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空心电机励磁绕组电感计算

2021-02-10 来源:独旅网
槭持电棚 2011年第4期 空心电机励磁绕组电感计算 邢金 ,张国平 (1.河北工业大学,天津300130;2.华中科技大学,湖北武汉430074) 摘要:空心电机是一种特殊的同步发电机,它利用磁通压缩的原理,减小电枢电感,从而使电机在脉冲工作的 条件下,瞬时输出功率和短路电流达到最大。该电机绕组采用同心式无槽结构,粘贴在定转子上,计算电感时通过 简化可将绕组等效为一个个矩形。采用解析的方法推导出平行矩形和相互垂直矩形之间的互感,再利用叠加的方 法计算出绕组的电感。最后利用有限元软件Ansys进行仿真计算,比较计算结果。 关键词:空心电机;电感;矩形线圈 中图分类号:TM341 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2011)04-0029-04 Magnetic Field Calculation of an Air-Core Compulsator XING Jin .ZHANG Guo-ping (1.Hebei University of Technology,Tianjin 300 1 30,China; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:Air-core machine is a special synchronous generator,which uses the principle of magnetic flux compression to reduce the inductance of armature,SO that the instantaneous power output and short—circuit current can get the maximunl under the condition of electrical pulse working.The winding pasted in the rotor adopted concentric non-trough structure,and the inductance was calculated through the simpliicatifon,making the winding equivalent to many rectangles.In the paper,an— alytical method was used to derive mutual inductance between parallel rectangles and the vertical rectangles and then the method was emploved to calculate the whole winding inductors.Finally,finite element simulation was carried out using the software Ansys,and the results were compared. Key words:air—core machine;induction;rectangle coils 0引 言 近几十年内,随着新型材料、脉冲功率技术、加 速器、激光等科学技术研究的不断深入,许多传统设 备技术受到了挑战…,而空心电机在这一背景下提 出并进行研究设计。空心电机与传统电机的不同之 处在于,空心电机的定转子材料为非铁磁材料,一般 的发展l卜 。 电感是空心电机的重要参数之一,直接关系到 输出脉冲功率的大小,对电机设计具有重要的意义。 由于该电机定转子均为非铁磁材料,不能采用常规 铁心电机的方法计算各绕组电感。本文利用平行直 线之间的互感公式,推导出矩形线圈之间的互感公 式,再利用线性叠加的原理计算出各励磁绕组自感 和互感大小。最后,运用有限元方法进行Ansys仿 为复合材料。由于复合材料的强度大,电机转速可 以设计到很大,从而可以提高电机储能密度和功率 密度。 空心电机主要应用于脉冲功率技术,它是一种 特殊的同步发电机,由于定转子采用非铁磁材料,各 绕组电感很小,再利用磁通压缩的原理减小电枢电 感,使电机瞬时输出功率和短路电流达到最大。较 真计算电感参数,验证计算的准确性和可行性。 1平行矩形互感推导 一对平行直线AB和CD, 其坐标和相对位置如图1所 空 心 ‘ 之传统的脉冲电源系统,它具有能量存储密度和功 互感 烹们之间的距离为 ,其图1 。 : 率密度高,稳定性和可靠性高等优点[2-3]。国外制 作成功的空心电机有小El径炮发射用补偿电机 』、 加农炮口径电磁炮用补偿电机 、缩尺模型用补偿 电机。。 等。在过去的几十年里,空心电机有着很大 一电 机 平行直线及其坐标 励 磁 ln( +  + + )+61n(6+舸+ + )一 耄 )一 葬 一 ] 算 (1) 收稿日期:2009—06—16 式中: 6 ■ 设计分斩 ……c, 奄铆 》 , 参 …一……~………………-……………………………… 触持电棚 2011年第4期 计算同轴线,且各边对应平行的矩形线圈之间 的互感可以等效为各边之间互感之和来计算。 如图2所示,矩形ABCD平行于 。。B C D ,且AB --a ,A。。B:口2,BC=b ,B 。C=62。两矩形之间的距离 图2平行矩形及其相对位置 为f。参考式(1)可得,4B与 日 之间的互感: : { n[ n卜 n[ 】+ (2) [_ √c ( ) 卟 n卜 +2 卜 2 ) 卜 n[ 十 ] 一 同理,根据式(1)可得其它直线之间的互感,设 AB与C D 之间的互感 ,BC与B C 之间的互感为 = nM,,曰c与A D 之间的互感为 。各表达式如下: [ 、 可 +2】+ a1-,n[_ + a1+ n[_ + 卜 2 /(_2——bl+b2t 2+12)  ̄b1+b2 n= ifb丁I+b= ,n[ b1-b2 丁2  ̄p- ̄= n[- + 卜 -n[ + /、/a'2-a2/,2+( ) 】+ 一丁卜 ] [_ + /( al-a 2/2+ (bl+b2]2 12 - + Ib丁l+b2 n[ + +1z) n(4) bl b22 ・n[- + 卜 n[ + √( ) +( ) ]+ 一丁] [- + /、(a,2+a2/,2+、b 2+b2I, +f2卜 b ̄+b2  ̄2 /( a,+az l 2+ (bI+bz/2+/2+2 C。D 的互感为坞一 。同理可得CD ) (9) 'V ̄2 I 两线圈之间的总互感为每根直线与相对线圈互 感之和。根据图2,两线圈的电流参考方向均为顺 时针方向,则AB与矩形A B c D‘的互感为 ~M , BC与矩形 空 心 a1-- a2]2 +(bl +bz ̄一2 lz (10) 与矩形A B c D 的互感为 一M ,AD与矩形A B c D的互感为 一 。 由此,可得相互平行且共轴的矩形之间的互感为: 电 机 励 磁 绕 组 电 综合矩形ABDC各边与矩形 日c D的互感, 则该两矩形之间的总互感: M:2( ,一肘2+ 3一M4) (6) M= [Z叮『 Z  \・n(  l。a——i +a2+2v al+a2 ..2w 2—2v a1+a2 +2w a一I-a2 n( bt+b2 ・ a 1+ +2 2 ,V )+ a 感 计  算 令:'k /(a'2+a2]1+(2b,2+b2/1+212 (7)(8) 丁一nl+ 2+ /)一  ( 暑 b b 2wb1-b2 一 n. 一 2+ /)一  ( 薯 lb b 2v…一…微持电棚 2011年第4期 ●…………-一一………●…●一一……………_一一……………●一…………● ………一一...。 ! … 4( 一W 一W+ )] (11) 2轴线垂直且相交的矩形之间的互感 如图3所示,矩形ABCD垂直于 。。B C D ,它们 的轴线相交于G点,H.AB=0 ,A B =a , c=b , B C =6:。点G到矩形ABDC的距离为z… G到矩 形A B C D 的距离为 。。 图3相互垂直矩形及其位置 参考式(1)可得,AD与B C 之间的互感: /—( { n[ +  ̄bI-b2 2+(bl+—b2/2+ 2卜 丁n[ + [_ [_ + 、 + 】+ bI-b2 丁2nb1 +b2 n.,+2 . 同理可得BC与B C 之间的互感为M ,AD与 4: A D 之间的互感为 ,BC与A D 之间的互感为眠。 号 (21) 电流参考方向如图3所示,同计算平行矩形互 感,可得两绕组之间的总互感: M=一M1+ 2+ 3一^ 令: W1 则轴线相互垂直相交的矩形之间的总互感: (13) = [ n( b1 4-b2—2w3 bl+b2+2v3 × 1-4-b2-4-2w3 bl+b2—2v3 一bl 4-b2 4-2w1 b1+b2 2 l bl 4-b2—2w1 b1+b2 +2t’1 (14) W2 bI-b2 丁(15) 2 …\(  . b2+2w4 bl—b2—2v4 n—b2—2w4 bl—b2 4-2v4 × b1一b2+2w2 b1一b2 2 . b1一b2—2w2 b1一b2 +2v 2(V1一V2一 3 4- 4一W1 +W2+W3一W4)] (22) (16) 3空心电机各绕组电感计算 W4 该电机极对数为2,励磁绕组为同心式结构,则 (17) l= 每极下励磁绕组所占机械角度为90。,相邻两极下 的绕组相互垂直。一极下励磁绕组展开图如图4a 所示,计算电感时,可将其等效为图4b所示的线圈。 (18) (19) (a)励磁绕组 (b)励磁绕组等效图 空 心 电 机 励 磁 绕 组 电 感 计 算 图4励磁绕组展开图及其等效图 (20) 参考文献[9],可知矩形线圈的自感公式: 一 {畈持电棚 2011年第4期 = 1T L a d+  b d+  +bin +2(d~a_6)]J (23) 用Ansys仿真计算时,没有考虑绕组端部的作 用。该电机绕组端部比较长,计算电感时应考虑端 部。通过估算取端部绕组电感相对直线部分等效系 数为0.2,由此可计算出,每极励磁绕组的自感为 1.305 4 mH,相邻极下励磁绕组的互感为0.240 4 mH,相对极下励磁绕组的互感为53.02 H,则励磁 式中:a、b为矩形绕组的边长;d为矩形绕组的对角 线长。 根据式(11)可推导出一极下所有矩形线圈之 间的互感,根据式(23)可得一极下每个矩形线圈的 自感。计算一极下励磁绕组自感时,先计算出每根 矩形线圈的自感以及该线圈与其它线圈的互感之 和,再将它们相加,可得一极下励磁绕组自感参数。 计算相邻极下励磁绕组的互感时,根据式(22),推 导出所有矩形线圈之间的互感,再进行叠加计算。 该电机转子半径为0.25 In,长为1 In;每极励磁 绕组匝数为40匝,每匝线圈的导体厚度为4 mIn,宽 度为4 film,所有线圈紧密分布在转子表面,再用绑 带固定。根据以上计算互感公式和自感公式,进行 编程叠加计算,可得一极下绕组的自感以及不同极 下绕组的互感。 计算可得,每极励磁绕组的自感为1.198 1 mH,相邻极下励磁绕组的互感为0.261 4 mH,相对 极下励磁绕组的互感为56.134 IxH。该电机四极下 励磁绕组串联,总自感为6.659 InH。 4仿真计算 利用Ansys有限元分析方法进行仿真计算,在 前处理模板中建立物理模型并进行网格划分,然后 加载,模型如图5所示。 图5划分网格后模型 在励磁绕组中加电流密度,利用Ansys的Lmar- tix宏命令进行电感计算,可得电感参数。 I J INDUC 空 心 1. 1.0.108 78E一02 电 机 1. 2.0.186 70E一03 励 1. 3. 一O.441 83E一04 磁 绕 1.4.0.186 70E一03 组 电 2. 2.0.108 78E一02 感 2. 3. 0.186 70E一03 计 算 2.4. 一0.441 83E一04 3. 3.0.108 78E一02 3. 4. 0.186 70E一03 ■ 4. 4. 0.1O8 78E-02 绕组总自感为6.931 mH。 5结果分析 用两种方法计算的电感参数及其相对误差如表 1所示。 表1 电感参数及其相对误差 等效矩形法 仿真计算 相对误差 每极绕组的自感 1.198 mH 1.3O5mH 8.93% 相邻极下的互感 261.4 uH 240.4 txH 8.03% 相对极下的互感 56.13 LLH 53.O2 LLH 5.54% 励磁绕组总自感 6.659 mH 6.93l mH 4.08% 通过表1的比较结果可得,采用等效矩形法和 仿真计算所得各电感参数相对误差基本都在10% 以内,励磁绕组串联时的总自感相对误差在5%以 内。因此,通过将绕组等效矩形,计算出的各电感参 数满足工程设计要求。 参考文献 [1]陆佳政.被动补偿脉冲发电机研究[M].武汉:华中理工大学 电力工程系,1995. 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