大型永磁同步电机内外双循环强化散热性能模拟

针对高铁大型永磁同步牵引电机转子区域散热困难、内部温升分布不均匀的问题,在机壳水冷电机结构基础上的定子铁芯外表面处增设轴向矩形风道,并结合气隙、转子减重孔形成内外双循环散热结构,探究降低定子、绕组部位温升和提升电机内部散热均匀性的影响规律.首先通过Ansoft Maxwell平台仿真得到双循环散热结构在额定工况下各部件损耗值,同时为了更好模拟转子旋转带动气隙中的空气流动,对气隙进行分层处理,采用流-固耦合的有限元分析法模拟研究单、双循环散热结构下电机内部空气流动特性以及温升规律.结果表明,内循环风冷结构使电机内部空气流速显著提高,表面平均换热系数也显著提升,转子区域的热量会随着空气的流动更多地传给温度相对较低的定子区域及机壳,同时减少热量向转子部位传递,从而使转子和永磁体的温升降低.在此基础上,采用正交分析法对矩形通风孔的截面积、数量、高宽比进行结构参数优化,并采用温升分布均匀性系数对电机进行温升评价,得到最优方案下电机最高温升相比单循环散热结构降低12.1K,电机整体温升分布均匀性提升16.54%.     

基于热网络模型和参数估计的感应电机定子绕组温升测试方法

对感应电机定子绕组进行直流温升测试,可以在避免转子温度干扰的条件下,有效分析和验证定子的散热能力。然而,定子绕组温升实验存在耗时长和难以获得绕组最高运行温度的问题,而利用热模型计算所得的绕组温升精度又较难保障。为此,提出一种基于热网络模型和参数估计的感应电机定子绕组温升测试方法。该方法通过热网络模型描述定子绕组温度的变化,再利用定子绕组温升实验的若干样本数据,结合参数估计原理,准确获得热网络模型参数,从而对定子绕组的整个温升过程进行有效估计。结果表明:在完成参数估计后,定子绕组热网络模型可准确获得不同电流条件下的定子绕组温升过程。因此,所提温升测试方法不仅可节约温升测试的实验时间,还可获得实验中无法测量得到的定子绕组最高运行温度,为电机定子绕组后续设计与改进提供一定依据。     

抽水蓄能发电电动机温度场计算及热应力分析

针对机组日常运行时仅通过监测固定点的温度来预防热应力的破坏,无法准确监测不同部位的温升,更无法确定热应力分布来判断因应力导致的破坏情况。以南方电网广州抽水蓄能电站的一台已投运机组为例,通过温度场分析和热-结构耦合场分析计算了其电机全域温升及转子结构的应力。研究结果确定了定子和转子的温度分布情况,以及实际运行时应重点监测温升的部位;评估了转子结构整体热应力分布,并确定了峰值应力位置,为检修计划的制定提供理论依据。     

改进型滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制策略

针对永磁同步电机(PMSM)实际运行时定子电阻和电感常发生随机变化的情况,提出了一种可进行永磁同步电机无传感器控制的定子电阻和电感在线辨识的改进型滑模观测器。为了削弱系统高频抖振,用近似饱和函数代替开关函数;基于Lyapunov稳定性理论,在保证观测器稳定性的同时,进行定子电阻和电感参数辨识,并将其反馈到观测器模型,实时修正观测器模型参数,从而提高估算精度;采用锁相环技术计算出转子位置和速度信息,将其反馈到电机控制系统。数值仿真结果表明,改进型滑模观测器能够快速、准确地跟踪转子位置,估算转子速度,且能辨识定子电阻和电感值并进行反馈,实现永磁同步电机无传感器控制。     

外转子轮毂电机电磁场-温度场的耦合求解分析

采用有限元法对额定功率为8.5,kW的外转子永磁同步轮毂电机进行了电磁场-温度场的耦合仿真计算,研究了电机的发热以及电机内温度场分布情况,并对电机槽绝缘厚度和定子轭高度对电机温度场变化的影响做了定量分析.结果表明:当电机槽绝缘厚度降低到0.20,mm、定子轭高度增加5,mm时,电机温升问题得到了很好的改善,符合绝缘条件的要求.     

集总参数热路结合温度场和流场的电机永磁体温升分析方法

烧结钕铁硼永磁体电导率高,永磁体内涡流有导致永磁体热失磁的风险,因而电机永磁体的温升分析非常重要。该文提出一种基于集总参数热路的永磁体温升分析方法,用有限元法分析定子温度场得到定子等效热路参数,用计算流体动力学方法分析定子开槽下的气隙热阻。应用该方法分析了一台30kW 4极电机的永磁体温度,与红外测温结果相比,在永磁体涡流损耗较大的脉宽调制(PWM)电压激励的情况下,永磁体与定子外圆温度差的计算值与实验测量值相差小于3.7%。采用该方法能较准确地根据电机定子外圆温度预测电机转子永磁体温度。     

中型高压异步电动机内风路流体计算与温升优化

为确定电动机内通风沟数量对电动机内风路流动及温升的影响,以一台YKK450-4,500 k W的中型高压异步电动机为例,依据样机的实际尺寸,对电动机内风路定转子区域和电动机定子绕组端部进行建模,得到其流场和流固耦合的物理实物模型.通过对定转子流体场计算分析,得到每一段通风沟转子支架入口处的流量和流速值,再对电动机定转子进行分段流固耦合温升计算分析,找到电动机温升最高的区域.按照数值计算得到的最热点位置,在样机中埋置温度传感器进行温升试验,将两者结果进行对比分析,验证物理模型的构建和解算办法选取的可行性.在电动机外壳尺寸不变的情况下,改变通风沟宽度,对内风路重新建立模型,探究不同个数的通风沟对电动机通风沟内流体流动及传热产生的影响,再分别计算出不同个数通风沟情况下的最热段温度情况.结果表明:当采用9个等宽的通风沟情况时,电动机通风沟中流体的流动速度最大,并且电动机的温升为104.9 K,较原来10个通风沟情况的最高温升116.1 K,降低了11.2 K.     

转子通风结构对永磁电机转子流体场和温度场的影响

为降低实心转子永磁电机转子温升,以一台全空冷315kW、6kV实心转子永磁电机为例,建立了该电机转子无通风沟的三维全域流体与固体耦合传热数学模型,给出了计算区域边界与假设条件,采用有限体积法求解三维流体与固体耦合传热数学方程组,得到了转子体的温度分布,与实验数据对比验证了计算方法的准确性.由于转子无通风结构,转子体的温度较高.为了降低转子温度,提出了在电机转子上开轴径向通风沟的多种结构方案,研究了转子径向通风沟数量与位置对转子内温度分布及空气运动的影响.结果表明:在转子上开轴径向通风沟能够有效降低转子温度,为实心转子永磁电机通风系统设计提供了理论依据.     

永磁电机自然散热及水冷系统分析

本文以一台110 kW永磁同步电机为研究对象,在有限元软件中计算了电机在额定工况下各部分的损耗,并求出对应的生热率.在有限元软件中计算了自然散热情况下电机的温升.在实验平台上进行电机的温升实验,将仿真与实验结果进行对比,证明有限元软件计算的准确性.在原电机模型基础上设置水冷结构,分析在有水冷情况下电机的散热情况.将自然散热和水冷散热进行对比,仿真结果表明水冷散热能够大幅降低电机稳定运行的温度,对今后研究降低大功率电机温升的方法提供经验和参考.     

一种全阶转子磁链观测器的仿真模型的建立

将一种全阶磁链观测器引用到异步电动机的直接转子磁场定向中,研究其运行时受电机参数变化的影响.借鉴频率响应法,对比常见的电流模型磁链观测器和电压模型磁链观测器,采用数据拟合的方法对电机参数变化下的磁链观测值进行拟合,得到其参数鲁棒性结论.仿真结果表明,应用该全阶磁链观测器可以克服电机转子电阻变化的影响,减小电机定子电阻变...     

基于MRAS的感应电机无速度传感器矢量控制

提出了一种基于模型参数自适应系统（MRAS）的感应电机转子速度估算方法,用电机状态方程构成全阶观测器观测定子电流和转子磁链,利用李雅普诺夫第二法推导出转速估算公式,并在理论上证明了系统的全局渐近稳定性．分析了定子电阻和转子电阻的变化对转速估算的影响,并对严重影响速度估算的定子电阻的变化进行了补偿,从而构成无速度传感器感应电机间接磁场定向控制系统．仿真结果表明,该系统在低速下具有较好的转矩转速特性以及良好的抗干扰性．     

模糊定子电阻辨识在直接转矩控制系统中的应用

直接转矩控制在低速运行时,电机定子电阻的变化影响了系统的低速性能.由于定子电阻的变化随端部绕组温度及其变化率的变化关系具有非线性、时变性等特点,难以建立精确的数学模型.本文介绍一种基于模糊控制理论的定子电阻辨识直接转矩控制交流电机调整系统,该方法结构简单.仿真结果表明,此方法能够精确辨识定子电阻,有效的改善了直接转矩控制系统的低速性能.     

大功率电力机车异步牵引电机的典型故障研究

通过分析相电流信号,对大功率电力机车异步牵引电机的两种典型故障——转子断条故障和定子绕组匝间短路故障进行故障诊断,建立电机故障情况下的有限元模型并进行仿真.结果表明,电机故障引起了三相电流不对称,基于故障后的三相电流,利用频谱分析法和对称分量法进行后处理运算,可以提取到明显的故障特征,能够有效的诊断转子断条故障和定子绕组匝间短路故障.实验所得结果与仿真及理论分析吻合,证明了故障模型的正确性,也验证了基于相电流信号的故障诊断方法的有效性.     

空冷水轮发电机定子冷却结构设计与分析

为改善空冷水轮发电机的通风冷却效果,研究了电机定子冷却结构的设计与性能分析方法。以一台250 MW空冷水轮发电机为例,考虑定子绕组换位、槽钢、槽楔形状和各通风沟间的相互影响等因素,构建了定子流固耦合的物理模型和数学模型;采用数值法计算了每根股线的损耗;基于流体传热理论和定子温升特点,通过改变电机内定子铁心和通风沟的结构尺寸,提出了3种定子冷却结构;对比不同结构下求解区域内流体场和温度场,给出了电机定子最优的冷却结构。最后,通过实验对建模的准确性和方法的可行性进行验证,结果表明,相比通风沟轴向长度,铁心段轴向长度对定子槽内绕组温升影响更大,合理调整电机定子通风沟和铁心段的数量和轴向长度,可有效降低槽内换位绕组的最高温度。     

用人工神经网络实现对感应电机转速的估计

为了准确估计电机的转速,提出了基于人工神经网络的转速估算方法。从感应电机的动态方程出发,推导出了转速的表达式,然后根据转速与定子电压、定子电流、转子磁链之间的非线性关系,建立了两种人工神经网络转速估计模型。仿真结果表明,这两种基于人工神经网络的转速估计模型可以准确跟踪电机转速的变化,即使转子电阻参数发生变化,这两种转速估计模型仍具有良好的性能     

地铁用电机传热特性数值模拟与实验研究

为研究电机的超温问题,以负载状态的地铁用电动机为例,考虑电机结构的不对称性,建立三维全域物理模型。采用ANSYS软件,旋转部件应用多重旋转坐标系,进行流动与传热耦合仿真计算,探究了额定状态下电机内流场和温度场分布特点,以及转速和环境温度对其流动、传热特性的影响。此外,采用预埋热敏电阻的方法对在额定工况运行的电机定子线圈进行测温,验证了数值模型的可靠性。数值分析结果表明:从纵截面来看,轴向中心平面偏非传动端侧约25mm处温度最高;从横截面来看,机箱底部与接线组支撑组件的夹角范围内温度最高,故全域模型比对称模型更合理。此外,随着电机转速增大,定子线圈最高温度近似线性升高,转速平均每升高1 000r/min,定子线圈最高温度升高6.2%,最高温升升高7.5%;随着工作环境温度升高,定子线圈最高温度近似线性升高,定子线圈最大温升也有小幅升高,环境温度平均每升高10℃,最高温度提高10.1%,最高温升提高2.3%。     

带转子电阻估计的感应电机无速度传感器控制

对于转子电阻未知的感应电机提出了一种可以估计转子电阻的转速估计方法.该方法假设定子电阻已知,用改进的电压模型估计转子磁链.然后根据感应电机的静止坐标系模型推出转速和转子电阻的表达式,在已知转子磁链的情况下,将这两个表达式看作一个二元一次方程组,解出转速和转子电阻的解析表达式,分析了这两个量的表达式的成立条件.提出了感应电机的无速度传感器控制方案.仿真研究表明,本文提出的方法能准确地估计感应电机的转速和转子电阻.     

基于无功功率模型的异步电机矢量控制系统转子时间常数辨识

针对异步电机矢量控制系统受电机参数变化影响大的问题,采用模型参考自适应系统(MRAS)在线辨识电机转子时间常数.为了增强辨识方法对定子电阻的鲁棒性,提高辨识精度,根据转子磁链模型构造无功功率模型建立MRAS,采用Popov超稳定性理论设计自适应规律,得到基于无功功率模型的转子时间常数辨识方法,抑制定子电阻变化对辨识精度的影响,将该转子时间常数辨识方法应用于异步电机矢量控制系统.仿真结果证明:MRAS有效地提高了矢量控制系统性能,转子磁链轨迹趋于圆形,电流谐波分量明显减少;转子磁链观测误差明显降低,其平均绝对误差相对值为2.87%;转矩脉动大大降低,其平均绝对误差相对值为2.09%.     

十二相高速异步发电机转子损耗

为了分析采用鼠笼实心转子特殊结构的十二相带整流负载高速异步发电机转子发热情况,需要准确求得电机转子中产生的损耗。采用有限元软件AN SY S对电机进行了二维谐波场及瞬态场的计算,将转子损耗分为定子基波电流产生的基波磁场引起的损耗、定子基波电流产生的齿谐波磁场引起的损耗和齿谐波磁导变化引起的损耗等3部分。仿真计算结果表明:基波磁场损耗较小,47、49次齿谐波磁场损耗较大,而齿谐波磁导变化引起的损耗最大。因此,在高速实心转子异步电机中,齿谐波磁场和齿谐波磁导变化在转子引起的损耗占转子损耗的主要部分。     

1000 MW级轴向氢冷汽轮发电机定子铁心通风系统

对采用轴向通风冷却系统的1000MW级汽轮发电机定子铁心的通风和发热进行了研究。对定子铁心，根据节点单元等效热阻网络法的要求，建立了定子铁心中典型的矩形单元、扇形单元、通风孔单元和齿顶单元模型，给出了这些单元等效热阻的计算方法，建立了各单元热平衡方程组。以一台930MW的水氢氢汽轮发电机为例，计算出了其定子铁心通风孔单元的通风和气体温升，以及每个铁心单元的温升，试验验证了这种方法的正确性。