电参数对专用设备电机驱动力的影响分析

李司宇 高剑波

（核工业理化工程研究院，天津 300180）

1 电机驱动力研究的必要性

目前，专用设备的设计主要考虑电磁性能、能耗、效率等，在机电试验中通过测试功率等对驱动力进行等效计算，但并未系统研究电机驱动力。驱动力是专用设备升速方法的重要研究内容，需要充分研究电参数对驱动力的影响规律，设计快速、高效的升速方法。

2 建立电机驱动力研究模型

在电机升速及工作期间，转子盘位于电机定子上方。转子盘受磁场作用力的方向为斜向下，对受力进行分解处理，可得到3 个方向的分力，如图1 所示。其中：沿转子盘的切向力Ft形成一对环向力偶驱动转子盘旋转；轴向向下的分力Fz会导致转子盘与定子之间气隙大小发生变化，也将增大下支承承载力；径向平衡力Fi使转子盘在径向方向保持相对位置的平衡[1]。

图1 转筒受力

分解空间驱动力可得到Fz和Ft的大小以及转子盘和电机定子的半径。转子盘与定子之间的磁拉力、两磁力线之间的夹角与定子、转筒之间的间隙值有关[2]。转子盘和定子的半径属于固定电机的结构参数。空间力F与定转筒之间的磁场强度有关，影响磁场强度的是电参数的大小，如电流、线圈数量等。两磁力线之间的夹角是转子盘本身由于具有磁滞效应而引起的磁力线位移差，是材料本身的固有属性[3]。经分析，在实际的电机运行过程中，主要影响驱动力大小的可变参量为电参数（电流）、电源频率，因此本课题以频率为影响驱动力大小的主要因素进行仿真对比分析。下面依据技术文件建立实际的驱动力研究模型[4]。

3 专用设备电机驱动力的数值模拟分析

3.1 电流对驱动力的影响分析

根据研究目标，首先研究电流大小对电磁场及驱动力的影响。固定定子和转子之间的间隙值为1.6 mm[5]，改变输入电流大小，计算转子盘受到的空间力大小。选择输入电流值范围在0.1 ～0.6 A（覆盖升速电流范围），计算电源频率f=8 Hz、转子转速n=50 r·s-1情况下驱动力的大小。

从图2 可以看出，转子盘中心位置受到的磁拉力大于转盘边缘力，并且在电流值增大的过程中，整个转子盘受到的磁拉力呈明显上升趋势。

图2 磁拉力分布云图

3.2 滑差对驱动力的影响分析

3 号专用设备电试验要求的升速方式为三阶梯，分别为5 Hz、8 Hz 和16 Hz。以电源频率8 Hz 为研究对象，在转速为5 ～7 r·s-1的条件下分析不同滑差的驱动力大小分布。不同滑差下转子盘受到的平均磁拉力，如图3 所示。通过分析滑差对驱动力的影响，得到升速阶段不同滑差下磁拉力值的变化趋势，可知不同滑差下的磁拉力值差别较小。

图3 不同滑差下转子盘受到的平均磁拉力

4 结果验证

在电源频率8 Hz 升速阶段，不同转筒转速下，对比转子盘受到的磁拉力与试验间接测试的磁拉力值。在不同转速下测试得到的磁拉力值与计算得到的磁拉力值基本吻合，变化趋势一致。在电源频率为8 Hz 时，不同滑差下转子盘受到的平均磁拉力如图4所示。从图4 可以看出：滑差对轴向拉力影响较小，因此升速时可不考虑滑差对转子系统承载力的影响；电流对轴向磁拉力影响较大，升速期间应将电流控制在合理范围内，以保证转子承载力满足要求。

图4 电源频率8 Hz 时不同滑差下转子盘受到的平均磁拉力

5 结语

本研究建立专用设备电机驱动力仿真有限元模型，完成了专用设备电机驱动力的数值模拟。通过数值模拟分析滑差对电机驱动力大小的影响因素，并揭示了影响规律。结果表明，电流对磁拉力的影响较大，磁拉力随电流增大而增大，滑差对磁拉力的影响较小。