一种航空变频电源系统深槽转子异步电动机设计方法

摘要

本发明提出一种航空变频电源系统深槽转子异步电动机设计方法，应用于航空变频交流供电领域。该方法在现有异步电动机结构设计的基础上，首先进行变频电源供电系统电机启动特性分析，确定不同频率下异步电机起动电流和起动转矩的关系，然后考虑深槽转子电机的集肤效应，分析改变深宽比对转子电阻和漏抗的影响，并推导其计算公式。再考虑电源频率的影响，综合设计转子深宽比，实现异步电动机最佳启动性能。最后通过仿真验证方法的可行性。在进行深槽设计时，保证槽面积不变，以实现正常运行时转子铜损耗基本不变。本发明方法在不改变异步电动机槽面积的前提下，实现了对变频电源系统带载异步电动机起动性能的优化，并保证了正常运行时的系统性能。

主权项

1.一种航空变频电源系统深槽转子异步电动机设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一、进行变频电源供电系统电机启动特性分析，确定不同频率下异步电机起动电流和起动转矩的关系；航空变频电源系统为115V，360～800Hz；异步电动机的参数满足：(R₁+R′₂)₂<<(X_l1+X′_l2)²其中，R₁和R′₂分别表示定子电阻和转子电阻归算值，X_l1和X′_l2分别表示定子漏抗和转子漏抗归算值，则起动电流I_st、起动转矩T_st分别满足：$I_{\mathrm{st}}=\frac{U_1}{2\pi f_1{L}_{l1}+L_{l2}^{\prime }},$$T_{\mathrm{st}}=\frac{{3p}_n{U}_1^2{R}_2^{\prime }}{8{\pi }^3{f}_1^3{(L_{l1}+L_{l2}^{\prime })}^2}$其中，U₁为定子电压，f₁为感应电动势的频率，L_l1和L′_l2为定子漏感和转子漏感值，p_n为电机极对数；步骤二、考虑深槽转子电机的集肤效应，分析改变深宽比对转子电阻和漏抗以及不同频率下集肤效应的影响，并获取其计算公式；用电阻变化系数K_F及电抗变化系数K_x来描述集肤效应，其公式分别为：其中，为电阻变化系数函数，为电抗变化系数函数，ξ＝αh，h为转子笼矩形导条高度，α为透入深度，表示为：$\alpha =\sqrt{\frac{b}{b_s}\frac{{\mathrm{\pi f}}_2{\mu }_0}{\rho }}$其中，b为导条宽度，b_s为槽的宽度，f₂为转子电流频率，μ₀为真空磁导率，ρ为转子导条电阻率，对电阻变化系数K_F、电抗变化系数K_x进行线性化，得：$K_F=2.71\times {10}^{-3}{f}_1+1.2743·{\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{0.46},$$K_x=0.84788-5.13\times {10}^{-4}{f}_1·{\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{-0.46}$其中，K_fb为深宽比；步骤三、根据深宽比的增大对转子槽漏抗的影响，综合设计转子深宽比，实现异步电动机的最佳起动性能，限制低频起动电流，增大高频起动转矩；以正常转速下各物理量为标准，采用标幺值形式分析起动性能，随着深宽比的增大，导致转子槽漏抗增大，以标幺值表示其关系为：$X_{l2}^{\prime }=\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}+0.5$转子电阻标幺值表示为电阻变化系数K_F，转子漏抗标幺值应为集肤效应与深宽比的共同作用，其对应函数为K_x·X′_l2，定子电阻标幺值为1，将以上阻抗变化系数公式代入起动电流和起动转矩公式中，则设目标函数为T_st/I_st，当目标函数取值最大时，系统性能最佳，整理标幺值形式目标函数，为：$T_{\mathrm{st}}/I_{\mathrm{st}}=\frac{3(2.71\times {10}^{-3}{f}_1+1.2743)·{\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{0.46}}{4[1+(0.84788-5.13\times {10}^{-4}{f}_1)·{\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{-0.46}·(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}+0.5)]}$对深宽比K_fb求其导函数，并令其分子为0，并整理可得关系式：${\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{-0.54}+(0.84788-5.13{\times 10}^{-4}{f}_1)·{\left(\frac{K_{\mathrm{fb}}}{8}\right)}^{-1}=0.173(0.84788-5.13\times {10}^{-4}{f}_1)$通过解非线性方程，求出深宽比的最佳值；步骤四、根据得到的深宽比最佳值，设计航空变频电源系统深槽转子异步电动机，然后对设计出的异步电动机，进行系统仿真；根据得到的深宽比最佳值，设计航空变频电源系统深槽转子异步电动机，进行系统仿真，验证异步电动机的可行性。