当前位置:研发设计首页 >> 技术文萃 >> 研发测试 >> 高速电励磁双凸极电机的转子强度与电机温升研究
高速电励磁双凸极电机的转子强度与电机温升研究
2017-05-24 16:13:18  作者:杨岑   来源:互联网
  •   1 前言   随着飞机的飞行高度和速度的不断提升,起动/发电系统的无刷化、高速化和高功率密度将成为未来飞机起动/发电系统的发展方向。电励磁双凸极电机作为一种新型无刷电机,具有结构简单、可靠性高和控 ...

  1 前言

  随着飞机的飞行高度和速度的不断提升,起动/发电系统的无刷化、高速化和高功率密度将成为未来飞机起动/发电系统的发展方向。电励磁双凸极电机作为一种新型无刷电机,具有结构简单、可靠性高和控制灵活等优点,尤其是作为发电机运行时,只需把三相绕组外接整流电路,通过调节励磁电流就能输出需要的直流电压值,这些特点使电励磁双凸极电机成为未来起动/发电机的重要选择。

  随着电励磁双凸极电机转速的不断提高,转子强度成为其设计的关键,同时因为频率较高,电机铁损较大,冷却问题不容忽视。圆柱形转子形状规则,计算较为简单,电励磁双凸极电机转子呈凸极结构,计算较圆柱形转子复杂,Ansys Workbench中Static Structural为计算高速电机转子强度提供了便利;电机常用的冷却方式有空冷和液冷,本文设计机壳水冷循环系统,用以降低电机温度。

  2 高速电励磁双凸极发电机的电磁特性

  图1给出了三相12/8极结构的电励磁双凸极电机截面图,其定、转子外形跟开关磁阻电机类似,均呈凸极齿槽结构,转子上无任何绕组,铁芯采用硅钢片叠压而成。与开关磁阻电机不同的是电励磁双凸极电机在定子槽中除装有集中的电枢绕组外,还装有励磁绕组。电励磁双凸极电机由于其定、转子极均为凸极结构,存在着显著的边缘效应和高度的局部饱和现象,所以电机气隙磁场空间分布非常复杂,电机中的磁场随着负载和转速的不同,磁通、电流、转矩等各量均呈现出不同的变化规律,因此在进行电机内部磁场分析时,用通常的解析法或者等效磁路法就很难解决问题。一般来说,在磁场分布和变化比较复杂并且非线性严重时,可以采用有限元法,它能准确地计算电机的磁场分布和静态特性。

  Ansoft公司的Maxwell2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。本节就采用Ansoft公司的Maxwell2D软件,对样机空载和负载时的磁场进行仿真分析。

  2.1 技术指标

  (1)额定功率:110kW

  (2)额定输出电压:270V

  (3)转速:60000r/min

  (4)发电方式:DSG2

  2.2 结构参数

  

图1  发电机截面图

  图1 发电机截面图

  

图2  转子三维模型

  图2 转子三维模型

  2.3 电磁特性

  注:定转子材料为***,转速为60000rpm。

  (1)空载特性

  

图3  15A励磁时磁密云图

  图3 15A励磁时磁密云图

  由图3可知,电机在15A励磁时已经达到饱和。

  图4为空载情况下励磁电流和输出电压的关系,可以看出曲线拐点对应励磁电流10A。因此电机励磁电流分别取5A、10A、15A、20A、25A进行加载仿真。

  

图4  空载特性曲线

  图4 空载特性曲线

  (2)外特性、功率特性和调节特性

  从图5可以看出,随着励磁电流的增加,外特性曲线逐渐变硬。励磁电流大于15A后曲线斜率变化缓慢。从图6可以看出,随着励磁电流的增加,最大功率点右移。励磁电流大于15A后,最大功率减小。在15A励磁情况下,输出电压为270V时,输出电流为452A,输出功率为124kW。图7调节特性为转速(60000rpm)和电压(270V)不变时,输出电流和励磁电流之间的关系。由以上特性可知***材料满足设计要求。

  

图5  外特性曲线

  图5 外特性曲线

  

图6  功率特性曲线

  图6 功率特性曲线

  

图7 调节特性曲线

  图7 调节特性曲线

  3 高速电励磁双凸极电机转子的静力学特性

  转子设计是高速电励磁双凸极电机的关键,主要考虑的问题有:转子直径和长度的选取、转子强度及材料的选择、轴承的设计等。本文着重论述转子强度问题。转子强度分析的主要目的,是通过静态应力分析,校验所用材料能否承受所允许的应力,保证高速电机的安全运行。 本文所选转子材料为***,Ansys Workbench中可以利用安全因数Fs(safety factor)来判断结构强度是否满足要求,其表达式如下:

  

表达式

  其中Slimit 为极限应力,σe为结构承受的最大等效应力,当Fs≤1时材料将发生失效。 图8-10为转子在60000rpm下的静力学分析云图。其中黑线框架为原模型,为观察方便,仿真结果均进行了放大。

  

图8  转子应力云图

  图8 转子应力云图

  

图9 转子总变形

  图9 转子总变形

  

图10  安全因数云图

  图10 安全因数云图

  从以上结果可以看出,转子最大等效应力为323.53MPa,最大等效弹性应变为0.0016177mm/mm,均出现在转子内圆柱表面端部;转子最大总变形为0.0127mm,出现在转子齿两端,远小于气隙长度;转子最小安全因数为1.3322,出现在转子内圆柱表面端部,并且大于1,基本满足要求。

  4 高速电励磁双凸极电机的温升

  电机冷却系统的作用是通过冷却介质对电机的发热表面进行冷却,保护电机不会因发热而受损,提高了电机运行的可靠性。电机的冷却方式主要分为以下四类:空冷、氢冷、液冷、蒸发冷却。本文采用水冷对高速电励磁双凸极电机进行冷却,常用的水路结构有轴向Z字形水路和周向螺旋型水路,由于周向螺旋形水路局部阻力损失小,不会造成三相绕组温度不一致,因此采用轴向螺旋型,其结构如图11所示。

  

图11 周向螺旋形水路

  图11 周向螺旋形水路

  电机运行过程中产生的各种损耗最终都将转化为热能,使电机铁心、绕组以及周围附件的温度上升。电机内部温度分布不均匀,如过载运行时平均温升虽为允许值,但电机热点温度可能很高,导致局部绝缘老化、击穿而损坏电机。近年来,对电机经济技术指标的要求越来越高,设计电机时,需要更全面地了解内部的温度分布及变化情况,得到其热特性,以便合理选择绝缘材料以及、优化电机设计以提高电机使用寿命。

  ANSYS作为一个通用的多用途有限元分析软件,可以实现流体—热耦合仿真,通过软件内的热分析模块能很方便地对电机温度场进行分析,得到电机内部各点的温度变化情况。

  本文选用湍流k-e模型,设置入口为速度入口,出口为压力出口,图12为水路流速,进口到出口保持不变;图13为水路压降。在Static Thermal中通过Imported Load导入经Fluent计算得到的水路换热系数,分别对定转子及绕组加载热载荷,仿真得到电机整体温升,如图14-17所示。

  

图12 水路流速

  图12 水路流速

  

图13 水路压降

  图13 水路压降

  

图14  电机整体温度场

  图14 电机整体温度场

  

图15 定子温度场

  图15 定子温度场

  

图16 绕组温度场

  图16 绕组温度场

  

图17 转子温度场

  图17 转子温度场

  电机整体最高温度为359.22℃,出现在转子上,这是因为转子本身的铁损转造成转子温升,转子距离水路较远,无法得到有效冷却,因此选用的转子材料应具有耐高温特性或者对转子进行喷洒冷却,以降低电机内部温度,另外由于电机内主轴两端的不对性,导致转子左右两端温度不对称现象。定子和绕组靠近循环水路,所以温度较转子温度低,最高温在150℃左右,电机循环水冷起到了很好的冷却作用。

  5 结论

  本文在高速电励磁双凸极电机电磁设计的基础上,利用Static Structural对电机转子进行了静力学仿真,仿真结果用于转子材料的选择和转子齿形的优化。另外利用Fluent和Static Thermal对电机的水冷系统进行了验证,仿真得到电机的整体温升,用以改善电机的冷却设计,选择合适的电机材料。



版权所有:智造网 京ICP证100778号 京公网安备110102003025 虚假新闻举报电话:010-88379107