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起重机用永磁同步电动机的设计与研究

来源 : 互联网
作者 : 118期刊网
发布时间 : 2019-03-14 00:59:30

第1章简介


1.1研究背景和主题意义

随着中国经济的不断发展,各行各业的能源需求和消费都越来越重。提高能源效率,优化能源结构,实施可持续发展战略,加强环境保护实施,已成为中国经济转型的重中之重。在传统起重行业的机械设备中,以异步电动机加机械减速机构为主的驱动系统占主导地位,但结构复杂,转动惯量大,整体系统效率低,噪声大,润滑油泄漏污染,维护频繁缺点等缺点,显然不能满足中国目前的发展需要,直接驱动负载的低速高扭矩电机,已成为该技术领域的发展方向[1]。低速大扭矩永磁同步电动机是实现起重机直接驱动的关键技术之一。在起重,机床,矿山,冶金,油田,电力,化工,电梯等各种工业领域具有广阔的应用前景。当异步电动机低速运转时,电动机的极对数将相应增大。此时,电动机励磁电流占很大比例,因此空载电流大,电动机的效率和功率因数非常低。电动机的极数越多,励磁电流分量越大。对于大于20极的电动机,励磁电流与有功电流之比在0.95:1和1.25:1之间,因此功率因数非常低(0.62至0.72)。同时,定子电流由于所得到的定子而增加,导致定子铜。消耗量大大增加,严重降低了电机的效率。因此,长期以来,由于极端对数和电源频率,异步电动机的速度和转矩不能真正实现低速和高转矩驱动。永磁同步电动机具有体积小,重量轻,结构简单,效率高,直接驱动控制的优点。永磁电机应用于起重行业,实现整个升降系统的低速,高扭矩和低噪音。一个相当有意义的项目[2]。随着永磁材料性能的提高和完善,永磁电机的性能不断提高。与电激励电动机相比,它们在能量效率和性能方面的优越性能使得永磁电动机得到越来越广泛的应用。中国的稀土资源丰富,充分发挥稀土资源的优势,发展和推动永磁电机的发展,提高电机的性能,推动永磁电机的应用范围,提高能源中国的利用率和缓解中国的能源短缺。意义。由于永磁同步电动机的励磁是由永磁体产生的,定子不需要提供额外的励磁电流,因此可以使永磁同步电动机的功率因数非常高,定子定子的值也是如此。电流无功分量极低,因此值很明显。当电动机的极数较大时,具有相同极数和相同容量的感应电动机更加明显,这可以将定子的铜损减少30%至50%。永磁同步电动机易于实现多极数,并且在宽负载范围内具有良好的效率和功率因数特性,使得可以消除机械减速器并实现低速和高扭矩电动机的直接驱动。

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1.2国内外研究现状

中国的起重机电气控制系统长期沿用仿苏的产品型号,以YZR系列异步电动机为主驱动电机,电子控制系统由减速机构,继电器控制柜和电阻组成。减速器的存在给系统带来许多缺点。例如,驱动系统变得笨重,效率降低,噪音增加,并且减速器的维护变得复杂。因此,这种传统结构已经无法满足当前时代快速发展的要求。通过低速电动机消除减速器并直接驱动机械负载已成为该技术领域的发展方向。已经开发出永磁材料

最近非常快,特别是稀土永磁合金代表了永磁材料的广泛应用,使得永磁电机在光量大,性能优良,节能效果明显等方面得到广泛应用。专利文献[3]公开了一种用于内转子直驱式起重机的永磁同步电动机,如图1.1所示,包括:永磁同步电动机壳体,定子绕组,定子铁芯,永磁铁,转子和卷轴旋转轴,卷轴。电机轴直接连接到卷轴,省去了减速机构,直接驱动卷轴提升重量。由于卷轴的存在,这种结构使整个系统仍然很大,并且容易发生连接电动机轴和卷轴的部分。故障。电机的极数大于20极。通过增加永磁电机的极数,逆变电源用于实现电机的低速运行,输出大扭矩,直接驱动负载,取消减速机,简化结构,改善系统工作。效率,功率因数可达0.9~1。

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第二章起重机用永磁同步电动机的设计与试验研究


2.1起重机用永磁同步电动机的设计要求

根据起重机永磁同步电动机的特点,研究了起重机永磁同步电动机的电磁设计和参数选择原则,设计了起重机用永磁同步电动机。电动机的技术要求见表2.1。 。作为起重机动力的核心部件,驱动电机的质量对起重机的整体性能有重要影响。新型起重机用永磁同步电动机由于其自身的结构特点,在电动机参数的选择上有其自身的特点。用于起重机的新型永磁同步电动机受到起重机工业的限制,这限制了电动机转子的外径。由于电动机采用外转子结构,电动机定子铁芯的外径也受到限制。与普通的低速高扭矩永磁同步电动机不同,新型起重机用永磁同步电动机形状纤薄,给电动机制造带来很多麻烦。在设计起重机用永磁同步电动机时,必须考虑电动机的加工因素,尽可能降低加工成本。起重机用永磁同步电动机具有特殊的工作环境,负载大,负载电流大,电机铜损占总损耗的比例特别大,铁耗比例小。在电磁设计中,应尽量减少铜的消耗,并调整电机。损失分布。提高起重机用永磁同步电机的效率。

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2.2起重机用永磁同步电动机的设计

永磁同步电动机用作起重机的动力源,安装尺寸必须根据起重机的设计确定。该设计基于低速和高扭矩永磁电机的应用。起重机本身的结构决定了电动机的结构必须是外转子结构,也就是说,电动机的转子用作起重机的卷轴。定子与轴固定连接,轴由支架固定。在起重机的交通。因此,电动机是起重机械的一部分,其外形尺寸受起重机本身的工业要求的限制。对于本文设计的9.79kW和18.3r / min的原型要求,转子的外径限制为外径400mm。对于外转子电动机,转子的内径间接地确定定子的外径。电机定子外径越大,越容易放铜,这有利于降低电机的铜耗。因此,在保证铁心长度,反电动势和槽满率基本不变的前提下,转子内径为384 mm,380 mm,378 mm,374 mm,370 mm,366 mm,比较了360 mm电机,如表2.2所示。从表2.2可以看出,随着转子内径的减小,电动机的铜损逐渐增加。转子内径384 mm,铜损增加25.28%,铁损减少10.73%。可以看出,增加ro的内径

tor(减小卷轴厚度)可有效降低铜耗,即转子内径越大越好,有利于降低电机铜耗,提高电机整体效率作为一个整体。由于新起重机的永磁同步电动机的转子是起重机的卷轴,因此卷轴必须满足一定的强度要求,并且需要评估卷轴的强度。滚筒的材料为Q235-B,其性能如表2.3所示。

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第3章起重机用永磁同步电动机温度场分析... 32

3.1解决起重机用永磁同步电动机的域模型............ 32

3.2温度场计算结果分析............ 37

3.3工作系统对起重机永磁同步电动机温度场的影响40

3.4短期过载对起重机永磁同步电动机温度场的影响......... 41

3.5本章摘要..... 42

第4章起重机用永磁同步电动机的能效分析.... 43

4.1组织的分类.......... 43

4.1.1组织的使用水平...... 43

4.1.2机构的负载状态等级....... 43

4.1.3组织的工作水平...... 44

4.2新型起重机永磁同步电动机的节电率计算......... 44

4.2.1机械结构效率的计算....... 45

4.2.2 M5级节电率的计算..... 46

4.3不同工作水平下起重机用永磁同步电动机的节电率......... 47

4.4本章摘要..... 50

第5章结论........... 52


第四章起重机用永磁同步电动机能效分析


起重机械是国民经济各个领域广泛使用的必不可少的专用设备。电动机是起重机械的核心部件,电动机的能耗占起重机械能耗的主要部位。但是,不可能简单地按照传统方法分析起重机用永磁同步电动机的能量效率:一方面,由于起重机工作条件复杂,起重量不恒定;另一方面,提升机的传动轴和减速齿轮箱如果机械结构很大,则不能准确地给出效率值,并且计算结果不具有代表性。为了更好地分析起重机永磁同步电动机的能量效率,从理论上分析,参考起重机设计手册,根据机构的等级,以Y2-180L-8异步电动机为参考,并使用永远的传统机制和新的起重机。从理论上计算了磁力同步电动机的能量效率,分析了机械水平对起重机永磁同步电动机能量效率的影响。


4.1机构分类PPT答辩

根据起重机设计手册,组织的设计预期寿命是指从使用开始到预期更换或最终退役的设计预设的总运行时间。它只是组织实际运营时间的总和,因此不包括工作。该机构的停止时间[44]。为了更好地计算起重机永磁同步电动机的节电率,计算起重机新型永磁同步电动机和生命周期内功率等级加机械结构的三相异步电动机的功耗,然后进行比较分析。 。传统三相异步电动机的型号为:Y2-180L-8 / 11kW。通过检查Y2系列三相异步电动机技术手册和相应功率级起重机的永磁同步电动机,电动机的额定效率值为87.51%。额定点的效率为72.91%,两台电机的效率曲线如图4.1所示。


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结论


本文研究了重型机械用永磁同步电动机。首先,设计了一台9.79 kW的起重机外永磁同步电动机,并对原型进行了制造和实验研究。其次,对起重机永磁同步电机进行温度场校准,分析了工作系统和短时过载对温度场的影响规律。最后,对起重机用永磁同步电动机进行了能效分析。基于以上工作,本文的主要结论如下:

(1)

根据实际应用需要,新型9.79kW,18.3r / min新型永磁同步电动机设计完成,转子内径,极弧系数,气隙长度等重要参数对性能的影响对电动机进行了分析。制造并测试了原型,设计的电机满足性能要求,降低了起重设备的体积和质量,提高了驱动系统的整体效率。

(2)起重机用永磁同步电动机由于外转子结构和细长型,永磁体组件是困难的。本文分析了不同永磁体组装方法的优缺点。最后确定永磁体固定在卷轴的内壁上,然后用不锈钢压块固定。团块的长度等于芯的长度,并且压块用螺栓固定卷轴的方法。

(3)分析了起重机永磁同步电动机的三维瞬态温度场。得到的温升计算结果准确地显示了使用S3工作起重机的PMSM运行期间的温升过程。根据起重机永磁同步电动机的特点,分析了工作系统和不同上电持续时间对电动机温度场的影响。 S1下电机各部分的温升远高于S3,S1用于绕组。温升是S3工作系统的2.19倍。 S1工作系统中永磁体的温升是S3工作系统的2.87倍。 S1工作系统下定子铁芯的温升为S3工作系统的1.93倍。因此,在设计起重机的永磁同步电动机时,如果电动机的工作系统是S3,则可以增加电动机的功率密度,并且可以选择绝缘材料,并且绝缘材料的水平可以是适当减少以降低电动机的成本。通电持续率对绕组的温升有很大影响。 40%通电持续率高于25%通电持续率,绕组温度提高39.44%。 60%的上电延续率比40%的上电延续率高46%。

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参考文献(略)


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