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学术简报︱短时高过载永磁同步电机电磁热探讨

来源:沙巴体育发布时间:2019/09/25点击数:

  火箭军工程大学兵器发射理论与技术军队重点实验室、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员刘毓希、李立毅、曹继伟、高钦和、孙曌续,在2019年第11期《电工技术学报》上撰文指出,短时高过载永磁同步电机广泛应用于航空航天等应用领域,具有高过载倍数、高动态响应和高可靠性等特点。

  为提高电机的极限转矩输出能力,研究分析了电负荷和磁负荷对电机过载能力的影响以及恒转速条件下绕组匝数对极限功率输出的影响;分析了过载倍数对电机损耗分布规律的影响,并分析了在常温和高温环境下,电机运行工况为长时工作制、短时周期工作制和短时高过载工作制时温升变化情况以及机壳热容量对电机温升分布的影响。

  最后搭建了不同环境下电机实验平台,通过实验验证了电机在不同环境温度和不同工况下温升变化情况和极限转矩条件下电流的过载倍数情况,实验和仿真分析基本一致,从而验证了理论的正确性,为短时高过载电机的设计提供了一定的理论参考依据。

  随着全电化技术的发展,电动舵机在航空航天、军事应用等领域被广泛应用。舵系统电机要求具有高功率密度、高动态响应和高可靠性。永磁同步电机因具有结构简单、转矩密度高、功率密度高、效率高等优点,而被广泛用于舵机伺服系统。

  高功率密度电机一般是指高速高功率密度电机和高转矩高功率密度电机。对于舵机系统而言,主要是高转矩密度电机,能够满足其频繁加速过程中的高动态响应性能。国内外对高转矩密度电机研究很多,结构多样,如高温超导电机、无槽圆筒形直线电机、横向磁通电机、开关磁阻电机等。虽然此类电机的功率密度很高,但其技术发展仍不够成熟,可靠性不能得到保证,本文主要采用旋转表贴式永磁体同步电机。

  短时高过载电机是指电机恒转速时能够在短时状态下输出瞬时大过载,完成执行机构预定的动作。近年来,短时高过载电机的研究不断增多,国内哈尔滨工业大学,天津大学等做了大量的工作,国外对短时周期工作制电机热学方面的研究较多。综合来看,国内外学者对于短时高过载电机主要集中在高功率密度方面以及温度场分析,对于如何提高电机的极限转矩输出能力以及外界环境对短时高过载电机的影响缺乏分析研究。

  本文以工程实际背景为基础,重点分析了电磁负荷对电机过载能力的影响。通过分析安匝数对永磁同步电机极限转矩的影响规律,优化了电机每相绕组串联匝数;分析了过载倍数对电机损耗分布规律的影响;并通过有限元法分析了电机在不同环境温度下长时工作制、短时周期工作制以及短时高过载工况下的温升变化规律;最后通过实验验证了理论分析的正确性。

  本文针对短时高过载永磁电机的高过载能力、高可靠性进行了研究,得出如下结论:

  1)分析了传统永磁同步电机电磁负荷对电机过载能力的影响。通过公式推导说明了恒转速条件下电负荷是提高电机极限转矩的主要因素,磁负荷在提高极限转矩方面作用相对较小;提出了根据实际过载倍数和驱动器最大输出电流大小来选取合适匝数的方案,并采用每相绕组串联匝数为27匝,7倍过载倍数作为样机的设计方案;提出了在设计高过载电机的过程中,要综合考虑电磁负荷的配比关系,额定工况下电磁方案设计最优不代表高过载工况下电磁方案最优。

  2)分析了电机在常温和高温环境下长时工作制温升变化规律,并阐述了不同环境下温升变化规律的差异及其原因;分析了电机频繁加减速过程中短时周期工作制下温升呈锯齿形上升的变化规律以及电机短时高过载工况下绕组温度剧烈上升、机壳和永磁体温度平缓上升的规律变化情况,分析了在短时周期工作制和高过载工况下,热容大的铝制材料机壳能够有效降低电机各部分温升的原因。

  3)搭建了常温和高温环境下永磁同步电机实验平台,分析了电机在不同环境温度和工况下温升变化情况以及高过载工况下电流变化情况,通过仿真与实验数据对比分析,验证了短时高过载电机电磁关系和温升变化特性的正确性,具有理论价值和工程实践价值。返回搜狐,查看更多