王長(zhǎng)江，于冰

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

雙籠異步電機(jī)既能在起動(dòng)時(shí)有較大的電阻值，具有良好的起動(dòng)性能，又能在正常運(yùn)行時(shí)有較小的電阻值，不至于過多影響電機(jī)的運(yùn)行效率[1]，同時(shí)通過選擇安置在定子槽內(nèi)兩種不同極對(duì)數(shù)的繞組可方便地獲得不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性。

由于用等效電路法只能近似計(jì)及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)的電流集膚效應(yīng)和轉(zhuǎn)子漏磁所引起的磁頂飽和現(xiàn)象，且不能考慮定子雙繞組時(shí)上下層繞組間互感的影響，采用有限元法來計(jì)算電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)可提高計(jì)算精度。利用Ansoft公司的Maxwell 2D模塊可方便地仿真出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流曲線，同時(shí)利用Maxwell 2D對(duì)電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析可驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電磁參數(shù)，并且可以調(diào)整電機(jī)部分參數(shù)。例如，定轉(zhuǎn)子沖片的形狀，得到較好的電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)分布，使電機(jī)的性能達(dá)到最佳，確保電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1 雙籠雙繞組電機(jī)有限元模型的建立

1.1 電磁場(chǎng)偏微分方程

對(duì)于正弦時(shí)變電磁場(chǎng)，其邊值問題為

式中，Ω—求解域;—源電流密度;υe—鐵心的磁阻率;S1、S2—區(qū)域Ω的邊界，在S1上給出A的第一類邊界條件，在S2上給出A的第二類邊界條件。上式的泛函等價(jià)條件變分為

能量泛函求極值相當(dāng)于能量泛函對(duì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)磁位的一階偏導(dǎo)為零，所以經(jīng)過單元分析、總體合成及邊界條件處理后，可得到一個(gè)與正弦時(shí)變磁場(chǎng)邊值問題等價(jià)的全部節(jié)點(diǎn)滿足的復(fù)系數(shù)非線性方程組。通過求解該方程組，就可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁位值[2]。

1.2 電機(jī)基本參數(shù)

采用一個(gè)三相8/4極結(jié)構(gòu)雙籠雙繞組電機(jī)，定子72槽，轉(zhuǎn)子58槽，定轉(zhuǎn)子沖片材料采用DW465-50，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 8/4極雙籠雙繞組電機(jī)參數(shù)表

1.3 基本假設(shè)

(1)電機(jī)有效長(zhǎng)度內(nèi)的磁場(chǎng)為二維平行平面場(chǎng);

(2)定子鐵心外緣和轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)緣的散磁忽略不計(jì);

(3)定轉(zhuǎn)子鐵心疊片中的渦流和磁滯損耗忽略不計(jì)[3]。

1.4 電機(jī)幾何模型的生成

在Maxwell 2D中建立電機(jī)的幾何模型并加載材料以及邊界條件[4]。為了節(jié)省求解的工作量，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，計(jì)算時(shí)分別取8極和4極工況的1/2模型，在有限元剖分處理時(shí)根據(jù)電機(jī)不同部分的精度要求設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格大小[5]，最后剖分結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 電機(jī)8極工況時(shí)1/2模型剖分

圖2 電機(jī)4極工況時(shí)1/2模型剖分

2 仿真結(jié)果及分析

利用Ansoft軟件的瞬態(tài)求解器對(duì)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算后可得到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等一系列曲線。利用Ansoft軟件的后處理功能還可對(duì)這些瞬態(tài)曲線進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。電機(jī)在4極工況下各性能曲線趨勢(shì)與8極的相似，為節(jié)省篇幅只給出8極工況下電機(jī)的性能曲線圖，4極工況下只給出數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.1 起動(dòng)過程的仿真

為了節(jié)省仿真時(shí)間設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為15kg·m2，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為0r/min得到電機(jī)在8極工況下起動(dòng)性能曲線如圖3所示。

圖3 電機(jī)在8極工況下起動(dòng)過程

從仿真結(jié)果看由于電機(jī)空載且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置較小，電機(jī)起動(dòng)所用時(shí)間相應(yīng)較短，8極工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速附近748.6r/min，4極工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速附近1 499r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，8極工況下的轉(zhuǎn)矩為0.0454kN·m，4極工況下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.0405kN·m，因?yàn)殡姍C(jī)是空載所以轉(zhuǎn)矩較低，符合實(shí)際工況。8極工況下三相電流在35.7A左右，三相最大相差4.1%，4極工況下三相電流在18.2A左右，三相最大相差4.3%，8極和4極均滿足三相平衡。圖3中電流曲線呈鋸齒狀是由于步長(zhǎng)選取較大造成的，如果選取更小的步長(zhǎng)可得到更光滑的電流曲線。

2.2 堵轉(zhuǎn)性能的分析

將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為零，得到電機(jī)在8極工況下堵轉(zhuǎn)性能曲線如圖4所示。

圖4 電機(jī)8極工況下堵轉(zhuǎn)性能曲線

對(duì)于異步電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從仿真結(jié)果看8極和4極兩種工況下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)均設(shè)計(jì)滿足要求。綜上，電機(jī)在8極和4極工況下電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自起動(dòng)且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)語

本文利用Ansoft有限元分析軟件，對(duì)雙籠雙繞組電機(jī)進(jìn)行了起動(dòng)過程和堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行了有限元仿真，從仿真結(jié)果看電機(jī)能實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]吳振新，王祥衍.異步電機(jī)雙籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條集膚效應(yīng)的計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23，(3).

[2]夏正澤，劉慧娟.基于Ansys的異步牽引電機(jī)電磁場(chǎng)分析[J].防爆電機(jī)，2008，43(3).

[3]湯蘊(yùn)璆，梁艷萍.電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]趙博.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

[5]溫嘉斌，康彥婷，張春喜.四極異步起動(dòng)永磁同步潛油電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與起動(dòng)性能仿真[J].防爆電機(jī)，2011，46(6).