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特种车辆同步电动机工程设计

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摘要:现今随着科学技术突飞猛进的发展,特种车辆的实际应用范围也变得更加广阔,但是特种车辆在实际工作过程中的工作能力以及表现出的专业功能主要受到车辆中永磁同步电动机的影响。永磁同步电动机具有很多优点,如电机的体积较小,质量相对轻便,运行中可靠性比较高,这些优点能有效提升特种车辆在实际使用过程中的性能。永磁同步电动机具有如此高性能的有点与其自身的设计是分不开的。

关键词:特种车辆;永磁同步;电动机;工程设计

引言

特种车辆具体指的是具有专用使用功能以及车辆中具有专业使用设备的车辆,这种车辆与普通的车辆具有明显的区别,在实际应用具有专项的操作能力。进些年来,随着我国综合国力的不断提升,经济的快速发展,特种车辆的类型和数量也在不断的增加。虽然我国在特种车辆方面已经取得了很大的进步,但是发达国家相比,特种车辆的研制还存在较大的差异[1]。特别是在建筑业、采矿业等诸多行业中,对特种车辆的实际需求也在不断的增加,在这样的情形下,我们更有必要设计出高水平的特种车辆。特种车辆的研制过程中永磁同步电动机发挥着举重轻足的作用。下面我们详细分析一下特种车辆永磁同步电动机的工程设计。

1特种车辆永磁同步电动机工程设计要求

通常情况下,军事领域中特种车辆永磁同步电动机的实际工作温度会非常高,在这样的境况中工作,因此这对永磁同步电动机性能也提出更高的要求[2]。而是石油工业领域中应用的特种车辆,其永磁同步电动机的工作温度也相比其他工作环境温度比较低,这种境况中工作的永磁同步电动机一般要采用钕铁硼永磁体,这种永磁体的价格相对比较低,工作时要求的工作温度也比较低,同时又具有优异的磁性能,制造过程中对绝缘材料的绝缘性能也比较低,但是其转子的机械强度一定要符合相关要求,保证转子的机械轻度能够符合标准,进而让其质量得到保证[3]。其次,在设计永磁同步电动机时,要尽可能的提高永磁同步电动机的工作效率。对于那些使用过程中负载变化不大的电动机,可以设计时就将其功率因数设计高一些;对于那些使用过程中负载变化较大的电动机,不可将其功率因数设计的太高。最后,在设计永磁同步电动机的结构时,要根据特种车辆的性质,选用合理的电机磁路结构,以这样的方式来特种车辆中永磁同步电动机的使用性能。在设计的过程中可以减少槽口宽,运用这种方法对电动机的转动惯量以及电动机的输出惯量进行适当的调整,以此实现改善永磁同步第电动机的动态性能。

2特种车辆永磁同步电动机结构的设计和参数的选择

永磁同步电动机的磁路结构相对灵活,加之永磁体本身的形式较为丰富,需要设计人员清楚的认识到不同类型转子结构,通过适当的选择,才能更好的设计出符合客户需要的产物。效率达标、体积较小、质量较小就是永磁同步电动机最基础的特点,同时也是设计人员所面临的具体要求[4]。受到工作环境的影响,同时结合其专项作业能力水平加以分析,明确特种车辆永磁同步电动机结构的设计和参数的选择需要重视科学性和合理性,在多个层面展开讨论,在细节上关注相应的方案。

2.1选择适应的电机结构

特种车辆中使用的永磁同步电机可以根据结构划分成不同的种类,根据电机的结构机的类型可以分为外转子型电机和内转子型电机,我们现在所讲的永磁同步电机就属于内转子型电机。这种电机的常用结构可以分为表面式结构和内置式结构,其中表面式转子的机构具有楼磁系数比较小,同时其凸极率也比较小,电机的功率密度比较小,这种转子的机械强度也是比较小的。内置式转子的永磁同步电动机的永磁体表面装有极靴,这种极靴可以放置在铜条笼中或者将这种极靴放置在铸铝笼中,这样内置式永磁同步电动机的稳态和动态都具有良好的性能。内置式转子的设计比表面式转子的设计更加复杂,制造所耗用的成本也是比较高的,但是类型结构的转子能够增加电动机的磁阻转矩,同时还能增加此电动机的功率密度以及想用的调速范围。不仅如此它还具有体积小、输出功率大、动态性能相对稳定。因此在设计的时候可以选择内置式转子[5]。但是这种结构的转子,漏磁系数相对比较大,在设计的过程中可能需要使用隔磁磁桥,但是隔磁磁桥的宽松和长度又会对转子的机械强度和隔磁效果造成一定的不良影响,进而影响其效果的发挥,因此在设计时需要根据永磁同步电机的实际使用情况进行合理选择。

2.2绕组及极数、槽数设计

绕组属于永磁同步电动机的关键组成,其可以保证的是电机的科学运行,同时又能让其具备着最基本的可靠性,保证能量可以实现有效的转换。电机的用铜量及工作效率会受到较为直接的影响。通过全面的分析电动势谐波及磁动势谐波的影响,可以清楚的判定出星形连接双层短距叠绕组,保证将小电机的杂散损耗适当的减小,同时结合其端部的基本形状排列情况,可以保证的是散热效果绝佳和机械强度提升。若是定转子在齿距中产生了较为明显的变化时,齿槽的转矩会发生较为显著的周期性改变,其变化的周期会受到极数和槽数的具体影响。当周期数逐步的变大的时候,齿槽的转矩幅度值会呈现出减小的趋势,也就是说,齿槽的转矩周期就是极数、槽数、极数最大公约数的比值。依照实际的情况,选择更为适宜的电机极数和槽数,削弱电机的齿槽转矩[6]。

2.3永磁体尺寸的合理选择

针对于永磁体尺寸的合理选择,应该考虑其对于永磁同步电动机设计的影响,只有将两者有效的连接起来,才能更好的实现科学化的选择。针对于尺寸的选择,需要重视轴向的长度、轴向的宽度、磁化的方向长度等等。磁化方向的长度往往会对电动机本身的输出转矩等建立起较为直接的联系,同时与过载能力及调速的范围也有关系,长度不适宜过短,以免降低电动机本身的稳定性。在进行选择的时候,应该格外的重视最佳工作点的选择,由此便能稳步的提升电机的工作效率,同时又可适当的增大电机的功率密度。针对于电动机的负荷,需要关注的是若是负荷较大的时候,需要合理的增大其长度,依照具体的情况,确定电动机的轴向宽度及长度指标。

2.4电磁材料的科学选择

永磁体材料的性能往往会让永磁同步电动机的动、稳定性等受到影响,在电机体积和质量限制较为严格的情况下,永磁体材料的选择需要关注多个细节。永磁体本身就具备着较高的磁性能,所以可以产生较为强大的气隙磁场,这是需要重点考虑的问题之一。此外,电机本身的可靠性要求较高,永磁材料磁性能应该表现出良好的稳定性,温度系数小,在选择的时候,需要格外的重视这方面的情况[7]。现阶段,汝铁硼属于应用较为广泛的永磁材料,也具备着极高的性能,但是其也存在着不足之处,主要是居里温度较低,往往是在310-410摄氏度,温度系数极高,具有着极差的热稳定性,所以面对高温环境的时候,磁损失较大,很容易出现不可逆退磁情况。若是设计不到位,在高温的环境中很容易发生此类问题。伴随着永磁材料的稳步发展,汝铁硼的温度性能呈现出逐步改进的趋势,现阶段商业化的汝铁硼最高工作温度能够达到较为理想的200摄氏度。为保证永磁体在退磁场作用下,能够始终保持着较高磁感性强度,需要选择相对适宜的永磁体促使最低工作点高于退磁曲线的拐点。定子和转子冲片的选择同样重要,作为电机中的主要磁路,电机在定子及转子中所消耗的能量较小,需要保证的是定子和转子冲片的磁阻较小。永磁同步电动机的冲片往往采用的是硅钢片,其重点分为了热轧型和冷轧型,前者磁通密度更容易饱和,电机产生的铁耗极大,现阶段很少被投入使用。冷轧硅钢片厚度相对均匀,具有极好的表面质量,在永磁同步电动机中得以广泛的运用起来。

3特种车辆永磁同步电动机的工程设计流程

针对于特种车辆永磁同步电动机的工程设计流程展开了较为详细的分析,永磁同步电动机在设计过程中极为复杂,因此需要明确基本的设计流程,依照具体的细节展开相应的工作[8]。应该提前明确设计的具体标准,依照设计的要求确定电机的结构,在其结构内部,涵盖着电机的尺寸、定子冲片及永磁体尺寸等等,依照实际的情况针对于具体的参数加以调整,保证其完全迎合相应的要求。进行电动机磁路计算的时候,还应该关注电磁参数的计算,之后将电动机的工作特性及启动性参数加以计算,若是多种参数无法满足具体的要求,应该针对于电动机的基本结构展开重新的设计,从而保证其及时的满足相应的标准。

4结语

针对于特种车辆永磁同步电动机的设计过程展开较为详细的分析,通过明确各种细节问题,清楚的理解特种车辆永磁同步电动机工程设计阶段需要关注的问题,相应的设计要求和设计流程是重点讨论的方面,在对其基本结构展开分析的时候,明确了部分设计的要领,通过简要的总结与分析,判断出科学化的工程设计方案,这将有助于更好的提升特种车辆的作业水平,由此更好的维护实际工作开展的实效性。针对于特种车辆永磁同步电动机的工程设计,明确科学的设计流程,希望通过此次的研究与分析,为现实工作的开展提供较为科学的参考依据。

参考文献:

[1]闫磊,郭枫.永磁同步牵引系统在沈阳地铁2号线地铁车辆上的应用[J].机车电传动,2013(03):46-48.

[2]冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统的发展概况及应用挑战[J].大功率变流技术,2012(03):1-7.

[3]刘可安,许峻峰,文宇良,何亚屏,刘雄,张朝阳.地铁车辆用永磁同步牵引电动机地面试验研究[J].大功率变流技术,2012(03):20-24.

[4]江赛标.电动汽车用外转子永磁无刷直流电动机及计算机辅助设计[D].广东工业大学,2011.

[5]王渤洪,石清伶.日本铁路机车车辆传动用永磁同步电动机的研发概况[J].机车电传动,2007(05):41-48.

[6]刘春光,臧克茂,马晓军.电传动装甲车辆用永磁同步电动机的弱磁控制算法[J].微特电机,2007(04):27-30.

[7]杨高.基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计[D].重庆大学,2007.

[8]杨超.电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的模糊控制仿真[D].重庆大学,2004.

作者:黄炜石 单位:上海电力环保设备总厂有限公司

特种车辆同步电动机工程设计责任编辑:张雨    阅读:人次