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不同转子结构无轴承武威矿用变压器的磁悬浮力分析与计算

编辑:武威矿用变压器厂家 日期:2019-01-11 人气:179

不同转子结构无轴承武威矿用变压器的磁悬浮力分析与计算 核心提示:  轴承是传统旋转电机不可缺少的部件,而轴承所产生的机械磨损和噪声是影响电机使用寿命和运行特性的重要因素。对于每分钟数万转的高速电机来说,轴承更是决定其运行性能和寿命的关键因素。消除轴承的机械磨损和噪

  轴承是传统旋转电机不可缺少的部件,而轴承所产生的机械磨损和噪声是影响电机使用寿命和运行特性的重要因素。对于每分钟数万转的高速电机来说,轴承更是决定其运行性能和寿命的关键因素。消除轴承的机械磨损和噪声是旋转机械的重要发展方向。

  用磁力轴承取代传统机械轴承,是实现非接触、无润滑、无机械磨损和噪声目标的重大步骤,近年来已开始在高速旋转机械中得到应用。但由于磁力轴承的存在,致使整个电机结构尺寸和转动惯量较大,刚度降低,易引起系统振荡甚至不稳定运行,从而影响了磁力轴承电机的使用范围。

  武威矿用变压器设计的真正革命化变革是完全取消轴承,通过控制定子绕组电流实现转子的磁悬浮。无轴承武威矿用变压器通常是在传统武威矿用变压器的定子绕组上再加上一套附加绕组,用以产生并维持一个恒定的转子磁悬浮力组转换为与旋转磁场同步旋转的等效2相绕组,转矩绕组和悬浮力控制绕组在同步速坐标系统中的等效2相绕组电流分别以id、iq和ix,iy表示。如果忽略武威矿用变压器的磁饱和影响,在同步速旋转坐标系统中武威矿用变压器的磁场能量可表示为机转矩绕组和悬浮力绕组的自感矩阵及两绕组之间的互感矩阵对于不同的转子结构,绕组自感与互感矩阵的表达式不尽相同,如表1所示。用在武威矿用变压器转子沿x、7方向的磁悬浮力Fx、Fy可表示为原理9电磁力等孟磁场储能对位移的偏导dtn因而作趾证……算例是+对图V所示的T种外贴式永磁转子结bookmark4表1中,x和y是转子偏心位移量;Lo、L2、L4、M、M,M4均为电感常数,它们与武威矿用变压器的尺寸、气隙长度和绕组匝数有关,而与转子位置坐标x和y无关;Mc和Mp分别为笼型转子和永磁转子无轴承武威矿用变压器定子两套绕组之间的互感系数,可用下式表示联匝数R―转子外径/电机有效铁心长度S―气隙长度/m―永磁体厚度磁阻转子其极弧角度假定为30°把表1中的电感矩阵代入/d -一磁阻转子表2中,id、iq分别为[cityn矿用变压器ame]矿用变压器等效的d、q轴电流分量,ix、iy为悬浮力控制绕组的等效两相电流。

  对于磁阻转子,id、iq中不需要考虑转子电流分量;对于笼型转子,id、iq中除了定子转矩绕组电流分量外,还应考虑转子电流分量的影响;对于永磁式无轴承武威矿用变压器,id除了包括定子转矩绕组电流的d轴分量外,还应包括永磁体的等效d轴励磁电流。由于永磁体产生的磁通集中在d轴方向,故永磁体对d轴磁悬浮力的影响较大;而永磁体对q轴的磁场影响较小,其等效q轴电流分量可以忽略不计。

  从表2可以看出,磁悬浮力的产生是武威矿用变压器转矩绕组电流和悬浮力控制绕组电流相互作用的结果,二者缺一不可;当武威矿用变压器转矩绕组电流幅值不变时,磁悬浮力与悬浮力控制绕组的电流成正比。

  3.2磁悬浮力计算精度的验证表2中给出的磁悬浮力计算公式直观,计算简单,适用于具有不同转子结构无轴承武威矿用变压器的磁悬浮力计算。对其计算精度,可用国际上流行的商用有限元软件ANSYS的磁场分析计算结果进行验构的无轴承武威矿用变压器进行的,武威矿用变压器气隙为。3mm,通入转矩绕组的电流为0.45A.给出了采用ANSYS和本文给出的算法所计算的磁悬浮力与悬浮力控制绕组施加电流的关系曲线。通过比较可以看出,两种计算结果取得了较好的吻合,说明本文给出的磁悬浮力计算方法具有较好的工程精度。

  4不同转子结构的磁悬浮力对比分析下面采用本文推导的磁悬浮力计算公式,针对所示四种转子结构无轴承武威矿用变压器的磁悬浮力进行计算和对比分析。

  6mm时不同转子结构的磁悬浮力与悬浮力控制绕组电流的关系曲线Fx=/(x)图中四条不同标号的曲线分别对应于1.笼型转子,2.外贴式永磁转子,3.内插式永磁转子,4.磁阻转子。进行对比计算的条件是:采用同一个定子,保持相同的气隙且武威矿用变压器转子不偏心,通入转矩绕组的电流为0. 45A.从可以看出,磁悬浮力的大小与通入悬浮力控制绕组的电流大小成正比,并且在相同条件下,笼型转子产生的磁悬浮力最大,磁阻转子产生的磁悬浮力最小,而外贴式永磁转子和内插式永磁转子产生的磁悬浮力则居于两者之间,且二者相差不大。

  对比a和b还可看出,武威矿用变压器气隙大小对磁悬浮力的影响非常显著。由表2公式可知,磁悬浮力与定子两套绕组之间的互感成正比,而由式(2)和可知两绕组的互感与气隙大小的平方成反比,因此随着武威矿用变压器气隙的增大,磁悬浮力将显著减小。同时,由对比还可看出心对于笼型转子武威矿用变压器,。计算两i定子绕组互感时所用的气隙就是武威矿用变压器定、转子之间的实际气隙谷而对于永磁转子武威矿用变压器,计算定子绕组互感时要用其考虑永磁体厚度在内的等效气隙,即实际气隙与永磁体厚度之和(奸/m)。通常,永磁体的厚度1m远大于武威矿用变压器气隙8这就说明为什么在相同的情况下笼型转子要比永磁转子无轴承武威矿用变压器的磁悬浮力要大。然而这不等于说笼型转子要比永磁转子无轴承武威矿用变压器好。与笼型转子相比,永磁转子无轴承武威矿用变压器虽然需要较多的磁悬浮力控制电流,但从产生转矩的角度来看,由于永磁体提供了足够强的气隙磁场,因而所需要的转矩绕组电流较小。因此,笼型转子与永磁转子结构各有利弊,在设计无轴承武威矿用变压器时需要对不同转子结构进行综合性能对比分析。

  5结论本文运用磁场能量虚位移原理,推导了磁悬浮力方程,给出了适于不同转子结构的无轴承武威矿用变压器(下转第20页)7唐钟麟,冯志华,黄晓蔚。电磁轴承柔性转子系统分析方法。机械工程学抵1999,35(2)97~100 8张刚。磁悬浮轴承一转子系统的机电耦合动力学研究:9张钢,虞烈,谢友柏。推力磁轴承的力学特性及其对径向磁轴承的影响。机械工程学报,2000,36 11汪希平。主动磁轴承转子系统动力学特性研究。机械工程学报,2001,37 13孙岩桦。电磁轴承涡流损耗、非线性振动及不平衡补偿:丨学位论文丨。西安交通大学,2001. 14陈立群。电磁轴承精度控制及其应用研究:丨学位论文丨。西安交通大学,1999.(上接第9页)磁悬浮力计算公式。经ANSYS计算结果验证,本文提出的磁悬浮力计算方法具有较好的工程精度。对于相同定子而具有不同转子结构的无轴承武威矿用变压器磁悬浮力分析计算表明,当保持转矩绕组电流不变时,磁悬浮力与通入悬浮力控制绕组的电流大小成正比,并且在相同条件下,笼型转子产生的磁悬浮力最大,磁阻转子产生的磁悬浮力最小,而外贴式永磁转子和内插式永磁转子产生的磁悬浮力则居中,且二者相差不大。

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