动势和感生电流,所以转子导体受电磁力矩作用而转动,这就是“感应电动机”名称的由来感应电动机是电动机领域中应用最广泛的一种电动机,主要用于工业、农业、交通中作为动力设备13。感应电动机区别于其它类型电动机,在于其转子绕组不需要与其它电源相连接,而定子电流直接取自交流电网。它与其它电动机相比,具有结构简单,制造、使用和维护方便,运行可
15、靠及重量轻、成本低等优点。三相感应电动机的重量及成本分别约为同功率、同转速的直流电动机的1/2和1/3,此外感应电动机还便于派生各防护型式以适用不同环境条件的需要,也有较高的效率和较好的工作特性,它具有与并励直流电动机类似的接近恒速的负载特性,能满足大多数工农业生产机械的拖动要求。由于感应电动机具有上述许多优点,它广泛应用于工农业和其它国民经济各部门,作为拖动机床、水泵、鼓风机、起重转扬设备、轻工业和农副业加工设备以及其它一般机械的动力。感应电动机是电动机领域中应用最广泛的一种电动机,90%左右的电气原动力均为感应电动机,其用电量占70%以上。主要用于工业、农业、交通中作为动力设备。传统感应电
16、动机分为笼型和绕线型两类,其现状和存在问题如下:笼型电动机虽制造容易和可靠性较高,但存在下列三个严重缺点56。(1)起动转矩不大,难以满足带负载起动的需要;当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量(即增容)来提高其起动转矩,这就造成严重的“大马拉小车”,既增加购买设备的投资,又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量,很不经济。第二种办法是增购液力偶合器,先让电动机空载起动,在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资,并因液力偶合器的效率低于97%,因此至少浪费3%的电能,因而整个驱动装置的效率很低,同样浪费电量,更何况添加液力偶合器之后,机组的运行可靠性大大下降
17、,显著增加维护困难,因此不是一个好办法。(2)最大转矩不大;用于驱动经常出现短时过负荷的负载,如矿山所用破碎机等时,往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行,既降低了产量又浪费电能。(3)起动电流很大,增加了所需供电变压器的容量,从而增加大量投资。如果是采用降压起动来降低起动电流,同样要增加添购降压装置的投资,并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。绕线型电动机虽起动特性和运行性能兼优,但仍存在下列严重缺点。(1)由于转子上有集电环和电刷,不仅增加制造成本,并且降低了起动和运行的可靠性,集电环和电刷之间的滑动接触,是这种电动机发生故障的主要根源14,而且维护困难。电刷和滑环之间容易产生火花
18、,这严重影响了传统绕线电动机的使用范围。(2)当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性,多数不提刷,因此运行时存在严重的电能浪费,且污染周围环境;上述传统感应电动机存在严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾,因此势必顾此失彼,不可兼优。1.1.2 传统感应电机的发展在工业和国防等行业的电力拖动系统中,电动机的能量损耗占整个电力能量的70%以上。三相笼型电动机由于具有结构简单,运行可靠等优点,在电力拖动系统中应用最为广泛,但过大的起动电流,一方面在线路和绕组内造成能量损耗,特别在频繁起动的情况下,这种能量损耗是相当大的。另一方面,过大电流对绕组产生的电磁冲击力
19、和能耗高温会大大缩短电机寿命。因起动性能不好,往往还不得不采用绕线型异步电动机。虽然三相绕线型电动机起动性能好,但绕线型异步电动机结构工艺复杂,造价高,可靠性差,又污染环境,也是一种广泛的能量损耗。更主要的是集电环和电刷是易损部件,造成了传动设备故障率高、维护困难,严重的影响了设备的正常工作,同时集电环和电刷之间产生的火花也制约了传统绕线电机的使用范围。由于异步电动机是国际经济各部门最主要的动力设备,电能消耗占整个用电设备的绝大部分,所以解决好传统电机结构与性能之间的矛盾,具有重要的现实意义,另外在工业和国防等行业的电气传动领域中有大量的设备,要求电动机具有更好的起动性能,所以进一步提高传统绕
20、线电机的起动性能也显得非常重要。如何使传统电机既具有笼型电机简单的转子结构又具有比绕线电机更优异的起动性能和更好的运行效率,一直是全世界电工学者高度关注的焦点,因为这对节省能源和改善环境都具有重要意义,为此电工界提出过很多改善的方法。其关键是取消集电环和电刷部件,采用普通笼型感应电动机结构,并着力提高其起动性能15:。从目前的研究成果来看,解决方案分为三类2-6:一类是改变定子绕组结构,如星一三角起动、延边三角形起动、变极起动等;二类是改变转子结构,如采用深槽转子、双笼转子、实心转子、复合转子、管型转子等2;第三类是采用特殊结构型式,如双定子或双转子等。由上述方法所研制的电动机,有的已得到广泛
21、应用,但并没有从根本上解决问题,即做到“四高”:高起动性能、高运行性能、高可靠性、高起动性能,“三无”:无滑环、无电刷、无触点,在很多场合下还是不得不使用传统电机。在国内许多科研院所和高等院校在这方面做了大量的研究,除了提出上述的解决方案外,其中最具有代表性的是华中科技大学提出的谐波起动电动机。其基本原理是采用普通电动机结构,定子绕组被设计成具有起动和正常运行的连接方式,当电动机起动时,定子绕组将产生与基波接近的两个或两个以上的起动极磁场波,而转子绕用被设计成能为起动谐波电势所产生的电流提供流通路径(该路径与基波不同),并使该路径所经电路具有较大的电阻,从而提高了电动机的起动性能。而运行时具有
22、普通电动机特点,因而电机具有较好的运行性能。该种电机已投入工业运行,并获得了用户的肯定。但存在定子、转子绕组结构复杂(采用不等匝、不同线规的绕组)、起动转矩不大、电机温升高等诸多问题。1.2 课题研究的目的及内容为解决传统电机性能与结构上的矛盾,进一步改善传统电机的起动性能和运行性能,本课题在前人研究的基础上,利用现代绕组理论将谐波起动理论应用到传统绕线异步电动机上,解决其运行可靠性差的难题,并进一步提高绕线电机的起动性能和运行效率,简化电机的制造工艺。重点研究的内容:(1)电机绕组方案的研究以谐波起动理论为基础,设计出一套独特的电机定、转子绕组方案,采用该绕组方案的新型无刷绕线异步电动机起动
23、性能要好,转子上没有电刷和集电环,绕组工艺简单。采用合理的分析方法对绕组方案进行详细分析。(2)新型无刷绕线异步电动机电磁设计的研究由于要分别考虑谐波磁场和基波磁场在电机起动过程中的作用,新型无刷绕线异步电动机的电磁设计就显得尤为复杂,而准确的电磁设计程序对该新型电机今后的实际推广应用又有着很重要的作用。而电磁设计的关键在于起动性能的计算,考虑到谐波作用的起动转矩和起动电流的计算方法与传统绕线电机有很大的不同,对应参数的计算也比传统电机复杂很多,为此我们将深入研究该类电动机的起动特征,推导出数学模型,并充分考虑磁场饱和、温度变化对电机参数的影响,找出新型电动机的准确计算方法,为该类电机的推广提
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