郭 健

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,江蘇南京 210016）

基于有限元方法模擬電機旋轉(zhuǎn)磁場

郭 健

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,江蘇南京 210016）

本文采用有限元方法對三相交流電機內(nèi)部磁場的實際運動情況進行了模擬仿真,仿真結(jié)果很好地展示了電機磁場正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法、不同極對數(shù)電機的磁場分布以及磁場旋轉(zhuǎn)速度與極對數(shù)之間的關(guān)系。分析結(jié)果在教學(xué)中的應(yīng)用可對學(xué)生掌握和熟悉電工學(xué)課程中三相交流電機內(nèi)部磁場分布、正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)以及磁場旋轉(zhuǎn)速度有一定的幫助。

電機;有限元;旋轉(zhuǎn)磁場

三相交流電機內(nèi)部磁場的分布、旋轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)以及磁場轉(zhuǎn)速是“電工學(xué)”課程中的一個難點,其概念和內(nèi)容十分抽象,直觀性差,教師很難用簡潔的言語進行描述,學(xué)生也難于理解,致使這部分內(nèi)容的教學(xué)效果普遍較差[1,2]。本文采用有限元的方法對三相交流電機內(nèi)部磁場的實際運動情況進行了模擬仿真,展示了電機磁場正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法、不同極對數(shù)電機的磁場分布以及磁場旋轉(zhuǎn)速度與極對數(shù)之間的關(guān)系。計算結(jié)果對于學(xué)生熟悉和掌握三相交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場有一定的幫助。

1 電磁場分析有限元模型

圖1是一對極三相電機磁場分析有限元模型。模型中包括定子、轉(zhuǎn)子、線圈(ABC,xyz)和氣隙區(qū)域。由于實際的電機滿足平面對稱,因此磁場分析時可以選取沿長度方向的任一截面建立二維平面有限元模型。

在磁場計算中引入矢量磁位A來描述磁感應(yīng)強度,B= ×A。在二維平面場中,只存在A z分量,則三相電機旋轉(zhuǎn)磁場的二維定值問題滿足

圖1 三相電機二維有限元模型

式中,μ為磁導(dǎo)率;S為線圈截面積;I m為線圈電流幅值;N為線圈匝數(shù)。

若要實現(xiàn)電機磁場的反相旋轉(zhuǎn)分析,上式變?yōu)?/p>

2 計算結(jié)果

根據(jù)式(1)或式(2),通過改變 ωt的數(shù)值,可以得到不同時刻的磁場分布。當(dāng)三相繞組所接電源的相序按照順時針排布時,電機實現(xiàn)正傳;否則,電機反轉(zhuǎn)。表1為一對極三相電機正、反轉(zhuǎn)所對應(yīng)不同時刻的磁場分布;從表中可以直觀的看出電機中磁場隨時間旋轉(zhuǎn)的規(guī)律。同時,對于一對極電機,當(dāng)線圈電流變化一個周期時,磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周。

表2為1對極、2對極和3對極電機不同時刻所對應(yīng)的磁場分布。從表中可以看出,不同極對數(shù)電機在任一時刻所形成的空間磁場不同。且線圈電流變化一個周期,各電機所形成的磁場的旋轉(zhuǎn)速度也有區(qū)別,此時1對極電機磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周;2對極電機磁場在空間旋轉(zhuǎn)二分之一周;而3對極電機磁場在空間旋轉(zhuǎn)三分之一周,由此可以得出N對極電機磁場在空間旋轉(zhuǎn)N分之一周。

表1 不同時刻電機正反轉(zhuǎn)的磁場分布

表2 不同極對數(shù)電機在不同時刻的磁場分布

3 結(jié)語

本文采用有限元方法對三相交流電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場進行了模擬仿真,展示了電機磁場正、反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法和不同極對數(shù)電機的磁場分布以及磁場旋轉(zhuǎn)速度與極對數(shù)之間的關(guān)系。該仿真結(jié)果應(yīng)用于教學(xué)中,可以啟發(fā)學(xué)生對“電工學(xué)”課程中三相交流電機的學(xué)習(xí)興趣,提高了教學(xué)效果。

[1] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004

[2] 袁琦,黃建清.基于VB的電機旋轉(zhuǎn)磁場模擬實現(xiàn)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2005,27(6):90-93

Simulative Realization of Electrical Machines Rotating Magnetic Field Based on Finite Element Method

GUO Jian

(Co llege of Au tomation Engineering;Nanjing University o f Aeronautics&Astronautics;Nanjing 210016,China)

In this paper,The actualm ovemento fmagnetic field in three-phase alternating currentmachines isanalyzed by the finite element method.The simulation result is proven to be able to describe perfectly the reality of the forward/reversal rotation of the electricalm achine magnetic field,and to demonstrate perfectly themagnetic field distribution under different pole pairs,and the relation between themagnetic field rotation speed and the pole numbers.The simu lation resu lts taugh t in teaching o f electrotechno logy course is help ful to students.

electricalmachine;finite element;rotatingm agnetic field

TM 41

A

1008-0686(2011)02-0110-03

2011-01-17;

2011-03-18

郭 健(1980-),男,博士,講師,主要從事特種變壓器設(shè)計及物理場數(shù)值計算的研究,E-mail:nuaaeelab gj@nuaa.edu.cn