新型储能电磁调速电机的关键特性问题研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jeff2001
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在瞬时大功率驱动场合,驱动装置要能够实现在短时间(例如小于1秒)内将负载加速到大转矩和高转速的状态。但是目前广泛应用的 变频器-电动机系统装置复杂,价格高,环境适应性差,且电机输出转矩往往无法满足负载在额定短时间内加速到高转速的要求,在该场合的适用性较差。电磁调速电机结构简单,可靠性高,仅通过调节励磁电压的大小就可以实现大转矩输出的目标。但是传统电磁调速电机的机械特性软,起动时间较长,最少需要2到3秒以上,且现有产品功率等级较低,无法达到瞬时大功率驱动的要求。  新型储能电磁调速电机可以通过小功率电机驱动并储能,采用小功率电源励磁下瞬时释放能量,输出大转矩,能有效减小装置的体积和重量。针对新型储能电磁调速电机两个转子均转动的特殊性,本文对其进行理论分析和特性研究,并采用有限元仿真分析进行了方案优化,旨在优化电机结构参数,改善其输出转矩特性,实现瞬时大转矩驱动的目标。  首先,本文介绍了新型储能电磁调速电机的双转子结构和工作原理,重点推导了凸极电机双反应理论下的电机起动等效电路,给出了电机参数表达式,计算了考虑端部效应的电机内转子电阻参数。  其次,本文分析了新型储能电磁调速电机的结构和尺寸参数对其转矩特性的影响。比较了五种磁极结构的电机气隙磁密和转矩特性,并且分析了外凸极电机磁极数、磁极轭部厚度、实心钢电枢厚度、气隙长度等结构参数和外转子储能惯量、初始转速和励磁电压等储能参数对电机起动特性的影响规律,得到了电机转矩最大、涡流损耗最小的优化方案。  基于以上的分析和对比结果,本文设计了一台功率为50kW的样机,建立了参数优化后的样机有限元仿真模型。仿真结果表明,样机在0.9秒时间内完成起动,将负载加速到额定速度1500rpm,最大转矩Tmax为1kN·m,且能够在60%的起动时间内保持输出转矩在0.8Tmax以上,转矩特性较“硬”;励磁功率为3kW,仅占电机最大功率的2.58%,实现了在小励磁功率下瞬时大功率驱动的目标,大大减小了励磁装置的容量和体积。  最后,本文针对该样机提出了直流励磁电压分段控制算法,进一步缩短了样机起动时间,改善了其转矩特性。  基于本文设计方案的样机已交付厂家加工。
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