新结构无刷电励磁同步电机的设计与分析研究

陈 刚

(东营华联石油化工厂有限公司，山东 东营 257200)



新结构无刷电励磁同步电机的设计与分析研究

陈 刚

(东营华联石油化工厂有限公司，山东 东营 257200)

在原有电励磁同步电机的基础上，提出一种全新结构的无刷电励磁同步电机，对该电机模型与设计原理展开探讨，同时进行相关的有限元分析，希望能够有效验证新结构无刷电励磁同步电机的可靠性与可行性。

新结构；无刷电励磁同步电机；有限元分析；设计

笔者提出一种新结构无刷电励磁同步电机，其优势在于取消了电机结构中的电刷与滑环，不仅降低了电机的日常维护量，还降低了在爆炸性气体环境中的使用事故率，以更好地满足各行业的安全性应用需求。本文进一步剖析了新结构无刷电励磁同步电机的设计工作，分析其可靠性与合理性。

1 新结构无刷电励磁同步电机模型与设计原理

笔者在原有电励磁同步电机的基础上，提出一种全新结构的无刷电励磁同步电机，去掉了转子侧结构上的电刷与滑环，不仅有效简化了电机结构，还更利于电机的日常维护工作。

基于YZR180L-6三相绕组式异步电机改造的新结构无刷电励磁同步电机，具体参数如表1。

由定子、转子、转矩、旋转整流器组合而成的新结构无刷电励磁同步电机，具体结构如图1所示。定子铁心、定子单相励磁绕组及定子三相功率绕组在定子侧中。转子铁心、转子交流感应绕组、转子直流绕组、旋转整流器在转子侧中。转子交流感应集中绕组加入与转子外圆周和定子线槽相对应的同宽度的开槽位置中。

表1 新结构无刷电励磁同步电机Tab.1 New structure brushless electro magnetic synchronous motor

新结构无刷同步电机的转子是36槽，有6组并联在一起的转子励磁绕组。在转轴上固定有旋转整流器，旋转整流器的输入端与输出端分别连接着转子交流感绕组的输出端及转子直流绕组。利用线径为0.95 mm的铜线，通过绕制而形成的定子单相励磁绕组与转子单相感应绕组，分别为63匝、68匝。

图1 新型无刷电励磁同步电机的定转子铁心整体结构图Fig.1 Stator core general structure diagram of new structure brushless electro magnetic synchronous motor

无刷同步电机的励磁电路原理如图2所示。将单相交流电压加入定子单相励磁绕组中，此时交流电流流过绕组，会在电机磁路中形成交变磁场。定子单相励磁绕组与转子交流感应绕组在交变磁场会的作用下进行环链，变压器电势会在转子交流感应绕组中产生，需要注意的是，电势大小与转子转速没有关系，只取决于单相励磁绕组的输入电压。通过旋转整流器，能够直接将转子交流感应绕组输出的交流电压转换为直流电压，从而为转子直流绕组、同步电机提供直流励磁电压与转子恒定磁场。定子单相励磁绕组的交流电压与同步电机转子直流绕组励磁电压成正比，可对同步电机无刷励磁实现有效调节。

图2 无刷同步电机的励磁电路图Fig.2 Excitation circuit of brushless synchronous motor

在不考虑磁路饱和条件的情况下，该种设计结构的无刷电励磁同步电机具有很大优势，无论是定子的三相绕组与单相励磁绕组，还是转子的励磁绕组与交流感应绕组之间都不存在任何的耦合关系，且不会在对方绕组中感应到交流电势、产生交流电流，同时，该设计大大简化了电机结构，更有利于日常维护。

2 新结构无刷电励磁同步电机的有限元分析

在新结构无刷电励磁同步电机的电磁性计算上，可以运用Ansoft软件与有限元分析方法，对比计算结果与实体试验结果，从而确定新结构无刷电励磁同步电机的可靠性与可行性。

定子绕组加三相对称交流电，通过外电路对转子励磁绕组施加直流激励，其网格剖分如图3所示。在空载条件下，可以利用Maxwell 2D得到电励磁同步机的磁力线分布图，如图4所示。我们可以清楚地看到，新结构无刷同步电机的电磁性能与实际电机所需性能相符，因此，该设计合理、可靠。

图3 电励磁同步电机网格剖分Fig.3 Mesh generation of electro magnetic synchronous motor

图4 磁力线分布图Fig.4 Magnetic line of force distribution diagram

通过有限元分析，我们可以得到额定负载情况下同步电机转矩曲线图，如图5所示。如果分别将电机负载设定为0、0.5TL、TL，那么可以清楚地看到电子电枢绕组中的电流是三相对称电流，电流幅值十分稳定，也进一步说明了新结构无刷电励磁同步电机运行十分稳定。因为定子电枢绕组中的电流有效值大小能够随着同步电机负载转矩的增加而不断增加，所以，也满足了隐极式同步电机在运行过程中应遵循的电磁转矩公式。

图5 额定负载时同步电机的转矩曲线Fig.5 Torque curve of synchronous motor with rated load

3 结语

笔者阐述了新结构无刷电励磁同步电机的设计原理，利用Ansoft软件对新结构无刷电励磁同步电机性能进行计算和有限元分析，说明该电机的设计较为可靠合理，可以深入研究，进一步完善后，可应用于实际生产。

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Design and analysis of new structure brushless electro magnetic synchronous motor

CHEN Gang

(Dongying Hualian Petrochemical Co., Ltd., Dongying 257200, China)

On the basis of the original electric magnetic synchronous motor, a new structure of brushless electro magnetic synchronous motor is proposed. The model and design principle of the motor are discussed. At the same time, the relevant finite element analysis is carried out, hoping to validate the reliability and feasibility of the new structure brushless electro magnetic synchronous motor.

New structure; Brushless electro magnetic synchronous motor; Finite element analysis; Design

2016-12-28

陈刚(1974-)，男，技师。

TM341

A

1674-8646(2017)04-0146-02