maxwell软件--爪极电机

12爪极交流发电机本章我们将简化RMxprt一些基本介绍，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。12.1基本原理爪极交流发电机（或爪极同步发电机）广泛的用于汽车工业，它将输入的机械功率转换为电功率。爪极发电机的定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。转子上装有较特殊的爪形磁极，这种磁极结构有利于在转子直径较小的情况下，安排较多的磁极。爪极转子上装有励磁绕组或永磁体，转子旋转时，在气隙中产生旋转磁场，该磁场会在定子绕组中产生感应电压。除了转子结构有较大的差别外，爪极电机的电磁分析方法与同步发电机相同，常采用频域相量图进行性能分析。图12.1爪极发电机相量图图12.1中，R1和X1是电枢绕组的电阻和漏电抗。如果爪极交流发电机装有永磁体，则d轴电枢反应电抗Xad和q轴电枢反应电抗Xaq大致为定值。此外，Xad是经过线性化处理的非线性参数，Xaq是线性参数。d轴同步电抗Xd和q轴同步电抗Xq可按下面的公式计算：aq1qad1dXXXXXX(12.1)12.1.1带有励磁绕组的转子如果转子装有励磁绕组，则励磁电流是可调的，d轴和q轴的电流可按下面步骤求得。以输入电压U为参考相量，设功率因数角为φ,则电流相量为II(12.2)图中OM所代表的相量可表示为：)jj(aq11XXROMIU(12.3)设E0与U的夹角为θ（θ称为功率角），则E0与I的夹角为(12.4)相量ON的长度代表由d轴磁通产生的反电势，可用来确定d轴磁场是否饱和。d轴和q轴电流可分别按下式求出：cossinIIIqdI(12.5)相量ON的长度代表由d轴磁通产生的反电势，可用来确定d轴磁场是否饱和。E0，Xad和If可以从磁路空载特性曲线中得到。12.1.2转子上只有永磁体如果转子只装有永磁体，则励磁是不可调的。d轴和q轴的电流可按下面步骤得到。对于给定的功角θ(U滞后E0的角度)，有：sincosUUEIIXRRX0qdq11d(12.6)求得Id和Iq为：sin)cos(sin)cos(UXUERURUEXXXR1IId0110qqd21qd(12.7)令I滞后E0的角度为ψ，有：qd1IItan(12.8)功率因数角φ(I滞后U的角度)为：(12.9)12.1.3功率和效率输出电功率cosUI3P2(12.10)输入机械功率CufFeCuafw21PPPPPP(12.11)式中：Pfw、PCua、PFe、PCuf分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、励磁绕组铜损（如果有励磁绕组）。输入机械转矩11PT(12.12)ω为同步角速度，单位：rad/s发电机效率：%100PP12(12.13)12.2主要特点12.2.1线圈和绕组的排列优化设计几乎所有常用的三相和单相，单层和双层，整数槽和分数槽交流绕组都能自动设计。用户不需要一个接一个的自己定义线圈。当设计者采用全极式单层绕组时，RMxprt将自动对绕组进行排列，以减少绕组端部长度。当使用不对称三相绕组时，绕组排列按照最少负序和零序进行优化。12.2.2支持任何单、双层绕组设计的绕组编辑器除了利用RMxprt中的绕组自动排列功能，用户也能通过WindingEditor来指定特殊形式的绕组排列。在WindingEditor（绕组编辑器）中，通过改变每个线圈的相属Phase、匝数Turns、入槽号InSlot和出槽号OutSlot，可排列出任意所需的单、双层绕组分布形式。12.2.3支持永磁和绕组励磁结构RMxprt支持三种爪极交流发电机的转子励磁结构：1.永磁体励磁结构2.绕组式励磁结构（圆线绕组和扁线绕组）3.永磁体和绕组混合励磁结构12.2.4分析气隙磁场分布爪极电机转子磁极的极弧系数是沿轴向变化的，若沿N极逐渐变小，则S极的极弧系数逐渐变大。RMxprt对每个截面都通过许克变换求解气隙磁场的波形，然后用积分的方式求解绕组的感应电势。12.3爪极交流发电机的设计这一节,我们将演示三相感应电动机设计的一般流程。点击StartProgramsAnsoftMaxwell12Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。从RMxprt主菜单条中点击FileNew新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。从RMxprt主菜单栏中点击ProjectInsertRMxprtDesign。在SelectMachineType会话框中选择Claw-PoleSynchronousMachine，然后点击OK返回RMxprt主窗口。这样就添加一个新的RMxprt设计。从RMxprt菜单栏中点击FileSave。如果想把项目另存为CPSG_4p50Hz550VA.mxwl，可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。(参见3.2.6设置默认的项目路径)分析这个算例，需要做以下几项设置：1.设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位)：2.配置RMxprt材料库(参考章节3.4.1配置材料库)：3.编辑线规库(参考章节3.3.2到3.3.6)：当选择Claw-PoleSynchronousMachine做为电机模型时,必须输入如下几项：1.Generaldata.（基本性能数据）2.Statordata.（定子数据）3.Rotordata.（转子数据）4.Solutiondata.（解算数据）可在定子和转子中选择添加或去掉励磁绕组。12.3.1主要性能数据在工程树下双击Machine，显示Properties会话框，如图12.2中。1.MachineType：用户当前的电机设计类型，爪极交流发电机。2.NumberofPoles：极数3.NumberofPhases：相数，可选择电机的相数(2,3,4)4.FrictionalLoss：参考转速下的摩擦损耗5.WindLoss：参考转速下的风阻损耗.6.ReferenceSpeed：参考转速点击OK关闭Properties会话框.图12.2主要性能数据12.3.2定子设计双击项目树中的MachineStator图标，显示Properties对话框，见图12.3。1.OuterDiameter：定子外径。2.InnerDiameter：定子内径。3.Length：定子铁心的轴向长度。4.StackingFactor：定子的迭压系数5.SteelType：定子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）6.NumberofSlot：定子槽数7.SlotType：定子槽型（参考7.1.1节槽型）1)点击SlotType显示SelectSlotType对话框。2)选择一种槽型（有6种类型可用）3)点击OK关闭SelectSlotType对话框。8.SkewWidth：斜槽（以定子槽数计）点击OK关闭Properties对话框。图12.3定子数据12.3.2.1定子槽型设计双击项目树中的MachineStatorSlot图标，显示Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。在如图12.4所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。点击OK关闭Properties对话框。图12.4定子槽尺寸12.3.2.2设计定子绕组双击项目树中的MachineStatorWinding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：Winding和End/Insulation。12.3.2.2.1设计定子绕组的线径及材料在如图12.5所示的Winding列表中定义导线、导体和定子绕组1.WindingLayers：绕组层数。从下拉菜单中选择绕组层数（可选1和2）2.WindingType：绕组类型（参考7.5.1节的设置交流绕组类型）1)点击WindingType显示WINDINGType对话框。2)从以下3种绕组类型中选择一种：a.Editorb.WholeCoiledc.HalfCoiled3)点击OK关闭WINDINGType对话框。3.ParallelBranches：定子一相绕组的并联支路数4.ConductorsperSlot：每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。输入0，RMxprt会进行自动设计。5.CoilPitch：以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。6.NumberofStrands：每个导体中导线的并绕根数。输入0，RMxprt会自动设计根数。7.WireWrap：漆包线的双边漆皮厚度。输入0后能从导线库中自动获得8.WireSize：定子绕组导线的直径（输入0，RMxprt会自动设计）。用户可选择圆导线或扁导线两种型号。当槽型为1到4时，圆形导线可用（参考7.4.1节设置圆导线）。当槽型为5或6时，扁导线可用（参考7.4.2节设置扁导线）。图12.5槽绝缘和绕组形式12.3.2.2.2设计定子绕组端部和绝缘可参考7.5.3节端部绕组和槽绝缘中的详细介绍。在如图12.6所示的End/Insulation列表中定义绕组端部和槽绝缘。1.InputHalf-turnLength：选择或取消该选项框以指定是否想要键入半匝长度。选中该选项，用户下次打开Properties对话框会出现HalfTurnLength。如未被选中，会有EndAdjustment替代其位置。2.Half-turnLength：电枢绕组的半匝长度。当InputHalf-turnLength被选中时，其可用。3.EndAdjustment：定子绕组的端部长度调节项，及导线伸出定子的垂直距离。当InputHalf-turnLength未被选中时，其可用。4.BaseInnerRadius：底角半径5.TipInnerDiameter：线圈外弧半径6.EndClearance：两临近线圈的间隔7.SlotLiner：槽绝缘的厚度8.WedgeThickness：槽楔的厚度9.LayerInsulation：层绝缘的厚度10.LimitedFillFactor：设计槽满率的上限。点击OK返回RMxprt的主窗口。图12.6绕组端部和绝缘设计12.3.2.2.3绕组编辑器对于三相感应电动机，用户可以利用绕组编辑器为每个槽定义不同的导体数。为了使用绕组编辑器，用户必须在WindingProperty中选择WindingType为Editor(参考3.5编辑交流绕组)。12.3.3转子设计在工程树下双击图标MachineRotor显示Properties会话框，出现Rotor、Pole和Insulation.三个子项。12.3.3.1设计转子数据在Rotor列表中，输入转子设计数据，如图12.7所示。1.OuterDiameter：转子外径2.InnerDiameter：转子内径3.Length：转子铁心长度4.SteelType：选择转子材料(参考7.3指定材料类型)5.YokeDiameter：转子轭部直径点击OK关闭Properties对话框。图12.7转子数据12.3.3.2设计转子磁极在工程树下双击图标MachineRotorPole显示Properties会话框12.3.3.2.1设计转子磁极在Pole列表中，设计转子磁极，如图12.8所示图12.8爪极数据1.TipEmbrace：磁极末端极弧系数（0到1）2.RootEmbrace：磁极根部极弧系数（0到1）3.TipThickness：磁极尖端厚度4.RootThickness：磁极根部厚度5.PoleLength：磁极长度6.SlotDepth：槽深度7.ShoeThickness：极靴厚度爪极尺寸如图12.9所示。图12.9爪极尺寸12.3.3.2.2转子永磁体设计在Magnet列表，设计转子永磁体，如图12.10。图12.10永磁体数据1.MagnetTy