電參數(shù)對(duì)專用設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的影響分析

李司宇 高劍波

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力研究的必要性

目前，專用設(shè)備的設(shè)計(jì)主要考慮電磁性能、能耗、效率等，在機(jī)電試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)試功率等對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行等效計(jì)算，但并未系統(tǒng)研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力是專用設(shè)備升速方法的重要研究?jī)?nèi)容，需要充分研究電參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)快速、高效的升速方法。

2 建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)力研究模型

在電機(jī)升速及工作期間，轉(zhuǎn)子盤位于電機(jī)定子上方。轉(zhuǎn)子盤受磁場(chǎng)作用力的方向?yàn)樾毕蛳拢瑢?duì)受力進(jìn)行分解處理，可得到3 個(gè)方向的分力，如圖1 所示。其中：沿轉(zhuǎn)子盤的切向力Ft形成一對(duì)環(huán)向力偶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)；軸向向下的分力Fz會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子盤與定子之間氣隙大小發(fā)生變化，也將增大下支承承載力；徑向平衡力Fi使轉(zhuǎn)子盤在徑向方向保持相對(duì)位置的平衡[1]。

圖1 轉(zhuǎn)筒受力

分解空間驅(qū)動(dòng)力可得到Fz和Ft的大小以及轉(zhuǎn)子盤和電機(jī)定子的半徑。轉(zhuǎn)子盤與定子之間的磁拉力、兩磁力線之間的夾角與定子、轉(zhuǎn)筒之間的間隙值有關(guān)[2]。轉(zhuǎn)子盤和定子的半徑屬于固定電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)?？臻g力F與定轉(zhuǎn)筒之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的是電參數(shù)的大小，如電流、線圈數(shù)量等。兩磁力線之間的夾角是轉(zhuǎn)子盤本身由于具有磁滯效應(yīng)而引起的磁力線位移差，是材料本身的固有屬性[3]。經(jīng)分析，在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，主要影響驅(qū)動(dòng)力大小的可變參量為電參數(shù)（電流）、電源頻率，因此本課題以頻率為影響驅(qū)動(dòng)力大小的主要因素進(jìn)行仿真對(duì)比分析。下面依據(jù)技術(shù)文件建立實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力研究模型[4]。

3 專用設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)值模擬分析

3.1 電流對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響分析

根據(jù)研究目標(biāo)，首先研究電流大小對(duì)電磁場(chǎng)及驅(qū)動(dòng)力的影響。固定定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙值為1.6 mm[5]，改變輸入電流大小，計(jì)算轉(zhuǎn)子盤受到的空間力大小。選擇輸入電流值范圍在0.1 ～0.6 A（覆蓋升速電流范圍），計(jì)算電源頻率f=8 Hz、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=50 r·s-1情況下驅(qū)動(dòng)力的大小。

從圖2 可以看出，轉(zhuǎn)子盤中心位置受到的磁拉力大于轉(zhuǎn)盤邊緣力，并且在電流值增大的過(guò)程中，整個(gè)轉(zhuǎn)子盤受到的磁拉力呈明顯上升趨勢(shì)。

圖2 磁拉力分布云圖

3.2 滑差對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響分析

3 號(hào)專用設(shè)備電試驗(yàn)要求的升速方式為三階梯，分別為5 Hz、8 Hz 和16 Hz。以電源頻率8 Hz 為研究對(duì)象，在轉(zhuǎn)速為5 ～7 r·s-1的條件下分析不同滑差的驅(qū)動(dòng)力大小分布。不同滑差下轉(zhuǎn)子盤受到的平均磁拉力，如圖3 所示。通過(guò)分析滑差對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響，得到升速階段不同滑差下磁拉力值的變化趨勢(shì)，可知不同滑差下的磁拉力值差別較小。

圖3 不同滑差下轉(zhuǎn)子盤受到的平均磁拉力

4 結(jié)果驗(yàn)證

在電源頻率8 Hz 升速階段，不同轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速下，對(duì)比轉(zhuǎn)子盤受到的磁拉力與試驗(yàn)間接測(cè)試的磁拉力值。在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試得到的磁拉力值與計(jì)算得到的磁拉力值基本吻合，變化趨勢(shì)一致。在電源頻率為8 Hz 時(shí)，不同滑差下轉(zhuǎn)子盤受到的平均磁拉力如圖4所示。從圖4 可以看出：滑差對(duì)軸向拉力影響較小，因此升速時(shí)可不考慮滑差對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)承載力的影響；電流對(duì)軸向磁拉力影響較大，升速期間應(yīng)將電流控制在合理范圍內(nèi)，以保證轉(zhuǎn)子承載力滿足要求。

圖4 電源頻率8 Hz 時(shí)不同滑差下轉(zhuǎn)子盤受到的平均磁拉力

5 結(jié)語(yǔ)

本研究建立專用設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)力仿真有限元模型，完成了專用設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬分析滑差對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力大小的影響因素，并揭示了影響規(guī)律。結(jié)果表明，電流對(duì)磁拉力的影響較大，磁拉力隨電流增大而增大，滑差對(duì)磁拉力的影響較小。