电机的运行模式和类型由其绕组的连接方式决定。它们的基本工作原理基于流经这些绕组的电压和电流。无论什么类型的电机,绕组都可分为集中绕组和分布绕组,集中式绕组进一步还可以分为整数槽绕组与分数槽绕组。
顾名思义,集中绕组是指电机中的每个极都有一组导体穿过同一个槽。分布式绕组槽的数量大于极的数量,因此每个极的导体将分布在槽中。本文不讨论使用集中绕组和分布式绕组的好处及其区别。
本文讨论的感应电机模型是使用60°的磁极节距制造的。这意味着从一个定子槽的底部到另一个定子槽的底部有60°的间隔。为了创建一些均匀的磁通密度线,并确保钢转子上的感应产生运动,我们需要确保每个定子槽之间有一定的间隔。在许多转子拓扑中,这个间隙由定子齿填充。然而,在这个例子中,我们选择了15°气隙,这意味着每个定子槽将覆盖全部所需的60°间隔的45°。
在这一点上,我们所描述的可能听起来很复杂,但实际上很简单。正如我们前面提到的,电机绕组的设计取决于它们的电压相量图。在下图中,蓝线代表相位,而橙色线代表负相位。
本例中使用的感应电机是一台三相两极电机,可以用相量图准确描述,其中60°表示定子中的极距。唯一的挑战是,每个定子之间分离的机械角度仅适用于两极电机的情况。我们需要在相量图中显示的电角度(描述转子的圆周运动)和实际机械角度(描述每个定子槽的物理位置)之间建立一种关系。电角度由以下等式表示:
在下图中,我们通过添加“球”的选择实现参数化,这样我们就可以始终选择每个定子槽的中点。如前所述,线圈间距为45°,由于我们使用的是圆形几何,因此很容易将x和y坐标参数化以跟踪几何形状周围每个线圈位置:
如上面截图显示,球1代表相–A,球2代表相A。通过并集特征,将这些单元合并到一个选择中。这使得我们可以很容易地从每个线圈特征的物理接口中调用它们。
上面截图中突出显示的框显示了物理节点可以链接到域选择。这里,绿色方框代表并集节点,蓝色方框代表球1。这种链接是必要的,以表明目前的电流方向是相反的。
相位的顺序将决定转子移动的方向。因此,我们将使用与原始示例相同的顺序,从相A开始。现在,我们来考虑一台四极电机,并描述电角度和机械角度以及电流的相位和方向。下表列出了这些单元的概述。
四极电机的相位、电流方向、电角度和机械角度之间的关系。
如果手动完成,这项任务可能会变得相当乏味。为了执行相同的操作,我们需要创建12个球选择,将它们分组为三个并集,然后识别每个反向的电流方向。现在,假设我们需要对一台八极或十极电机这样操做,并且必须手动改变每种绕组设计的每种选择。那么,正如我们接下来将演示的,App开发器在这种情况下就变得非常方便。
使用App开发器,您可以开发定制的用户界面,来满足您的特定需求。在这里,我们已经参数化了我们的模型,以便创建一个依赖于定子极距和机械角度的函数,并可用于为多极感应三相电机建模。如前所述,有许多方法可以执行这样的操作,但是我们的目标是展示使用选择和App开发器的功能和优势。
在球选择中作为x和y位置输入的功能可以分别通过以下表达式来描述:
这里,θs是线圈节距,n是从零到模型中线圈总数的整数。
由于我们需要处理三个相位和两个电流方向,我们可以很容易地使用mod函数(%)来识别每个线圈的两个有趣属性:相位和电流方向。如果我们从–A相开始对线圈进行计数,直到每个线圈槽的所有机械角度都被覆盖,我们将得到与下表类似的四极情况。
用于识别每个相位以及何时反转当前方向的算法的描述。
这里,线圈编号(i)为0表示相–A,线圈编号1表示相B,以此类推。使用i%3,我们可以轻松地将相A识别为0,相B识别为1,相C识别为2。此外,对于从相A开始的每个相位,我们可以看到负电流被标识为1,而电流的正极被标识为0。
为了了解上表中描述的工作原理,让我们来看看在App开发器的方法编辑器中创建的一段代码。
上图仅显示了如何为相A创建选择。这里,我们使用三个计数器:i从0开始计数,直到最后一个线圈(四极情况下为11)。如果i%3为真,那么我们可以说它是相A,并将把这些选择存储在相A数组中。然后我们需要检查当前方向。如果i%2为0,那么电流的方向被认为是负的,我们将把这些选择存储在另一个名为phaseArev的数组中。
到目前为止,我们已经创建了球选择,但仍然需要创建并集。这个操作非常容易执行,因为在我们的情况下,我们将始终有6个联合:相A、相B和相C,以及对应于反向电流方向的三个并集。