矿用隔爆变频调速电机的设计及温度场研究

论文摘要

随着电力电子技术的发展,变频调速异步电动机越来越广泛地应用到各种工业领域,其中不乏在矿山、石化等易燃易爆环境中的应用。而变频调速系统的使用也给电力电子与电气传动学科带来了新的研究课题,即在变频器供电下矿用隔爆异步电动机的设计、分析与温度场研究。本文从变频调速异步电动机的设计出发,首先将传统异步电动机的设计方法与变频调速异步电动机的设计方法进行了比较。指出了传统异步电动机设计方法在变频调速异步电动机设计中存在的局限性。通过对一台40kW矿用隔爆变频调速异步电动机的设计,分析了如何选取额定点,如何选取电机的参数来满足机械负载的要求。由于变频调速异步电动机在不同的频率点下运行时,异步电动机的过载能力不尽相同。为此,对在不同频率点下的变频调速异步电动机最大转矩倍数进行了数值计算。分析了不同气隙高度对电机性能的影响,计算了电机在不同气隙下的稳态性能,得出与工厂实际相符合的结论。在温度场的计算中,针对所设计矿用隔爆变频调速异步电动机的温度场分布进行了仿真计算研究。对仿真的数值分析方法进行了研究,建立了二维热传导模型,分析讨论了温度场计算过程中边界条件的计算和设置。通过有限元软件Ansoft对变频调速异步电动机进行涡流损耗计算。在此基础上,运用有限元法对变频电机的温度场进行了计算,确定了电机的求解域,同时利用流体相似理论,给出了定、转子表面对流换热系数的计算方法,进而获得电机在不同的频率下的温度分布和电机径向和绕组的多组温度场分布曲线,并用相关理论对所得结果进行分析。通过仿真得出了矿用隔爆变频调速异步电动机在不同频率下运行的温度场差别。这些都为矿用隔爆变频调速异步电动机的设计提供了有力的设计依据,具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 交流调速技术发展的概况
• 1.3 变频调速异步电动机的发展和现状
• 1.4 温度场研究的发展和现状
• 1.5 课题的研究内容
• 第二章 隔爆变频调速异步电机的理论分析
• 2.1 传统异步电动机设计方法
• 2.1.1 传统异步电机的主要尺寸设计公式
• 2.1.2 传统异步电机设计方法的特点和局限性
• 2.2 变频调速异步电机的设计方法
• 2.2.1 变频调速异步电机的主要尺寸设计公式
• 2.2.2 变频调速异步电机转子槽的设计
• 2.2.3 变频调速异步电动机的谐波抑制
• 2.2.4 变频调速异步电机设计方法的特点
• 2.3 传统异步电动机设计方法与变频调速异步电动机设计方法的比较
• 2.4 矿用隔爆变频调速异步电动机的结构设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 40kW隔爆变频调速电机设计实例
• 3.1 额定点的选取
• 3.1.1 机械负载要求和变频器选择
• 3.1.2 额定点选取方案一
• 3.1.3 额定点选取方案二
• 3.2 40kW变频调速异步电动机的设计
• 3.2.1 变频调速异步电动机的尺寸设计
• 3.2.2 变频调速异步电机的电磁设计
• 3.2.3 最大转矩倍数分析
• 3.3 矿用隔爆变频调速电动机结构设计
• 3.3.1 电机绝缘的设计
• 3.3.2 电机隔爆结构设计
• 3.3.3 冷却结构的设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 隔爆变频调速电机二维温度场研究
• 4.1 温度场的基本方程
• 4.1.1 传热学的基本定律和导热微分方程
• 4.1.2 导热微分方程式的边界条件
• 4.2 二维涡流分析理论
• 4.2.1 A-Φ中方程组的导出
• 4.2.2 电机内的功率损耗
• 4.3 温度场相关系数的确定
• 4.3.1 导热系数
• 4.3.2 对流换热系数
• 4.4 矿用隔爆变频调速异步电动机温度场仿真
• 4.4.1 Ansoft电磁场分析软件简介
• 4.4.2 温度场求解结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢