【文章內(nèi)容簡介】 寬，較近處變窄，形成護膝式定子極靴，從電磁場分析來看，這種極靴更為有效，它采用的是集中磁場，從而具有較高的氣隙磁密，同時減少了定子極靴之間的漏磁，從而提高了功率密度。第三章 TFSRM結構設計及主要尺寸的設計 引言 由于TFSRM電機的結構與傳統(tǒng)電機不同，所以普通電機的設計方法不再適合TFSRM電機，在設計TFSRM電機時，一般也是采用場路結合的方法。在路的設計中，首先選擇定、轉子齒槽數(shù)目并確定極弧和轉矩的比值，再由轉矩、功率等參數(shù)確定尺寸，最后設計勵磁繞組。采用場的方法設計時，在作如下假設的基礎上，可采用二維有限元法計算。假設:①忽略磁滯效應；②鐵心各向同性；③忽略端部效應；④定子外圓與轉子內(nèi)圓為零矢量磁位面。由于這種方法作了許多假設，使得計算結果有較大偏差，但與三維有限元方法相比，其計算量大大減少。TFSRM樣機每相16個齒極，定子鐵心由U形沖片疊裝而成，轉子沖片由矩形沖片疊裝而成，每相電樞繞組為一個環(huán)形集中繞組，嵌放在定子鐵心凹槽中。轉子鐵心安裝在外轉子筒的內(nèi)側，定子鐵心安放在托架上，在電機軸上開孔將三相電樞繞組引出，位置傳感器包括三個光電二極管和一個齒槽結構的光電盤，光電二極管固定在定子上，光電盤隨轉子一同旋轉，均安裝在電機外部以便于實驗中調節(jié)。在未安裝位置傳感器的一側設計了轉矩傳動部件，在其凸出部分的中心設計直徑14mm的帶鍵槽傳動軸安裝孔，樣機完成后與負載同軸連接。磁鋼貼裝在定轉子鐵心靠近氣隙的側面，極性為切向。，無屏蔽磁鋼樣機的結構相伺，沒有貼裝磁鋼。 樣機總體結構，定轉子齒極數(shù)相等且每個齒極的疊裝厚度相同，即在氣隙面上，定轉子齒極的疊裝厚度與齒極間距離相等。應該注意以下幾點:(1) 鐵心沖片為切向疊裝而不是軸向疊裝。(2) 所有的磁鋼貼裝后，極性方向為切向。(3) 定轉子左右齒極()兩側的磁鋼極性方向相反，定子左齒極磁鋼極性背向鐵心，轉子左齒極磁鋼極性指向鐵心():定子右齒極磁鋼極性指向鐵心，轉子右齒極磁鋼極性背向鐵心()(a) 左齒極磁鋼極性方向 (b) 右齒極磁鋼極性方向(4) 繞組只能通固定方向的電流以保持鐵心中磁通方向不變，而且漏磁通的方向總是跟磁鋼極性相反，這樣磁鋼才能起到屏蔽漏磁通的作用。磁鋼一旦安裝極性就己固定， 下，繞組電流所產(chǎn)生的主磁通應使右齒極主磁通始終向上，左齒極主磁通方向始終向下。當繞組電流為流出紙面時。 主磁通磁路 為使電機連續(xù)旋轉，樣機為3相，用以表示相與相之間周向角度的差別。電機關鍵部件主要包括定子鐵心、轉子鐵心、電樞繞組、位置傳感器、電機軸。首先考慮定轉子鐵心沖片的幾何尺寸以及鐵心的疊裝方式，根據(jù)工藝的要求以及氣隙的大小來設計三相鐵心的安裝定位。由于外轉子的特殊結構，要考慮電樞繞組的引出方式，除了繞組線規(guī)的選擇外，還涉及到電機軸的設計:位置傳感器的安裝精度直接影響到控制精度的高低，最后是轉矩傳動部分。 定子沖片設計定子沖片為凹字形沖片，切向疊裝，用螺栓固定形成鐵心，所形成的鐵心凹槽用于放置環(huán)形電樞繞組。齒極的寬度不受凹槽寬度的影響，將沖片軸向長度增加，保持齒極寬度不變，凹槽截面積增加能放置更多匝數(shù)的線圈，電負荷僅僅取決于電機的軸向長度，磁負荷的大小取決于沖片徑向長度即氣隙半徑，兩者完全解耦，這種全新的電機理念不僅僅帶來電機機械結構設計上的靈活，而且電負荷能大幅度增加，從原理上使更高功率密度電機的產(chǎn)生成為可能。(1) 每相16個齒極，齒極在圓局上均勻分布。以此為依據(jù)確定電機定子外徑D，每個齒極的徑向疊裝厚度為12 mm對應的電角度為1800，即機械角度為180/16=則定子外徑(2) 在周向三相定子依次錯開1200電角度 ()，相與相之間軸向隔開一段距離使相間解耦。定子鐵心固定在內(nèi)定子托架上，在內(nèi)定子托架上制作三個定位螺孔，三個定位螺孔在軸向相隔合適的距離使定子鐵心安裝后彼此相隔一定距離:。 轉子設計(1) 轉子沖片設計轉子沖片為矩形沖片，切向疊裝，由螺栓聯(lián)結形成鐵心。(2) 轉子鐵心定位與固定 轉子鐵心的固定有兩個特點:① 外轉子。② 三相轉子鐵心在周向無相角差。 轉子沖片及其疊裝圖轉子鐵心安裝在外轉子筒的內(nèi)側，在外轉子筒上開穿透孔，每個轉子鐵心對應一個定位孔，三相總共48個，每相16個定位孔在圓周上等距，三相對應定位孔在周向無相角差。同時在每個轉子鐵心與外轉子筒接觸面上鉆一個螺紋孔，將螺栓從轉子筒外部穿入與鐵心上的螺紋孔對接完成安裝。 A轉子定位螺孔俯視圖 B轉子定位螺孔側視圖 位置傳感器設計位置傳感器由三個光電二極管和一個光電盤組成，將光電二極管固定，光電盤與外轉子同軸轉動。位置傳感器的精度取決于器件加工精度與安裝精度，為了在實驗中便于調節(jié)，將位置傳感器安裝在電機的外部。. 光電盤、定轉子鐵心對應關系 繞組設計外轉子電機的電樞繞組引出是比較困難的，不象內(nèi)轉子電機那樣方便。通?？尚械姆椒ㄊ菑碾姍C軸中開孔引出繞組，這勢必增大軸的尺寸，同時也限制了繞組線徑不可能選得太大。對樣機而言各相獨立，相互間不存在連接關系，當選擇全橋式驅動線路時，應該引出全部六個繞組接線端，當選擇半橋式驅動線路時，可將三相繞組的一端在電機內(nèi)共接，而只引出四根繞組接線端。本文選擇將三相六個繞組的接線端全部引出 () 繞組引出示意圖 主要尺寸的制定,這一節(jié)主要討論轉矩﹑功率與直徑D1,D2,D3,D4﹑軸向長度﹑極弧以及每相匝數(shù)的關系,討論了在電機的設計過程中,如何選擇這些參數(shù)。首先推導電機的輸出功率與這些主要尺寸之間的關系。通常情況下,普通電機的輸出功率方程的表達式為電機直徑﹑磁負荷﹑電負荷以 三相6/4結構TFSRM定子截面圖 三相6/4結構TFSRM轉子截面圖及轉速的函數(shù),利用同樣的方法，可以推導出徑向SRM的功率輸出方程，以此為基礎，再推導TFSRM的輸出功率。先作如下的假設：(1)激磁電流是理想的矩形波，齒距角為(2)齒對齒，齒對槽的電感的比值已知,這個比值可以根據(jù)電磁等效電路來計算,也可以通過準確的迭知方法來計算 每相繞組的電壓方程為: ()式中為額定值,所以如果不計繞組電阻,則有: () ()式中:La指某定子齒中心線與轉子齒中心線重合時,該相繞組的電感(最大電感) Lu指某定子齒中心線與轉子槽中心線重合時,該相繞組的電感(最小電感)即Lu指轉子槽中心線偏離定子齒中心線,在樣機中,采用的是3/2結構,即當轉子齒與定子齒開始重疊時,此時電感有著顯著的變化,設定子極弧角為轉速為,經(jīng)過極弧角的時間為t,則有: ()定子極中心線與轉子極中心線重合時的位置,此時的磁鏈與磁密有關, ()式中: B為氣隙磁密,Nt為每相匝數(shù),Sa為定子相磁路的橫截面積。 （）設 ()將式(4)(5)(6)(7)代入(3)式中得 ()電負荷 ()輸出功率: ()式中:Kd為占空比,可以定義為: ()在樣機中,結合(8)到(10)式,輸出功率為: ()令 ()式中如果為常數(shù),則有其中Vs為電機鐵心的體積 ( ) 在得也了輸出功率同鐵心的體積的關系式后,下面討論電機設計過程中的一些主要參數(shù). 直徑如果式()中的系數(shù)為常數(shù),則輸出功率的解析式可表達為:,式中: (),可進一步簡化, ()式中,下層極的厚度為: ()結合()到(),有: ()上式與傳統(tǒng)電機的輸出功率的方程類似,相當于軸向長度,而涉及到鐵心的直徑,不管是,都與有關系, 的選擇應該考慮軸的直徑、定子繞組放置所需要的空間等, 值的選擇應該考慮到轉子最外側的最大速度及機械強度, 由極弧及鐵心迭片結構材料的最大磁密來決定,上層極的厚度與下層極的厚度有關,要求上下層極的磁密相等,可表達為: () 軸向長度在式()輸出功率的表達式中,可以清楚地看出,輸出功率與TFSRM的軸向長度無關,軸向長度由以下幾個部分構成:兩個氣隙長度,2個繞組空間占有的長度,2個定子極的長度,轉子極的長度. 減小定子和轉子極的長度,。繞組占有的空間必須至少 等于定子繞組匝占有的空間。 一個定子極的詳細結構設導體截面積為,則 ()式中,于是可得: () 根據(jù)電機的軸向長度或者電機的優(yōu)化值,可以使最小化,考慮到電機冷卻的原因,繞組填充系數(shù)在樣機中一般取. 安—匝數(shù)由式()可得安—匝數(shù) ()結合式()可得 ()電負荷與電機的許多參數(shù)及電流密度有關系,直接影響到輸出功率,在設計時,可以按式()設計電負荷,電機的電負荷一般值在20000到90000安匝/米的范圍內(nèi),一旦選定了電負荷,利用式(),繞組匝數(shù)與以下幾個因素有關：最大電感位置施加直流電壓，此時電流以最快的速度上升，達到額定電流；通過選擇冷卻方式，可以調節(jié)銅耗；電機驅動系統(tǒng)整體效益的考慮；通過選擇小電流，降低變換器的成本，選擇較低的匝數(shù)而加大導體的截面積來降低所需要的銅的成本。 自感系數(shù)的選擇 與電流的曲線自感系數(shù)可以定義為: ()對輸出功率的影響, 與極對極、極對槽時的電感有關,在設計中,確定一個合適的值是比較難的,注意到自感,特別是極對極時的自感,給出了一簇與電流的標準化曲線(參數(shù)為標幺制，TFSRM的功率分別為1,10,50,100hp,300V直流電壓),。從圖中可以看出，的值可以反復根據(jù)TFSRM的額定功率的值來選擇。 定轉子極弧的選擇本課題中,定子極弧假定為: , 轉子極弧設計成與定子極弧相等,定轉子極弧均為600，因此,在設計中研究定子極弧對輸出功率的影響是非常重要的,借助這種觀點,效率與定子極弧的關系如圖所示(在3000r/min,電流分別為5,10,20A),()式給出的是這種電機效率最高時定子極弧的優(yōu)化值,因大電流或者因減小極弧,電機處于深度飽和時,輸出功率與效率都會減小。第4章 TFSRM的參數(shù)優(yōu)化 TFSRM樣機的具體設計參數(shù)及性能對比、 TFSRM疊片材料的B－H特性曲線 根據(jù)TFERM電機設計的基本原則,設計了一臺三相TFSRM樣機,樣機參數(shù)及尺寸如下:定子極弧,轉子極弧相數(shù)m=3定子極數(shù)Ns=Nr=16個氣隙長度電負荷磁密:每相匝數(shù)Nt=576匝基準電流:4A基準電壓:300V輸出功率:1ph額定轉速:n=1500r/min每相繞組電阻:槽滿率: 62%電機外徑:152 mm電機內(nèi)徑:電機軸向長度:154mm氣隙半徑:62mm疊片磁材料的B—,隨著轉子極與定子極重疊角的變化,(電流分別為4,7,10A),重疊角相當于某相的轉子極與定子極的重疊角,計算值與實測值是相當吻合的,也證實了計算方法的正確性。設計樣機與相應氣隙圓直徑異步電動機轉矩密度對比結果如表2所示。 表2:樣機同異步電動機性能的對比表2中設計樣機的相電流額定值由上至下分別為11A, A，即相應Y系列異步電機的額定電流值。采用電機的電磁材料體積來表征電機產(chǎn)生轉矩的材料尺寸?？紤]到采用外轉子形式后，電機在外尺寸上的顯著變化，這里仍采用氣隙圓軸向作為參考截面進行考量。不難看出，橫向磁場電機的單位有效材料體積轉矩密度高于相