开关磁阻电机设计与优化

本课题主要研究内容
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
• • • （1）介绍了本课题研究的目的；电动执行机构的特点以及国 内外现状；开关磁阻电机的发展现状与研究概况；分析开关磁 阻电机应用于阀门电动执行机构的优势等。 （2）以三相12/8结构为例分析开关磁阻基本结构和工作原理， 通过讲述基本数学模型和分段线性解析，分析开关磁阻电机的 运行规律和特性。 （3）介绍开关磁阻电机电磁设计过程，给出电机参数选择原 则和方法，介绍一种基于Ansoft软件的电机设计流程，根据设计 流程、数学模型及参数选取办法设计了一台样机。进行了等效 电路等效磁路的分析以及有限元分析，研究电机静态特性。 （4）对所设计的样机进行优化设计，包括参数优化和结构优 化。研究了开关磁阻电机的不同相数、不同绕组方式的区别， 使用Maxwell 2D的基于遗传算法的参数化方式，以增加电机启 动转矩、减小转矩波动为目标，对各个参数进行分析，选取最 优参数。并且就电机定转子齿形进行结构优化，使得增加性能 的同时更加符合工艺要求。 （5）对优化后的电机进行动态有限元仿真，分别对启动状态 和1500rmp准额定状态（额定状态一般为恒转矩区向恒功率区变 化的拐点，1500rmp准额定状态指的是阀门额定工作时转速所对 应的电机状态）的电流、转矩、磁链波形进行分析。并且将以 上设计的电机加工为样机后进行试验，查看电机性能。
谢谢！
敬请各位老师批评指正！
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
不同位置角磁密分布
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
磁路的区别
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电动阀门用开关磁阻电机设计与优 毕业答辩
作者姓名： 专业名称：电气工程
论文大纲
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
• • • • • •
第一部分: 绪论 第二部分：开关磁阻电机理论分析 第三部分：开关磁阻电机电磁设计 第四部分：开关磁阻电机优化设计 第五部分：样机性能与试验 第六部分：总结与结构
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
1、油封 2、前端盖 3、轴承 4、转子 5、机座 6、轴承 7、波型垫圈 8、连接端盖 9、位置检测器 10、后端盖 11、定子
开关磁阻电机的工作原理
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
单相导通
单双相导通
转子外径优化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
转子极弧优化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
定子极弧优化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
结构优化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电压方程： 磁链方程： 机械方程：
di dL( ) U Ri L( ) i dt dt
d
Us
d 2 d Te J 2 D TL dt dt
r
d
转矩方程：
1 2 L T i 2
开关磁阻电机机械特性
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
50DW470损耗曲线
电机磁路参数
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
输入母线电流/A 输出功率/W 一相电流有效值/A 转速/ rpm 5倍电流起动转矩 /N.m 定子极磁密/T 11.9 2989 9.3 1498 155 1.2 输入直流电压/V 效率 电流密度/ A/mm2 转矩/ N.m 最大起动电流/A 定子轭磁密/T 280 89.2% 6.1 19.1 75 0.72
定子极弧
每极匝数/匝 绕组线径/mm 铁芯叠厚/mm
0.5
58 0.8 135
转子极弧
每相并联支路数 并绕根数 冲片叠压系数
0.35
1 3 0.97
硅钢片材料磁化曲线
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
50DW470磁化曲线
硅钢片材料损耗曲线
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
S1
A1 C2 B2 2 A2 1 4＇ 3＇ 4 2＇ 1＇ B2 A2 B1 C1
VD1
E
3
VD2
C1 B1
C2 A1
S2
三相 12/8 极开关磁阻电机系统的基本构成
图中S1、S2为电子开关，VD1、VD2为续流二极管，E为直流电源
开关磁阻电机的数学模型
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
基本尺寸公式
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
6.1 ki Pem Dl B A km n
2 a ef
lef Da
Da Ds 0.4 0.7
N ph 3.04N rU C n B Da lef
设计流程
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
转子极磁密/T
最大磁链/ Wb
1.1
0.91
转子轭磁密/T
最大输出功率/W
0.54
6832
开关磁阻电机特性曲线
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
磁链特性
气隙电感特性
开关磁阻电机特性曲线
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
机械特性曲线
不同位置角磁链分布
T
恒转矩区 CCC方式 恒功率区 APC方式 串励特性区 1 θ τr c=2
T = const
T ωr= const T ω2 r= const
ο
ωb
ωsc
ωr
开关磁阻电机设计指标
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电机型式：封闭型开关磁阻电机； 额定功率：3KW； 力能指标：效率≧85%； 额定转矩：19N.m； 额定电压：280V（直流）； 冷却方式：IC410自然冷却； 启动性能指标：5倍（B型）。 防护等级：IP54； 绝缘等级：F级； 使用机座号：Y112系列
输出转矩
相电流
相电感
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
输出转矩
相电流
相电感
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
定子
转子
控制器
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
实验平台
进 一步展望
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化 1、完成样机有关实验，通过对样机实验结果分析， 进一步优化电机最终尺寸，尽可能的减小电机体积、 提高性能、增加启动转矩并减小启动电流等。 2、改善优化方法，不仅仅是文中定量的去分析和 优化各个参数，还要寻求参数间的最优配合，减小材 料消耗和能量损失。 3、研究开关磁阻电机无位置传感器技术，可以有 效减小电机体积，提高电机的可靠性。研究方向一是 通过电机内部参数间接获得转子位置，如绕组电感、 磁链的测量等；二是借助电机外部连接检测，配合有 效的控制方式来完成，如结合电动阀门行程控制器获 得转子位置的检测等。
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
极靴优化
磁密分布情况
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
三相12/8极开关磁阻电机结构
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
开关磁阻电机电磁设计
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
1、设计原则 本设计主要性能指标是参考“GBT 24923-2010普通型阀门 电动装置技术条件”和“JB 2195-1998-T YDF2系列阀门电动 装置用三相异步电动机技术条件”。 2、运行条件 (1)海拔不超过1000m。 (2)环境空气最低温度为-20℃；环境空气最高温度随季节而变 化，但不超过40℃。 (3)最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温 度低于25℃。 3、基本型式 (1)电动机的外壳防护等级为IP54(GB/T4942.1)。 (2) 电动机的冷却方式为IC410(GB/T993)。 (3)电动机的结构及安装形式为IMB5 和 IMV1(GB/T997)。 4、工作制与定额 电动机的定额是以短时工作制(S2—10min) 为基准的短时定额。
优化设计
参数设计原则与基本性能 优化设计 冲片材料、结 构、尺寸及绕 组选取 RMxprt 电 路 与 磁路等效计算 Maxwell 2D 有限元分析 性能 核算
设计 指标
结构 电机 设计 参数
动态仿真、控制优化
电机的主要尺寸
电 动 阀 门 用 开 关 磁 阻 电 机 设 计 与 优 化
定子外径/mm 定子内径/mm 定子轭高/mm 175 110.7 12 转子外径/mm 转子内径/mm 转子轭高/mm 110 38 16