張寶文，羅玲

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710129）

三相鼠籠式異步電機(jī)設(shè)計(jì)

Design of three-phase squirrel cage induction motor

張寶文，羅玲

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710129）

異步電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)主要是高效率化、變頻調(diào)速化、集成化和智能化、低噪聲化，發(fā)展前景廣闊。本文設(shè)計(jì)出一臺(tái)1 100 W三相異步電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了有限元軟件的電磁場(chǎng)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行了樣機(jī)的空載與負(fù)載實(shí)驗(yàn)。從而驗(yàn)證，該直線電機(jī)電磁設(shè)計(jì)具有可行性。

異步電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；仿真；實(shí)驗(yàn)

異步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有四個(gè)方向，即高效率化［1～2］、變頻調(diào)速化［3］、集成化和智能化［4～5］、低噪聲化。本論文設(shè)計(jì)一臺(tái)1 100 W三相異步電動(dòng)機(jī)，采用等效磁路法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)；應(yīng)用MagNet電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案的磁場(chǎng)和性能進(jìn)行仿真分析；最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將電磁設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 主要尺寸設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)主要尺寸確定

電機(jī)的主要尺寸定子內(nèi)徑Di1

其中，P為極對(duì)數(shù)，V為電機(jī)有效體積，λ為主要尺寸比。

鐵心有效長(zhǎng)度ιef

氣隙δ

圖1 繞組連接圖

定子繞組采用單層整距繞組，交叉式，節(jié)距1～7，2～8。如圖1所示。因定子繞組為圓導(dǎo)線散嵌，故采用梨形槽，齒部平行。轉(zhuǎn)子為獲得較好的起動(dòng)性能，采用平行槽。

1.2 磁路計(jì)算

其中，F(xiàn)δ是波幅系數(shù)，φ是每極磁通，Aδ是一極下空氣隙截面積。

每極磁勢(shì)F0

其中，F(xiàn)δ是氣隙磁勢(shì)，F(xiàn)j2、Fj1分別是轉(zhuǎn)子、定子軛部磁勢(shì)，F(xiàn)t1、Ft2分別是定子、轉(zhuǎn)子齒部磁勢(shì)。

滿載磁化電流Im

氣隙磁密Bδ

其中，m1是電機(jī)相數(shù)，N1是每相串聯(lián)匝數(shù)，Kdp1是繞組系數(shù)。

1.3 參數(shù)計(jì)算

線圈平均半匝長(zhǎng)ι0

其中， lB是直線部分長(zhǎng)度， K 0是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， τv是定子線圈節(jié)距。

空載時(shí)每極磁勢(shì)F00

其中，F(xiàn)δ是空載氣隙磁勢(shì)，F(xiàn)j2、Fj1分別是轉(zhuǎn)子、定子空載軛部磁勢(shì)，F(xiàn)t1、Ft2分別是定子、轉(zhuǎn)子空載齒部磁勢(shì)。

滿載磁化電流Im0

1.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

減少每槽導(dǎo)體數(shù)，使漏抗減小，起動(dòng)總阻抗減小，就可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；但這樣的改動(dòng)結(jié)果會(huì)使起動(dòng)電流有所增加，功率因數(shù)略有降低，調(diào)整后滿載電勢(shì)標(biāo)幺值偏差小于0.5%，起動(dòng)電流倍數(shù)偏差小于3%，而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)均增加，但仍在誤差范圍內(nèi)，即改變每槽導(dǎo)體數(shù)調(diào)整后，電磁參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。將樣機(jī)1 100 W三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)值，與電磁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果作一比較，如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)與計(jì)算結(jié)果比較

最后方案的電機(jī)尺寸如表2所示。

表2 電機(jī)尺寸表

2 電機(jī)有限元仿真

幾何模型在Auto CAD里面建立。通過(guò)畫(huà)線、圓弧、圓或者它們之間的組合，生成封閉區(qū)域，形成2D幾何模型，定子24個(gè)梨形槽，轉(zhuǎn)子22個(gè)平底槽。將2維模型導(dǎo)入Magnet電磁場(chǎng)仿真軟件里，進(jìn)行縱向拉伸，轉(zhuǎn)子和定子的軛部填充硅鋼片DW310—35，導(dǎo)體處填充銅，然后設(shè)置默認(rèn)邊界條件，用空氣包包住模型。用靜態(tài)二維仿真來(lái)求解電機(jī)的電磁場(chǎng)，得到的圖形如圖2所示。

圖2 生成實(shí)體后的截面圖

2.1 定子齒中磁密

齒中磁密最大為1.5 T左右，一對(duì)極下，有2/3磁密比較大，為1.2 T，有1/6齒中磁密比較小，為0.2 T，平均為1.08 T左右；磁路計(jì)算時(shí)齒中磁密為1.05 T。

2.2 定子軛中磁密

軛中有1/3處磁密為1.66 T左右，另外1/3為1.2 T左右，剩下1/3為0.5 T，平均為1.12 T左右；磁路計(jì)算中軛部磁密為1.2 T。

2.3 轉(zhuǎn)子齒中磁密

轉(zhuǎn)子磁極處有2/5處為1.66 T，2/5處為1.15 T，1/5處為0.3 T，平均為1.18 T；磁路計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)子齒部磁密為1.35 T。

2.4 轉(zhuǎn)子軛中磁密

軛中有1/5處磁密為1.54 T左右，另外1/5為1.28 T左右，剩下3/5為1.4 T，平均為1.4 T左右；磁路計(jì)算中軛部磁密為1.41 T。

綜上分析，發(fā)現(xiàn)仿真中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁路計(jì)算中的磁場(chǎng)強(qiáng)度大致吻合。

對(duì)于有運(yùn)動(dòng)部件的模型，比如電機(jī)的轉(zhuǎn)子，要有“Motion”特性。在Object窗口選擇參與運(yùn)動(dòng)的實(shí)體，選擇接近轉(zhuǎn)子的一層氣隙，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子鑄鋁22個(gè)槽，再點(diǎn)擊“Model^ Make Motion Componen”生成“Motion#1”。可以編輯運(yùn)動(dòng)部件的參數(shù)，如負(fù)載驅(qū)動(dòng)/速度驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)/直線運(yùn)動(dòng)，負(fù)載大小或者轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。這里設(shè)置電壓為220 V。轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定于9 000 deg/S，即1 500 r/min；電磁轉(zhuǎn)矩為0 Nm。加載為7.29 N。額定負(fù)載轉(zhuǎn)速為8 640 deg/S，即為1 440 r/min；電磁轉(zhuǎn)矩為7.29 Nm。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

其中，P1為電源輸入功率，∑P為電機(jī)總損耗。效率滿足設(shè)計(jì)方案要求。用損耗分析法求出額定負(fù)載時(shí)的效率η

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)三相鼠籠式異步電機(jī)，并用有限元仿真軟件Magnet進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，做了樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比三種結(jié)果可知三者相吻合，設(shè)計(jì)結(jié)果可以滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，從而證明了電磁設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

［1]段淑珍，文敬懷. 高效率三相異步電動(dòng)機(jī)效率分析與應(yīng)用的可行性［J］. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2007-02，46～48.

［2]IEC 60034-30國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)工作組第一次工作組會(huì)議紀(jì)要［C］. 2007-02-05.

［3]張永利，李利華. 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理和發(fā)展［J］.黑龍江： 黑龍江科苑論壇，2010-05-18.

［4]Fernando J.T.E.Ferreira，Anibal T. de Almeida， Ge Baoming， Sergio P.Faria， and M.Marques. Automatic Change of the Stator-Winding Connection of Variable-Load Three-Phase Induction Motors to improve the efficiency and Power Factor［J］. Industrial Technology，2005.

［5]S.M.A.Cruz， A.J.Marques Cardoso.Stator Winding Fault Diagnosis in Three-Phase Synchronous and Asynchronous Motors， by the Extended Park’s Vector Approach［C］. Industrial Applications Conference，2000.

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TM32

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A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.037

張寶文（1988-），女，碩士研究生學(xué)歷，助理工程師，就職于長(zhǎng)安大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。

2015-12-30