高频脉冲作用下电机定子绕组电压的非均匀分布真空吸笔

高频脉冲作用下电机定子绕组电压的非均匀分布

高频脉冲作用下电机定子绕组电压的非均匀分布 2011： 1 引 言 PWM逆变驱动下，加在电机绕组上的高频电压在绕组内传播，使得电机绕组的分布参数不可忽略。由于分布参数的存在，脉冲电压在电机绕组内分布不均，从而引起部分绕组绝缘层局部过压击穿，这种现象已经引起国内外学者和专家的关注。文献[5,6]分别用仿真手段和多导线传输理论研究了PWM脉冲电压在电机绕组内的分布情况，一致认为PWM脉冲电压上升时间过高是电机绕组绝缘击穿的主要原因，且大部分绝缘击穿经常发生在首匝。但这些文章并没有对高频输入下电机绕组内分布参数的特性进行讨论。文献[7,8]分别用一维扩散方程和非直接边界积分方程计算绕组内的分布参数，文献[9]则利用涡流分析得到分布参数与电机输入电压频率的关系，但直接数值计算方法比较繁杂，而文献[9]也只是针对整嵌式绕组进行计算，应用范围有限。本文利用有限元分析软件ANSYS对定子槽内电磁场进行有限元分析，从而获取电机绕组内的分布参数。这种方法可以讨论高频输入对电机绕组分布参数的影响，尤其是可以反映脉冲输入的瞬态作用，同时能充分考虑电机材料属性以及定子槽内绕组布线对参数求解的影响，因此这种方法的计算结果更加有效和准确。本文还通过建立电机绕组分布参数模型，利用MATLAB仿真分析高频PWM脉冲波在电机绕组内的电压分布情况。仿真结果表明，当PWM逆变器驱动时，电机定子绕组电压分布状况不仅与绕组本身的分布参数有关，而且与PWM脉冲电压上升时间以及传导电缆有关。 2 定子绕组分布参数模型 对于快速上升的脉冲前沿，按照傅立叶分析，其上升时间含有大量高次谐波，为估计一个典型的PWM波前沿在定子线圈间的电压分布，须用一个分布参数电路模型来描述定子绕组。电机绕组中的分布参数包括：①自感和电阻；②同一槽下的匝间互感；③匝-地间电容；④匝-匝间电容。Yifan Tang 在文献[5]中指出：利用边界元法分析各匝的电磁场分布得知：一匝内的传导电流在直接邻近匝感应出一个反场涡流（field-opposing eddy-current），在定子铁心表面感应一个相对小的反场涡流。在邻近匝表面的涡流屏蔽了大部分磁力线，而铁槽表面的涡流，只在100MHZ以上时才有效屏蔽磁力线，而在低于1MHZ时允许更多磁力线通过。因此互感只存在于直接相邻的两匝之间，即最多只有两个互感效益对某匝起作用。但实际上在一个槽内，某一匝周围可能有好几匝，所以某一匝受到的互感作用可能不止两个。虽然如此，为使模型简化，本文按各匝顺序考虑临近匝间的互感作用。线端绕组分布参数电路模型可用图1表示。 3 绕组内分布参数计算 为获得如图1所示电路中的各部分参数，对于不同形式的电机绕组，参数的确定方法也不 同。 考虑到目前很多感应电机都是散嵌式绕组型，本文以散嵌式绕组为研究对象。由于散嵌式绕组在槽内的位置具有不确定性，给计算绕组分布参数带来困难。使用有限元法（Finite Element Method - FEM）对电机槽内绕组进行电磁场分析，可计算散嵌绕组在不同输入电压上升沿时的电机绕组参数，因此能过对分布参数做出准确估算。对于某特定的一相而言，槽内绕组相对位置确定，这种假设可简化分析过程且可行。本文以JO2-32-4型号电机为对象，研究高频脉冲作用下电机定子槽内的电磁场，通过有限元分析得到槽内各匝分布参数。电机参数为：3.0KW，1430转/分，380伏，6.5安，50HZ，E级绝缘；定/转子槽数＝36/26，每槽线数＝62，并联支路数＝2，绕组单层交叉；线规：单根直径＝0.8mm。 有限元分析工具采用ANSYS软件，依照ANSYS的三个部分逐步进行分析和处理，最后得到各分布参数值。由于电阻值与激励及频率无关，所以无需通过ANSYS进行计算。求解电感与求解电容不完全相同，前者采用瞬态分析而后者只需采用静态分析即可。首先进行电感值的计算。建立电机单槽模型，设定5种材料分别为气隙、铁芯、导体、转子和绝缘（包括匝间绝缘，槽绝缘）。然后定义材料属性，划分网格，加载。本文首先将第一匝设定为激励源，瞬间电压设定为470v/500ns。加载完毕执行以下语句进行求解： Main Menu: Solution >-Solve-Current LS. ANSYS有两个后处理器，即通用后处理器 （POST1）和时间－历程后处理器（POST26），前者只能观看整个模型在某一时刻的结果，后者可 观看模型在不同时间段或子步历程上的结果，常用于处理瞬态或动力分析结果。本文利用POST1得到求解后的磁力线分布,结果如图2所示。利用POST26解得各匝的自感，表1给出了部分匝的电感计算值。为减少求解时间，求解过程未设置子过程。 表1 部分匝自感计算参数 Turn Induc.(H) Turn Induc.(H) 1 0.4758E-4 21 0.5302E-4 2 0.4698E-4 22

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