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复合笼条转子感应电动机内电磁与传热特性的研究

曹君慈  
【摘要】: 随着科学技术的迅速发展,对电机性能的要求越来越高,而各学科领域的交叉综合研究,使电机向着高功率密度方向发展。目前在重负载起动的特殊场合,如游梁式抽油机,普遍使用的是普通感应电动机。在这些场合工作时,由于其起动性能较低,只能通过提高功率等级来满足起动要求,而正常运行时的负载功率相对电机的额定功率很低,造成能源浪费;实心转子感应电动机,虽然能满足起动要求,但是运行时效率和功率因数较普通感应电动机更低,利用系数不高,而且转子涡流大,发热严重。因此,研究新型高能电工材料和新型电机对于提高电机的性能、降低电机温升具有重要理论意义和实用价值。 本文研究新型复合笼条转子感应电动机,它的设计思想和结构有别于传统感应电动机和实心转子感应电动机,转子采用特殊槽形,槽中放置导电导磁的复合材料和铸铝材料,使电机不仅具有良好的起动性能,也具有接近普通感应电动机的运行性能。同时,由于转子槽形和材料特性的特殊性,采用磁路方法无法保证计算结果的准确性,因此,本文从数值分析出发,对复合笼条转子感应电动机的电磁性能和热性能进行了研究。 通过复合笼条转子感应电动机电磁场有限元的计算模型,研究了电机的磁场分布及转子合金材料的涡流分布,得到电机的起动性能和运行性能,并与同功率普通感应电动机的性能进行了对比,指出了复合笼条转子感应电动机性能的优势。为了研究不同转子槽形和材料特性对电机性能的影响作用,通过计算得到了转子槽形与材料特性双因素不同组合方案对电机起动性能和运行性能的影响关系,研究了导电导磁合金材料引起的磁分流现象、磁分流作用与转子槽形的关系,对复合材料不同几何形状尺寸相对变化时电机的运行性能进行了计算,为复合笼条转子感应电动机性能的进一步优化提供了理论参考。 针对电机中转子导磁导电复合材料使用后转子涡流增加而引起热流密度增大的问题,建立了复合笼条转子感应电动机全域温度场的二维模型,确定了电机求解域内散热系数、相关导热系数与转差率的相关性及涡流损耗分布,通过电磁场与温度场的关联求解方法,得到了电机稳态运行时的全域温度分布情况,研究了转子笼条材料导热系数对电机的温度分布的影响和不同转子材料的导电性、导磁性和导热性对电磁场与温度场的综合影响关系。 为了计及堵转时转子涡流损耗的复杂分布,建立了转子复合笼条分层等效的瞬态温度场的物理模型,研究了间断堵转过程中不同时刻定转子各部件温度的分布特性,描述了定子绕组的热扩散过程和定转子双向热传递的机理,研究了转子在堵转时间段和自然冷却时间段内径向瞬态传热过程。这对于判断电机实际运行中出现堵转情况时各部件的温升较为重要。 本文完成了复合笼条转子感应电动机样机起动性能、不同负载的运行性能和温升测试,对间断堵转过程中不同时刻的温度进行了测量,相应的计算结果与之进行了对比。


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