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新型三相双值电容式异步电动机运行机理及其电磁设计研究

熊素铭  
【摘要】: 能源的有效利用是全球共同关注的战略问题。统计表明,在发达国家中,电动机所消耗的电能占工业用电能的比重均超过60%,从而电机系统的节能技术成为学术与工程界共同关注的焦点。在此背景下,本文基于三相双值电容式异步电动机高效节能的独特优势,及其在工程领域中的应用前景,对其进行了全方位的理论分析、数值计算和试验研究相结合的系统深入的研究。 通过对三相双值电容式异步电动机气隙磁动势特点的深入分析,探讨了该新型异步电动机在高功率因数和低杂散损耗方面的优越性能。并进而基于工程分析,得出了对其关键特性参数——工作电容取值的技术判据。 构建了研究电机系统动态运行性能的场—路系统耦合的数值分析方法。聚焦于高复杂度的该新型电机的有限元模型,分别利用直接和间接耦合法进行了瞬态和时谐有限元分析,其初样和中试样机的仿真分析结果由实测研究得到印证。 基于三相电机旋转磁动势的基本理论,导出了该新型电机的等值电路模型及其相关性能方程。由此参照常规异步电动机电磁设计计算方案,本文编制完成了该新型异步电动机的电磁设计程序可供工程设计应用。 对该新型异步电动机进行了电磁优化设计的探讨。本文为提高粒子群优化算法全局寻优能力,提出了了一种改进的粒子群优化新算法。以样机起动转矩的优化设计为典型示例,通过调节定子槽形结构尺寸,进而应用本文提出的由改进粒子群优化算法与单纯形法分别和等值电路模型的解析方法与电磁场数值计算方法相结合组成的混合优化策略,高效、高精度地获得了预期的高起动转矩的优化设计成果。 本研究课题的试验研究包括:750 W初样的运行性能;5.5 kW样机的调速性能;22 kW和30 kW中试样机的型式试验及其配套应用于抽油机装置中的高效节能研究。从而,不仅以丰富的实测研究成果证实了本文理论分析研究工作,而且展示了该新型异步电动机的工程实用价值及其广泛应用的前景。 本文在理论分析、仿真和实测相互印证、对比研究的基础上,证明三相双值电容式异步电动机是一种既能理想地提高功率因数,又能有效地削弱谐波磁动势,且具有高起动转矩特性的新型异步电动机。这不仅表明该电机具有高效节能的明显效益,而且在无功补偿这一关键技术上,对电网及其相关电器设备等也将带来显著的经济和社会效益。同时,验证了本文所进行的理论分析、算法、电磁设计和优化设计程序等全方位的研究工作,为该新型电机的推广应用,及其产品化奠定了工程分析与设计的基础。


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