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：60pnf/(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：II(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motorforXXRgeneratorforXXROMaq11aq11)jj()jj(IUIU(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cossinIIIqdI(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If1.对于发电机：输出电功率：cosUI3P2(10.6)输入功率(机械功率)：exCufaddFeCuafw21PPPPPPPP(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：11PT(10.8)式中ω为同步角速度，单位：rad/s2.对于电动机：输入电功率：cosUI3P1(10.9)输出机械功率：exCufaddFeCuafw12PPPPPPPP(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：22PT(10.11)电机效率：%100PP12(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StartProgramsAnsoftMaxwell12Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。从RMxprt主菜单条中点击FileNew新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。从RMxprt主菜单栏中点击ProjectInsertRMxprtDesign。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FileSave。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MachineStator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MachineStatorSlot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MachineStatorWinding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.Editorb.WholeCoiledc.HalfCoiled3)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MachineStator图标。2.在弹出的右键菜单中选择InsertVent，向项目树中添加MachineStatorVent。3.在项目树中双击MachineStatorVent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