maxwell软件三相同步电机设计.docx

maxwell软件三相同步电机设计.docx

《maxwell软件三相同步电机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《maxwell软件三相同步电机设计.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

maxwell软件三相同步电机设计

10三相同步电机

本章我们将简化RMxprt一些基本介绍，以便介绍一些更高级的使用。

有关RMxprt基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。

10.1分析方法

三相凸极同步电机有发电机和电动机之分，两者的结构基本相同。

三相同步发电机是工业、商业以及民用的主要电能来源，它将机械能转化为电能，其转子上装有由直流电励磁的多级绕组，定子上装有三相正弦分布绕组，转子旋转在气隙中产生旋转磁场。

定子上感应出电压，频率为：

（10.1）

其中p是极对数,n是转子的机械转速，单位rpm，又称为同步转速，电机可以根据负载需要来产生有功功率和无功功率。

通常采用频域矢量图来对电机进行分析，发电机和电动机的矢量图如图10.1所示。

a.发电机

b.电动机

图10.1同步电机矢量图

图中R1和X1分别为电枢绕组电阻和漏电抗，Xad和Xaq分别为d轴电枢电抗和q轴电枢电抗。

相量图中Xad是经过线性化处理的非线性参数。

以输入电压U为参考相量，则电流相量为：

（10.2）

设功率因数角为φ,是电压相量U与电流相量I的夹角，

图中OM所代表的相量可表示为

（10.3）

设E0与U的夹角为θ,（对于发电机θ称为功率角，对于电动机θ,称为力矩角），则E0与I的夹角为

（10.4）

d轴和q轴电流可分别按下式求出

（10.5）

图中ON相量代表由d轴磁链所产生的d轴反电势。

由磁路空载特性曲线，可确定E0，Xad和励磁电流If

1.对于发电机：

输出电功率：

（10.6）

输入功率（机械功率）：

（10.7）

式中：

Pfw，PCua，PFe，Padd，Pcuf和Pex分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗

输入机械转矩：

（10.8）

式中ω为同步角速度，单位：

rad/s

2.对于电动机：

输入电功率：

（10.9）

输出机械功率：

（10.10）

式中：

Pfw，PCua，PFe，Padd，Pcuf和Pex分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗

输出机械转矩：

（10.11）

电机效率：

（10.12）

10.2主要特点

10.2.1适用于同步电动机和同步发电机

凸极同步电动机和发电机结构基本相同，相量关系和计算方法有些差别，输出性能数据也有所不同。

故RMxprt将同步电机分为两个设计模块：

同步电动机和同步发电机。

10.2.2三相绕组的自动排布

几乎所有常用的三相和单相，单层和双层，整数槽和分数槽交流绕组都能自动设计。

用户不需要一个接一个的自己定义线圈。

当设计者采用全极式单层绕组时，RMxprt将自动对绕组进行排列，以减少绕组端部长度。

当使用不对称三相绕组时，绕组排列按照最少负序和零序进行优化。

10.2.3绕组编辑器支持任何单、双层绕组的设计

除了利用RMxprt中的绕组自动排列功能，用户也能通过WindingEditor来指定特殊形式的绕组排列。

在WindingEditor（绕组编辑器）中，通过改变每个线圈的相属Phase、匝数Turns、入槽号InSlot和出槽号OutSlot，可排列出任意所需的单、双层绕组分布形式。

10.2.4气隙磁场分析

对于均匀气隙和非均匀气隙（磁极偏心），都能通过许克变换求解气隙磁场的分布。

10.2.5电势波形和总谐波畸变（THD）分析

以气隙磁场波形分析为基础，综合考虑绕组短距、绕组分布、斜槽、绕组联结方式以及负载影响等诸多因数，对线圈和绕组电势波形进行分析，求解电势波形畸变率。

10.2.6阻尼绕组的瞬态参数分析

与感应电机的鼠笼绕组不同，凸极同步电机阻尼绕组处于d轴和q轴差别很大的非均匀磁场中。

因此，阻尼条的联结有多种形式，有每极连接（极间不连接）、全部连接和端板式连接。

1.每极连接（极间不连接）

2.全部连接

3.端板式连接

所有这些复杂情况RMxprt都能进行分析处理，并给出阻尼绕组的动态参数。

10.3设计三相同步电机

这一节,我们将演示三相同步电动机设计的一般流程。

点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell12>Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。

从RMxprt主菜单条中点击File>New新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。

从RMxprt主菜单栏中点击Project>InsertRMxprtDesign。

在SelectMachineType会话框中选择Three-PhaseSynchronousMachine，然后点击OK返回RMxprt主窗口。

这样就添加一个新的RMxprt设计。

从RMxprt菜单栏中点击File>Save。

如果想把项目另存为SynM3_6p50Hz538kW.mxwl，可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。

（参见3.2.6设置默认的项目路径）

分析这个算例，需要做以下几项设置：

1.设置模型单位（参考章节2.3.2.7设置模型单位）：

2.配置RMxprt材料库（参考章节3.4.1配置材料库）：

3.编辑线规库（参考章节3.3.2到3.3.6）：

当选择Three-PhaseSynchronousMachine做为电机模型时,必须输入如下几项：

1.Generaldata.（基本性能数据）

2.Statordata.（定子数据）

3.Rotordata.（转子数据）

4.Solutiondata.（解算数据）

可选项：

1.定子和转子中选择添加或去掉阻尼

2.定子和转子中选择添加或去掉通风孔

10.3.1主要性能数据

在项目树下双击Machine图标，可显示Properties.对话框。

在如图10.2所示的Machine列表下定义基本性能数据。

1.MachineType：

电机类型。

2.NumberofPoles：

电机极数。

其值为定子极数的总和（或极对数×2）。

图10.2基本性能参数

3.FrictionalLoss：

在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生）

4.WindLoss：

参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生）

5.ReferenceSpeed：

所给的参考转速。

点击OK关闭Properties对话框。

10.3.2定子设计

双击项目树中的Machine>Stator图标，显示Properties对话框。

在如图10.3所示的Stator列表中输入定子数据。

图10.3定子数据

1.OuterDiameter：

定子外径。

2.InnerDiameter：

定子内径。

3.Length：

定子铁心的轴向长度。

4.StackingFactor：

定子的迭压系数

5.SteelType：

定子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）

6.NumberofSlot：

定子槽数

7.SlotType：

定子槽型（参考7.1.1节槽型）

1）点击SlotType显示SelectSlotType对话框。

2）选择一种槽型（有6种类型可用）

3）点击OK关闭SelectSlotType对话框。

8.LaminationSectors：

迭片分区数。

对于大型感应电动机，一个迭片可能由如图10.4所示的几个扇形组合而成，而不是一个整体的圆形迭片。

迭片分区数表示一个迭片由几个这样的扇区组成。

9.PressboardThickness：

导磁隔板的厚度。

键入0表示为一个非导磁的隔板

10.SkewWidth：

用槽数度量的斜槽宽度

点击OK关闭Properties对话框。

图10.4定子叠片扇形

10.3.2.1设计定子槽型

双击项目树中的Machine>Stator>Slot图标，显示Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。

在如图10.5所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。

点击OK关闭Properties对话框。

图10.5定子槽尺寸

10.3.2.2设计定子绕组

双击项目树中的Machine>Stator>Winding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：

Winding和End/Insulation。

10.3.2.2.1设计定子绕组的线径及材料

在如图10.6所示的Winding列表中定义导线、导体和定子绕组

1.WindingLayers：

绕组层数。

从下拉菜单中选择绕组层数（可选1和2）

2.WindingType：

绕组类型（参考7.5.1节的设置交流绕组类型）

1）点击WindingType显示WINDINGType对话框。

2）从以下3种绕组类型中选择一种：

a.Editor

b.WholeCoiled

c.HalfCoiled

3）点击OK关闭WINDINGType对话框。

图10.6槽绝缘和绕组形式

3.ParallelBranches：

定子一相绕组的并联支路数

4.ConductorsperSlot：

每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。

输入0，RMxprt会进行自动设计。

5.CoilPitch：

以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。

例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。

6.NumberofStrands：

每个导体中导线的并绕根数。

输入0，RMxprt会自动设计根数。

7.WireWrap：

漆包线的双边漆皮厚度。

输入0后能从导线库中自动获得

8.WireSize：

定子绕组导线的直径（输入0，RMxprt会自动设计）。

用户可选择圆导线或扁导线两种型号。

当槽型为1到4时，圆形导线可用（参考7.4.1节设置圆导线）。

当槽型为5或6时，扁导线可用（参考7.4.2节设置扁导线）。

10.3.2.2.2设计端部绕组和定子绝缘

可参考7.5.3节端部绕组和槽绝缘中的详细介绍。

在如图10.7所示的End/Insulation列表中定义绕组端部和槽绝缘。

图10.7端部绕组和绝缘数据

1.InputHalf-turnLength：

选择或取消该选项框以指定是否想要键入半匝长度。

选中该选项，用户下次打开Properties对话框会出现HalfTurnLength。

如未被选中，会有EndAdjustment替代其位置。

2.Half-turnLength：

电枢绕组的半匝长度。

当InputHalf-turnLength被选中时，其可用。

3.EndAdjustment：

定子绕组的端部长度调节项，及导线伸出定子的垂直距离。

当InputHalf-turnLength未被选中时，其可用。

4.BaseInnerRadius：

底角半径

5.TipInnerDiameter：

线圈外弧半径

6.EndClearance：

两临近线圈的间隔

7.SlotLiner：

槽绝缘的厚度

8.WedgeThickness：

槽楔的厚度

9.LayerInsulation：

层绝缘的厚度

10.LimitedFillFactor：

设计槽满率的上限。

点击OK返回RMxprt的主窗口。

10.3.2.2.3绕组编辑器

对于三相同步电机，用户可以利用绕组编辑器为每个槽定义不同的导体数。

为了使用绕组编辑器，用户必须在WindingProperty中选择WindingType为Editor（参考3.5编辑交流绕组）。

10.3.2.3设计定子通风孔

用户可以选择在三相同步电机中添加通风孔。

在三相同步电机的定子上添加通风孔：

1.右键点击项目树中的Machine>Stator图标。

2.在弹出的右键菜单中选择InsertVent，向项目树中添加Machine>Stator>Vent。

3.在项目树中双击Machine>Stator>Vent图标，显示如图8.10所示的Properties对话框。

4.定义定子上的通风孔数据。

1）VentDucts：

通风孔的数量。

2）DuctWidth：

通风孔的径向宽度。

3）MagneticSpacerWidth：

磁性挡板的宽度。

0意味着使用非磁性材料。

4）DuctPitch：

两个相邻通风孔的间距。

5.点击OK关闭Properties对话框。

图10.8通风孔数据

如果想移除三相同步电机定子上的通风孔：

1.右键点击项目树中的Machine>Stator图标。

2.在弹出的右键菜单中选择RemoveVent，从项目树中移除Machine>Stator>Vent图标

10.3.3转子设计

在项目树中双击Machine>Rotor图表显示Properties对话框，其中有Rotor，Pole和Insulation三个列表。

10.3.3.1设计转子数据

在如图10.9所示的Rotor列表中，定义转子数据

图10.9转子数据

1.OuterDiameter：

转子外径

2.InnerDiameter：

转子内径

3.Length：

转子铁心长度

4.SteelType：

选择转子材料（参考7.3指定材料类型）

10.3.3.2设计转子磁极

在Pole列表中，如图10.10所示，设计转子磁极数据。

y

图10.10磁极数据

1.StackingFactor：

转子的迭压系数

2.PoleArcOffset：

极弧中心与转子中心的偏心距（如图10.11所示）。

图10.11极弧偏心距

3.PoleShoeWidth：

.极靴宽度

4.PoleShoeHeight：

极靴高度

5.PoleBodyWidth：

极身宽度

6.PoleBodyHeight：

极身高度

7.SecondAirGap：

第二气隙宽度（极身与转子轭之间的宽度）

8.SecondPoleArc：

第二极弧，选择极表面是否包括半个磁极范围内的两段弧。

当选择该项后，将增加Off2_x和Off2_y两个选项。

9.Off2_x：

第二极弧x方向的偏心坐标，只有当SecondPoleArc被选择是可用。

10.Off2_y：

第二极弧y方向的偏心坐标，只有当SecondPoleArc被选择是可用。

11.MagneticPressBoard：

选择压板是否是由磁性材料构成

12.PressBoardThickness：

压板厚度

转子磁极结构如图10.12所示。

图10.12转子磁极结构

10.3.3.3设计转子绝缘

在Insulation列表中,设计转子绝缘数据如图10.13所示。

1.ShoeInsulation：

极靴之下的绝缘材料厚度。

2.PoleInsulation：

极身侧面的绝缘材料厚度。

3.WindingClearance：

绕组间隙

点击OK关闭Properties会话框。

图10.13绝缘数据

10.3.3.4转子绕组设计

转子上装有励磁用的磁极绕组（参考6.6磁极绕组）。

在项目树下双击Machine>Rotor>Winding图标显示Properties对话框，在如图10.14所示Winding列表中，定义转子绕组数据

1.WindingType：

转子绕组型式（参考7.5.4磁极绕组类型）。

选择绕组型式，然后点击OK关闭弹出的会话框。

2.ParallelBranches：

转子绕组的并联支路数

3.ConductorsperPole：

每磁极导体数。

输入0，RMxprt会自动设计

4.NumberofStrands：

并绕根数。

输入0，RMxprt会自动设计。

5.WireWrap：

导线漆膜厚度。

输入0后能从导线库中自动获得。

6.InterturnInsulation：

绕组的匝间绝缘厚度。

当选择绕组型式为Edgewise时可用。

图10.14转子绕组

7.WireSize：

电枢绕组的线径，0表示自动设计（参考7.4.1圆导线设置和7.4.2扁导线设置）

8.AxialClearance：

磁极绕组与磁极或内部线圈间的轴向间隙。

9.LimitedCrossWidth：

绕组设计时的限制交叉宽度或如图10.12所示的OverallWidth。

（输入0则为可用的最大值）.

10.LimitedCrossHeight：

绕组设计时的限制交叉高度或如图10.12所示的OverallHeight（输入0则为可用的最大值）.

11.WindingFillet：

绕组弯曲部分的倒角。

磁极绕组结构如图10.15所示。

点击OK关闭Properties对话框。

图10.15磁极绕组数据

10.3.3.5设计转子阻尼绕组

在三相同步电机中可以选择为转子添加阻尼。

10.3.3.5.1添加或去掉转子阻尼

在三相同步电机中添加转子阻尼：

1.在项目树下用右键点击图标Machine>Rotor

2.从Machine>Rotor>Damper中选择InsertDamper

在三相同步电机中去掉转子阻尼：

1.在项目树下用右键点击图标Machine>Rotor

2.从Machine>Rotor>Damper中选择RemoveDamper

10.3.3.5.2设计转子阻尼

1.在工程树下双击图标Machine>Rotor>Damper显示Properties会话框。

2.设计阻尼数据如图10.16所示。

图10.16阻尼绕组数据

3.点击OK关闭Properties对话框。

阻尼数据包括：

1.DamperSlotsPerPole：

每极阻尼槽数

2.SlotType：

阻尼槽型（参考7.2.1阻尼绕组槽型）

1）点击SlotType按钮，显示SelectSlotType对话框；

2）选择一种槽型（可选槽型包括1到4）；

3）点击OK关闭SelectSlotType会话框。

3.CastRotor：

选择转子导条是否为铸造，导体是否填满槽中的所有可用空间。

否则，RMxprt将在2D几何模型中假定槽口没有导体。

4.BarConductorType：

选择阻尼导体材料（参考7.3设定材料类型）.

5.EndLength：

导条超出定子铁心的单边端部长度。

只指定单边长度，而不是双边长度。

6.EndRingWidth：

端环的单边轴向宽度。

7.EndRingHeight：

端环的径向高度。

端环将转子导条相联，端环高度至少应覆盖转子导体。

只指定单边长度，而不是双边长度。

8.EndRingConductorType：

端环材料（参考章节7.3定义材料属性）。

9.SlotPitch：

斜槽（电角度）

10.CenterSlotPitch：

斜槽中心（电角度）

11.EndRingType：

阻尼端环类型。

点击EndRingType按钮显示SelectPoleType会话框。

从中选择一种，然后点击OK关闭如图10.7中所示弹出的会话框

图10.17选择端环型式

图10.7中有四个选项，当鼠标放在某个选项上时，就会出现所选磁极的轮廓，并带有磁极的尺寸，如图10.18所示。

1）0：

导体盘把所有极下的阻尼条都连接起来。

如图10.18a所示。

2）1：

一个导体盘把一个极下的阻尼条都连接起来。

如图10.18b所示。

3）2：

一个导体环把一个极下的阻尼条都连接起来。

如图10.18c.所示。

4）3：

端环把所有极下的阻尼条都连接起来。

如图10.18d所示。

a.Type0

b.Type1

c.Type2

d.Type3

图10.18端环型式

10.3.3.5.3设计阻尼槽

在工程树下点击Machine>Rotor>DamperSlot显示Properties会话框（参考7.1.2阻尼槽型）

在Slot列表中，如图10.19所示，设计槽尺寸。

点击OK关闭Properties会话框。

图10.19阻尼槽尺寸

10.3.4设计转轴

定义转轴数据：

1.点击项目树中的Machine>Shaft图标，显示Properties对话框.

2.在如图10.20所示的Shaft列表中，选择或清除MagneticShaft选项，以指定转轴是否由磁性材料制成。

3.点击OK关闭Properties对话框

图10.20转轴数据

10.4三相同步电机的求解

10.4.1添加计算方案（setup）

设置计算方案：

1.在项目树下用右键点击Analysis图标，然后右键菜单中点击AddSolutionSetup，显示SolutionSetup对话框.

2.在如图10.21的General列表中定义计算方案的数据。

图10.21解决方案设置

1）OperationType：

在下拉菜单中选择运行方式：

电动机Motor或发电机Generator

2）LoadType：

从下拉列表中选择负载类型（参考7.8.1电机负载类型）.

3）RatedApparentPower：

对于发电机，为电机输出的电功率；

RatedOutputPower：

对于电动机，为电机转轴输出的机械功率。

4）RatedVoltage：

电机线电压有效值，并选择其单位。

5）RatedSpeed：

在电动机负载端的理想输出转速。

6）OperatingTemperature：

电机运行时的工作温度。

工作温度会影响绕线的电阻，因此会影响电阻损耗。

3.在SYNM列表中，如图10.22所示定义联接数据。

图10.22联接数据

1）RatedPowerFactor：

额定功率因数。

对于发电机，额定输出功率等于额定视在功率×额定功率因数。

2）WindingConnection：

从下拉列表选择Wye或Delta。

3）ExciterEfficiency：

励磁机提供给转子绕组的电流占直流电源提供的直流电流的百分比。

励磁效率在0%到100%之间，只影响总效率。

4）InputExcitingCurrent：

输入励磁电流

5）StartingFieldResistance：

在起动时连接在励磁电路中的电阻（只对于电动机）

4.点击OK关闭弹出的会话框

10.4.2计算方案求解

1.点击RMxprt>ValidationCheck，显示ValidationCheck的消息框。

2.如果设置有问题，可以通过窗口中的诊断消息解决。

3.点击Close关闭ValidationCheck的消息框。

4.当设计被确认后，点击RMxprt>AnalyzeAll。

5.分析过程会在过程Progress窗口中显示，分析信息会在MessageManager窗口中显示。

10.5三相同步电机设计输出

当RMxprt完成求解后，可采用下面的方法观察和分析计算结果：

10.5.1查看计算结果

点击RMxprt>Results>SolutionData显示Solutions对话框，其中包含4个列表。

看完结果后，点击Close来关闭Solution消息对话框。

10.5.1.1求解结果

在S