電機設計青年 

仿真xiu專欄作者

電勵磁凸極同步電機即可作為電動機運行，也可作為發電機運行，其應用場合非常廣泛。在定子鐵芯上嵌放有三相電樞繞組，可使用扁導線也可使用圓導線，轉子鐵芯采用凸極結構，每個磁極上放置有勵磁繞組，與內置式永磁同步電機不同，電勵磁凸極同步電機的D軸磁路磁導率大于Q軸磁路磁導率，使得其D軸電感大于Q電感。本文采用RMxprt模塊，詳細說明其設計過程，如有不當歡迎批評指正。

主要參數舊式設計方法

1、電機主要性能參數如表1.1所示；

2、定子結構參數如表1.2所示；

3、定子電樞繞組參數表1.3所示；

4、轉子結構參數表1.4所示；

5、轉子阻尼槽參數表1.5所示，也是設計為雙鼠籠槽或半槽結構；

6、轉子勵磁繞組參數表1.6所示；

設計流程

對于大多電機類型，RMxprt有相同的設計流程，如圖2.1所示；

圖2.1 設計流程樹

1、Machine參數

• 摩擦損耗、風阻損耗與電機轉速的平方成正比，需要輸入參考轉速下的數值；

圖2.2 Machine參數

2、Stator參數

• 參數Lamination Sectors為定子沖片的分瓣數，對于大型電機，一個定子沖片可由數瓣扇形的沖片組合而成；

圖2.3 Stator參數

• 對于電樞槽型，軟件支持自動設計和平行齒結構；

圖2.4 Stator Slot參數

• 電樞繞組采用雙層、全級式繞組形式；

圖2.5 Stator Winding參數1

圖2.6 Stator Winding參數2

3、Rotor參數

圖2.7 Rotor參數1

• 凸極轉子鐵芯的拓撲結構如圖2.8所示，可構成均勻氣隙和非均勻氣隙結構；

圖2.8 Rotor磁極拓撲結構

• Second Air Gap：第二氣隙長度（極身與轉子軛之間的長度）；

• Pole Shoe Width：極靴寬度；

• Pole Shoe Height：極靴高度；

• Pole Body Width：極身寬度；

• Pole Body Height：極身高度；

• Pole Arc Offset：極弧中心與轉子中心的偏心距；

• Second Pole Arc：第二極弧，選擇磁極表面是否包括半個磁極范圍內的兩段圓弧。當選擇該項后，將增加Off2_x 和Off2_y兩個選項；

• Off2_x：第二極弧x方向的偏心坐標，只有當Second Pole Arc 被選擇是可用；
• Off2_y：第二極弧y方向的偏心坐標，只有當Second Pole Arc 被選擇是可用；
• Magnetic Press Board：選擇壓板是否是由磁性材料構成；

• Press Board Thickness：壓板厚度；

圖2.9 Rotor參數2

• Shoe Insulation：極靴之下的絕緣材料厚度；
• Pole Insulation：極身側面的絕緣材料厚度；

• Winding Clearance：繞組間隙；

圖2.10 勵磁繞組示意圖

圖2.11 Rotor參數3

• 轉子勵磁繞組和阻尼繞組的拓撲結構圖2.12所示；

圖2.12 轉子勵磁繞組和阻尼繞組拓撲結構

• Winding Type：轉子繞組型式；
• Parallel Branches：轉子繞組的并聯支路數；
• Conductors per Pole：每磁極導體數，輸入0，RMxprt會自動設計；
• Number of Strands：并繞根數，輸入0，RMxprt會自動設計；
• Wire Wrap：導線漆膜厚度，輸入0后能從導線庫中自動獲得；
• Interturn Insulation：繞組的匝間絕緣厚度。當選擇繞組型式為Edgewise時可用；
• Wire Size：電樞繞組的線徑，0表示自動設計；
• Axial Clearance：磁極繞組與磁極間的軸向間隙；
• Limited Cross Width：繞組設計時的限制交叉寬度，輸入0則為可用的最大值；
• Limited Cross Height：繞組設計時的限制交叉高度，輸入0則為可用的最大值；

• Winding Fillet：繞組彎曲部分的倒角；

圖2.13 Rotor Winding參數

• 轉子阻尼端環采用類型3，用一個導電圓環把所有磁極下的導條都連接起來；

圖2.14 Rotor Damper參數

• 參數Hs01決定阻尼槽是否為開口槽；

圖2.15 Rotor Damper Slot參數

4、Shaft參數

• 采用非導磁軸；

圖2.16 Shaft參數

5、求解參數

• Operation Type：在下拉菜單中選擇運行方式：Motor or Generator；
• Load Type：從下拉列表中選擇負載類型；
• Rated Apparent Power：對于發電機，為電機輸出的電功率；
• Rated Output Power：對于電動機，為電機轉軸輸出的機械功率；
• Rated Voltage：電機線電壓有效值；
• Rated Speed：在電動機負載端的理想輸出轉速；

• Operating Temperature：電機運行時的工作溫度，工作溫度會影響繞線的電阻，進而影響電阻損耗；

圖2.17 Setup參數1

輸出數據

• Solution Data中包含了電機的設計參數以及性能參數，也可查看電機的性能曲線；

圖3.1 Solution Data-Performance

圖3.2 Solution Data-Design Sheet

圖3.3 Solution Data-Curves

有限元電機模型

• 一鍵有限元，自動完成以下操作：模型建立、材料賦予、運動設置、邊界條件、電樞繞組分相及激勵設置、勵磁繞組激勵設置、端環設置、網格設置、求解器設置、報告創建；

圖4.1 Maxwell 2D有限元電磁模型