稀土永磁同步发电机外特性的向量法分析
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三相变频调速稀土永磁同步电动机及其应用本文介绍了TYB系列三相变频调速稀土永磁同步电动机的性能、结构特点,以及使用维护等,同时还介绍了该品在工业上的应用实例,为广大用户提供选用参考。
八十年代以来,高性能稀土永磁材料相继诞生,为高性能、大功率永磁电机的发展提供了条件。
三相变频调速稀土永磁同步电动机,是杭州立新电机厂与机电部上海电器科学研究所联合开发的高新技术产品,并列入国务院稀土办“八五”规划科技项目和机电1990年新产品试制科研计划项目。
该产品性能优异、运行可靠、维护方便,已被广泛地应用在石化、建材、机械、纺织、造纸、印染、塑料、印刷、玻璃、包装和橡胶等工业部的新产品开发,成套技术改造和技术更新等场合。
三相变频调速稀土永磁同步电动机(以下简称永磁同步电动机)是一种恒转矩变频调速同步电动机,其转速严格与电源频率成正比,与静止变频电源可组合成具有多种特性的最佳开环调速系统。
系统调速精度可达万分之一,低速平稳、机械特性硬,能在低频低压情况下软加速(软起动)平滑地牵入同步转速,无力矩冲击,对电网影响小。
牵入转矩平均1.2-1.5倍额定转矩,失步转矩平均为LS~1.8倍额定转矩,力能指标高,节电效益明显。
因此,稀土永磁同步电机优于传统的直流电动机,交流整流子变速电动机,电磁调速电动机和变频调速异步电动机,是目前国内外最新最理想的高性能调速系统。
永磁同步电动机,就产品类型而言与普通异步电动机有明显差异;但在结构上也有相同之处,定子部分两者大致相同;均为三相交流对称绕组,前者定子铁心为斜槽,后者为直槽。
而转子结构两者差异较大,永磁转子除了有鼠笼部分外,还有磁钢置于转子铁芯内,俗称埋入式永磁转子。
该结构能避免定子电枢反应对永磁体的退磁,同时能承受转子高速时较大的离心力。
由于转子磁钢采用高性能稀土磁钢激磁,其热稳定性较好,在结构上省去了传统的直流励磁和控制系统,大大简化了整机的结构。
传统的直流电动机、交流整流子变速电机等由于结构和控制系统很复杂,日常维护工作频繁,故障率相应也高,容易发生非计划性停车影响生产。
稀土永磁材料在风力发电机中应用方案一、实施背景稀土永磁材料在风力发电机中的应用方案是基于当前能源结构转型和可再生能源发展的背景下提出的。
随着环境污染和能源消耗问题的日益突出,全球范围内对清洁能源的需求不断增加。
风力发电作为一种可再生能源,具有环保、可持续等优势,因此受到了广泛关注。
然而,传统风力发电机存在效率低、体积大、噪音大等问题,限制了其进一步发展。
稀土永磁材料具有高磁能积、高矫顽力和高抗腐蚀性等优点,可以提高风力发电机的性能,因此在风力发电机中的应用具有重要意义。
二、工作原理稀土永磁材料在风力发电机中的应用主要体现在发电机的转子部分。
传统风力发电机中的转子采用铁芯和铜线绕组,存在能量损耗大、效率低的问题。
而采用稀土永磁材料制作转子,可以提高转子的磁能积和矫顽力,提高发电机的效率和输出功率。
稀土永磁材料的高磁能积可以提高转子的磁场强度,增加发电机的转矩;高矫顽力可以提高转子的稳定性和工作效率;高抗腐蚀性可以延长发电机的使用寿命。
三、实施计划步骤(1)研发稀土永磁材料:根据风力发电机的需求,研发具有高磁能积、高矫顽力和高抗腐蚀性的稀土永磁材料。
(2)设计稀土永磁发电机:根据风力发电机的工作原理和要求,设计适用于稀土永磁材料的发电机结构。
(3)制造稀土永磁发电机:利用研发的稀土永磁材料,制造稀土永磁发电机的转子部分。
(4)测试和优化:对制造的稀土永磁发电机进行测试,优化其性能和效率。
(5)推广应用:将优化后的稀土永磁发电机应用于实际的风力发电项目中。
四、适用范围稀土永磁材料在风力发电机中的应用适用于各种规模的风力发电项目,包括小型风力发电机、中型风力发电机和大型风力发电机。
五、创新要点(1)采用稀土永磁材料制作发电机转子,提高发电机的效率和输出功率。
(2)优化发电机结构,提高稀土永磁材料的利用效率。
(3)提高发电机的稳定性和抗腐蚀性,延长其使用寿命。
六、预期效果(1)提高风力发电机的效率和输出功率,降低发电成本。
稀土永磁电机报告2008年,稀土永磁同步电机的开发与应用扩大了永磁同步电动机在各个行业的应用,稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。
高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。
它与电力电子技术和微电子控制技术相结合,可以制造出各种性能优异的机电一体化产品,如数控机床,加工中心,柔性生产线,机器人,电动车,高性能家用电器,计算机等等。
1821年,问世的世界第一台电机就是永磁电机,由于早期的永磁材料磁能积很低,性能较差,体积笨重,且容量小,不久就被电动磁电机所取代。
后来,由于铁氧体和铝镍钴磁体的出现,使永磁电机又有了新的进展。
2009年随着钕铁硼永磁材料的热稳定性、耐腐性的改善和价格的逐步降低以及电力、电子器件技术的进一步提高,使稀土永磁电机的开发和应用进入了一个新的阶段。
逐步向大功率化(高转速、高转矩)、高性能化和微型化等新品种宽领域扩展。
稀土永磁直流无刷调速电机是现代材料科学、电子电力科学及电动机控制理论相结合的产物。
稀土永磁电机是利用稀土永磁材料产生磁场,替代传统电机由电流励磁产生的磁场,使得稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗低、效率高,电动机的外型和尺寸可以灵活多变等显著特点,所以稀土永磁电机近几年来发展很快。
由于我国稀土资源丰富,稀土永磁在国内的飞速发展,使得稀土永磁材料的产品质量不断提高、成本价格不断降低,为制造较大功率的稀土永磁电机奠定了坚实基础,使得我们开发出的稀土永磁电机在国内外市场必然有一定的竞争优势。
1.完善和发展了稀土永磁电机的理论研究体系稀土永磁电机性能优异,结构特殊而多种多样,传统电机的设计理论、计算方法和设计参数已不能适应设计研制高性能电机的要求,近年来,运用现代设计方法完善和发展了稀土永磁电机的设计理论、磁路结构、计算方法,检测技术和制造工艺。
在此基础上建立了工程实用的电磁设计计算程序和计算机辅助计算软件包,包括电磁场分析计算,电感参数计算、动态性能仿真和优化设计。
浅谈稀土永磁同步电动机的优化设计稀土永磁同步电动机是一种超高效节能电机。
稀土永磁同步电机有损耗小、效率高、节能效果显著、运行好等特点。
因此应用前景非常广阔,但是如果没有合理设计方案、得体的工艺技术和优质的电磁材料,也不会生产出高品质的产品。
在稀土稀土永磁电动机的设计上,应该首先满足其所要达到的性能指标,降低使用的成本,只有提升使用效率,降低成本,才能达到设计需求。
文章根据目前此种电动机的设计特点,进行了一定的改进,并将其进行优化,也在文章中具体讨论了此类电动机的性能特征以及设计方法。
标签:稀土永磁同步电动机;优化设计;永磁体引言在日益严重的能源短缺的背景下,不断进行新的技术开发,提升电动机的使用效率已经成为了很多国家希望达成的重要目标。
稀土永磁高效电机在使用效率方面远胜于其他类型的发电机,在稀土永磁高效电机投入使用以后,其就以各种使用指标稳定吸引了各国的眼球,在国际市场上具有相当大的竞争能力,我国稀土资源居世界第一位,应该充分利用这一优势,对此种发电机进行推广使用,此举对处于发展中的中国具有重要的现实意义。
1 稀土永磁高效电机和异步动永磁同步电动机的不同之处稀土永磁高效电机的设计建立在异步电机基础之上,不同之处在于其将转子边鼠笼内侧镶入稀土钢,与异步动永磁同步电动机相比,励磁电流以及内部的转子上的金属使用量(铜、铁)等使用量降低,无功电流减少,提升了电机的使用效率,设备的使用温度降低。
并且,与普通的励磁电机比较,降低了摩擦,使整个结构简化。
2 提升电机功率的若干措施2.1 利用空截反电动势与因数之间的曲线关系普通的电动机定子上的电流I1和If在平面直角坐标系上是一条“V”型的曲线,如我们保持其他的参数不发生变化,只改变磁体的性能和用量,那么此时定子电流I1=fE0的曲线同样是一个V形曲线,因此,在这种情况下,我们给予空载反电动势E0一个合适的值,以此来提升电动机的使用效率,整个方案实施的关键在于合理赋予E0的值。
稀土永磁材料在风力发电机中应用方案一、实施背景随着全球对清洁能源的需求不断增加,风力发电作为一种可再生能源形式,得到了广泛应用和发展。
而风力发电机作为风力发电的核心设备,其效率和可靠性对于风电行业的发展至关重要。
稀土永磁材料作为一种具有高能效和高可靠性的材料,被广泛应用于风力发电机中,以提高其性能和效率。
二、工作原理稀土永磁材料在风力发电机中的应用主要体现在发电机的转子部分。
传统的风力发电机使用铁磁材料作为转子磁铁,而稀土永磁材料具有更高的磁能积和抗磁化能力,能够提供更强的磁场,使得发电机的输出功率和效率得到显著提升。
三、实施计划步骤1. 研发稀土永磁材料:根据风力发电机的需求,研发出具有高磁能积和高抗磁化能力的稀土永磁材料。
2. 设计转子结构:根据稀土永磁材料的特性,设计出适合的转子结构,以确保稀土永磁材料能够充分发挥其性能。
3. 制造转子部件:根据设计要求,制造出符合稀土永磁材料特性的转子部件。
4. 装配风力发电机:将制造好的转子部件与其他组件进行装配,形成完整的风力发电机。
5. 运行测试:对装配好的风力发电机进行运行测试,验证其性能和效率。
四、适用范围稀土永磁材料在风力发电机中的应用适用于各种规模的风力发电机,无论是小型的家用风力发电机还是大型的商业风电场。
五、创新要点1. 研发出具有高磁能积和高抗磁化能力的稀土永磁材料,以提供强大的磁场。
2. 设计出适合稀土永磁材料的转子结构,以充分发挥其性能。
3. 制造出符合稀土永磁材料特性的转子部件,以确保整个风力发电机的稳定运行。
六、预期效果1. 提高风力发电机的输出功率和效率,增加发电量。
2. 减少风力发电机的能耗,降低运行成本。
3. 增强风力发电机的可靠性和稳定性,减少故障率和维修成本。
七、达到收益1. 提高风力发电机的发电效率,增加电力产量,带来更多的收入。
2. 降低风力发电机的运行成本,减少能源消耗,提高经济效益。
八、优缺点优点:1. 提高风力发电机的效率和性能。
稀土永磁同步电动机
首先,从结构上来看,稀土永磁同步电动机通常由定子和转子两部分组成。
定子上绕有三相对称的绕组,而转子则由稀土永磁材料构成。
这种结构使得稀土永磁同步电动机在运行时能够产生强大的磁场,从而实现高效的能量转换。
其次,从工作原理来看,稀土永磁同步电动机利用定子绕组通以交流电产生旋转磁场,而转子上的稀土永磁材料受到定子磁场的作用而产生磁力,从而驱动电机转动。
相比传统的感应电动机,稀土永磁同步电动机不需要外部励磁,因此具有更高的效率和动态响应特性。
此外,从应用角度来看,稀土永磁同步电动机由于其高效、轻量化和高功率密度的特点,被广泛应用于电动汽车、风力发电机、工业生产线等领域。
在电动汽车领域,稀土永磁同步电动机因其高效率和高功率密度,能够提供更好的动力输出和续航里程,因而备受青睐。
总的来说,稀土永磁同步电动机以其独特的结构、工作原理和
广泛的应用前景,成为当今电动机领域备受关注的一种新型电动机。
希望以上回答能够全面地解答你的问题。
三相稀土永磁同步电动机三相稀土永磁同步电动机是一种新型的电动机,具有高效、小型化、轻量化等优点,被广泛应用于工业和交通领域。
本文将从工作原理、结构特点、应用领域等方面对三相稀土永磁同步电动机进行介绍。
一、工作原理三相稀土永磁同步电动机是利用稀土永磁材料产生的强磁场与定子线圈中的交流电流相互作用,从而产生转矩和运动。
在电机工作时,通过交流电源给定子线圈供电,产生旋转磁场,而通过稀土永磁材料产生的永磁磁场与旋转磁场相互作用,从而使电机运行。
二、结构特点三相稀土永磁同步电动机的结构特点主要体现在以下几个方面:1. 稀土永磁材料:稀土永磁材料具有高磁能积和高矫顽力等特点,可以产生强大的磁场,从而提高电机的转矩密度和效率。
2. 三相定子线圈:电机的定子线圈采用三相结构,通过交流电源给线圈供电,产生旋转磁场。
3. 转子结构:电机的转子采用稀土永磁材料制成,通过与定子旋转磁场的相互作用产生转矩和运动。
4. 控制系统:电机的控制系统采用先进的数字控制技术,可以实现对电机的精确控制和调节。
三、应用领域三相稀土永磁同步电动机由于其高效、小型化、轻量化等特点,被广泛应用于以下领域:1. 工业领域:三相稀土永磁同步电动机在工业生产中被应用于各种机械设备中,如机床、泵、风机等,可以提高设备的效率和节能效果。
2. 交通领域:三相稀土永磁同步电动机在交通工具中的应用越来越广泛,如电动汽车、电动自行车等,可以提高车辆的续航里程和动力性能。
3. 新能源领域:三相稀土永磁同步电动机在新能源领域中有着广泛的应用,如风力发电、太阳能发电等,可以提高能源的利用效率和可再生能源的开发利用。
三相稀土永磁同步电动机是一种高效、小型化、轻量化的电动机,具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和技术的不断创新,相信三相稀土永磁同步电动机在未来会有更加广泛的应用,为人类创造更加美好的生活。
稀土永磁同步发电机外特性的向量法分析*窦一平陈海镇摘要采用双反应理论,用向量法建立了稀土永磁同步发电机外特性的数学计算模型,并定量分析了有关阻抗参数影响外特性的具体规律。
计算结果表明,除了负载功率因数外,直轴电枢反应电抗对外特性的影响最大,漏阻抗对外特性的影响较小,凸极系数只在高功率因数时对外特性有较大的影响,在低功率因数时影响很小。
因此,为了降低发电机的固有电压变化率,应尽量减小直轴电枢反应电抗。
通过实例计算以及和样机实测结果的比较,说明了采用的计算方法简单实用,能较准确地计算外特性,为设计固有电压变化率小的稀土永磁同步发电机提供了一条途经。
关键词:发电机;永磁式电机;外特性;向量分析中图分类号:TM351Vector Analysis of Voltage Regulation Characteristic of Rare Earth Permanent Magnet GeneratorsDou Yiping(Department of Electrical Engineering, Nanjing Power CollegeNanjing,210042)Cheng Haizheng(Department of Automatic Control,)/(Nanjing University of Aeronautics andAstronautics Nanjing,210016)Abstract The classical theory of synchronous generator,with the vector analysis,is adopted to describe the voltage regulation characteristic of rare earth permanent magnet (REPM) generators. The mathematical calculation model is established and the rule,in which the voltage regulation characteristic is affected by parameters,is discussed. The analysis shows that it is the d-axis armature reactance (X ad), besides power factor, which has the biggest influence on the voltage regulation characteristic. It also shows that leak resistance and reactance have little influence on the intrinsic voltage regulation rate. The salient pole coefficient markedly affects the voltage regulation characteristic only with high power factor. So it is necessary to design X ad as small as possible to get low intrinsic vol-tage regulation rate. The mathematical calculation model is simple and practical and has believable accuracy proved by the data comparison of calculation and test. The model is helpful to design REPM generators with small voltage regulation rate.Key words: power generators; permanent magnetic electric machine; voltage regulation characteristic; vector analysis1数学模型1.1向量图分析外特性是稀土永磁同步发电机最重要的特性,影响外特性的因素较多,为了得到较好的性能指标,有必要分析各种因素对外特性影响的规律。
衡量外特性的性能指标是发电机的固有电压变化率。
由于稀土永磁发电机的磁场调节困难,故应尽量减小发电机的固有电压变化率。
设E0为每相空载感应电势,U N为额定端电压,则发电机的固有电压变化率ΔU(%)[1]定义为(1)为了突出影响外特性的主要因素,先假设电机磁路不饱和,在传统双反应理论的基础上,采用向量法来建立数学模型。
稀土永磁同步发电机感性负载时的向量图见图1。
图1稀土永磁同步发电机的向量图图中,U为每相输出端电压;I为每相电流;R1为每相电枢电阻;X1为电枢绕组漏电抗;X ad为直轴电枢反应电抗;X aq为交轴电枢反应电抗;θ为功率角;ψ为向相量和0的夹角;φ为功率因数角;直交轴电流分量为I d=Isinψ,I q=Icosψ。
由图1的几何关系可知tgψ=(IX1+IX aq+Usinφ)/(IR1+Ucosφ)(2)θ=ψ-φ(3)E0=Ucosθ+IR1cosψ+I(X1+X ad)sinψ(4)不难看出,在负载功率因数cosφ和E0一定的情况下, 要减小固有电压变化率,可以靠减小R1,X1,X ad和增大X aq来实现。
如果能建立以上阻抗参数影响外特性的数学模型,将有助于合理地选择转子结构和参数,设计出固有电压变化率小的稀土永磁发电机。
1.2标幺值计算模型工程上,习惯采用标幺值的表示方法,设基准值如下: 电压为额定相电压U N;电流为额定相电流I N;阻抗为Z N=U N/I N。
则标幺值E0*=E0/U N;U*=U/U N*;I*=I/I N;R1*=R1/Z N;X1*=X1/Z N;X aq*=X aq/Z N;X ad*=X ad/Z N;X d*=X d/Z N;X q*=X q/Z N。
采用标幺值后公式为tgψ=(I X1*+I*X aq*+U*sinφ)/(I*R1*+U*cosφ)(5)θ=ψ-φ(6)E0*=U*cosθ+I*R1*cosψ+I*(X1*+X ad*)sinψ(7)可以看出标幺值外特性U*=f(I*)由参数R1*,X1*,X aq*,X ad*,E0*和cosφ决定,U*和I*的关系无法用解析式表达出来,本文采用迭代的方法求解方程组(5~7),并以此来分析外特性,在计算机上实现,十分方便。
如果考虑到(I*,U*)过(1,1)点(即额定点),则在额定点有tgψ=(X1*+X aq*+sinφ)/(R1*+cosφ)(8)θ=ψ-φ(9)E0*=cosθ+R1*cosψ+(X1*+X ad*)sinψ(10)当负载功率因数一定,如果要求电压变化率一定,则阻抗参数中有一个参数须由其它参数来决定,曲线U*=f(I*)才能过(U*,I*)=(1,1)点。
计算方法如下所述。
(1)R1*,X1*,X aq*一定,求X aq*解式(8~10)的联立方程组可以求得X aq式中,A=E0*2-(X aq*+sinφ)2;B=-2(R1*+cosφ)2(X aq*+sinφ);C=(R1*+cosφ)2[E0 2-(R1*+cosφ)2](2)R1*,X1*,X aq*一定,求X aq*由式(8),可求ψ,再由式(9,10)求出X aq*(3)X1*,X aq*,X aq*一定,求R1*R1*的解析表达式求不出,可用迭代的方法解方程组(8~10)来求出。
(4)R1*,X aq*,X aq*一定,求X1*X 1*的解析表达式求不出,可用迭代的方法解方程组(8~10)来求出。
1.3 考虑饱和影响的计算模型以上的计算模型是从不饱和向量图得出的,是线性化计算模型。
事实上,电机磁路往往存在饱和,而饱和时的电枢反应电抗值要发生变化,因此计算模型应该考虑饱和的影响。
研究表明[2,3]直轴同步电抗X d *(X d *=X ad *+X 1*)基本上不受饱和的影响,这主要是由于直轴磁路含有稀土永磁体的缘故。
而交轴同步电抗X q *(X q *=X aq *+X 1*)受饱和的影响程度较大。
假设通过磁路计算或磁场数值分析能求出交轴同步电抗X q *随电流变化的规律,即已知X q *=f (I q *),则依然可以用迭代的方法分析外特性,只需将方程X q *=f (I q *)加入方程组(5~7)再联立求解即可。
2 定量分析本文用FORTRAN 语言编制了程序,运行效果令人满意,迭代收敛性很好,一般迭代次数不超过10次, 迭代误差即小于控制精度ε(本文取10-6)。
下面用线性化计算模型对几组参数进行计算(这些参数取自几台实际电机的参数取值范围),得曲线图2~5。
分析这些曲线可以看出以下规律:图2 R 1 对外特性的影响图3 X 1 对外特性的影响图5 X ad 对外特性的影响图4K r对外特性的影响(1)图2,3分别反映了其它参数一定,电枢电阻R1*和漏电抗X1*对外特性影响的规律。
由图可以看出,R1*,X1*越小,则电压变化率越小,这和前面的定性分析一致。
(2)图4,5分别反映了其它参数一定,凸极系数K r=X aq*/X ad*和直轴电枢反应电抗对外特性的影响,图4表明较大的K r值能降低电压变化率,但低功率因数时对电压变化率的影响较小;cosφ=1时对电压变化率的影响较大。
从图5可以看出,X ad*的大小对电压变化率影响较大。
(3)经过定量分析,可以进一步得出结论:由于功率因数由负载决定,因此为了降低发电机的固有电压变化率,在设计时,应尽量减小直轴电枢反应电抗、增大凸极系数、减小漏阻抗,其中最有效的手段是减小直轴电枢反应电抗X ad。
3实例计算和实测结果的比较3.1与样机1的比较南京航空航天大学研制的一台径向结构稀土永磁同步发电机实测的数据如下:电枢绕组电阻R1=20.51Ω,漏电抗X1=16.73Ω,直轴电枢反应电抗X ad=21.55Ω,交轴电枢反应电抗X aq=25.57Ω,凸极系数K r=1.187,空载感应电势E0=198V。
本文按照以上数据用前面介绍的线性化计算模型进行了计算,并和实测的结果作了比较,见图6。
由图可见,计算结果和实测吻合较好,最大相对误差小于5%。
由于径向结构样机的凸极系数K r较小,故计算外特性时可以不考虑饱和对X aq的影响。
图6与样机1的比较3.2与样机2的比较文[2]中提供的一台内置式稀土永磁电机样机的实测数据如下:空载相电势E0=51.7 V,电枢绕组电阻R1=3.5Ω,直轴同步电抗X d=14.0Ω。