王曉迪，謝 衛(wèi)，沈業(yè)成，劉 真

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

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基于Ansoft的大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

王曉迪，謝 衛(wèi)，沈業(yè)成，劉 真

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

介紹了運(yùn)用等效磁路法設(shè)計(jì)的25 MW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，并用有限元分析軟件Ansoft對(duì)電動(dòng)機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行有限元計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果與同類電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而確定一種較優(yōu)的電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

大功率；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；有限元

0 引言

目前電動(dòng)機(jī)已普遍應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和家用電器等領(lǐng)域，其中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兼顧特殊需求和通用需求為一體，是大型風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、離心機(jī)、水泵等機(jī)械設(shè)備的理想驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，在鋼鐵、煤炭、水泥、化工等行業(yè)中，兆瓦級(jí)的大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)使用越來(lái)越頻繁?；诟袘?yīng)電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)方面的諸多優(yōu)點(diǎn)以及它廣泛的應(yīng)用和研究前景，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)25 MW大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

1 電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1.1 主要參數(shù)

對(duì)于設(shè)計(jì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，必須確定許多的尺寸，其中起主要和決定作用的是電樞鐵心的直徑和有效長(zhǎng)度，其次氣隙也很重要。對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)而言，其電樞直徑就是定子內(nèi)徑。一旦這些最主要的尺寸確定了，其它尺寸也就隨之大體確定。

電機(jī)主要尺寸由式(1)確定，這便是電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中最為重要的電機(jī)常數(shù)公式。

(1)

電機(jī)常數(shù)CA表示產(chǎn)生單位計(jì)算轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料的體積，在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)材料的耗用量。

1.2 電磁負(fù)荷的選擇

A和Bδ的大小決定電機(jī)的電磁損耗。一般都希望它們的值高一點(diǎn)，這樣電機(jī)的尺寸小質(zhì)量輕，可以減少成本[1]，但會(huì)影響發(fā)熱和效率。

對(duì)于大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子繞組線負(fù)荷A的取值是有一定范圍的，本文選取了980 A/cm。對(duì)于大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子磁密一般取1.5 T左右，最大不超過(guò)1.65 T，轉(zhuǎn)子磁密可以適當(dāng)取高一點(diǎn)，以不超1.8 T為好。此外，氣隙磁密Bδ的大小也有不同的選擇范圍，一般要小于0.85 T。

1.3 主要尺寸比

利用式(1)初步計(jì)算出D2lef的大小，而定子內(nèi)徑和鐵心長(zhǎng)度的關(guān)系可以由式(2)描述。

(2)

式中：λ為主要尺寸比。

對(duì)于大功率的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，通常取λ=1～3.5，極數(shù)較多時(shí)取較大值，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)為4極，綜合考量之下，取λ=1.24。

2 電動(dòng)機(jī)物理模型的建立

2.1 電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的大功率三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分參數(shù)如下：4極，額定功率25 MW，額定電壓10 kV，額定頻率50 Hz，定子電流1 600 A，同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，采用雙層繞組，并聯(lián)支路數(shù)和并繞根數(shù)都為4，定子繞組Y型連接，定子槽數(shù)96，轉(zhuǎn)子槽數(shù)118。程序運(yùn)行后便得到了電機(jī)在額定點(diǎn)性能指標(biāo)、空載數(shù)據(jù)、效率、定子繞組等參數(shù)和曲線[2]。

在Ansoft RMxprt模塊中得到的電動(dòng)機(jī)沖片物理模型和定子繞組排布，分別如圖1、2所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)沖片物理模型

圖2 定子繞組排布

2.2 RMxprt仿真分析

將所有參數(shù)輸入完畢后利用RMxprt模塊進(jìn)行路算法的仿真求解，該方法方便省時(shí)且計(jì)算迅速，缺點(diǎn)是由于簡(jiǎn)化了模型，計(jì)算精度不如有限元法高，但也足以幫助驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)方案是否合理。

經(jīng)過(guò)RMxprt模塊計(jì)算，查看各項(xiàng)參數(shù)和曲線，可知所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)性能基本符合預(yù)想。部分特性曲線見(jiàn)圖3。

3 有限元分析

網(wǎng)絡(luò)剖分是有限元離散化中最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟，良好的取舍可以在最小的計(jì)算資源下?lián)碛凶顬闇?zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。由于本文設(shè)計(jì)的是大功率電動(dòng)機(jī)，氣隙作為最關(guān)鍵的部位其磁壓降最大，故剖分得最密，定轉(zhuǎn)子齒部和繞組部分也剖分得較密。為了節(jié)省求解時(shí)間，定轉(zhuǎn)子軛部剖分作了相對(duì)疏化處理[3]，不同材料之間的剖分，過(guò)渡也相對(duì)平滑，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格剖分

3.1 空載瞬態(tài)磁場(chǎng)分析

電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速非常接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流很小，約等于0，空載時(shí)的電子電流近似等于激勵(lì)電流。為了模擬空載運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)設(shè)置中將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 499.93 r/min，截取0.17 s時(shí)磁通密度云圖和磁力線分布圖。從圖5磁密云圖中可以看到，磁密值都在合理范圍內(nèi)，磁密分布情況也比較理想。圖6所示的磁力線分布也比較合理，并且可以判斷電動(dòng)機(jī)為4極電機(jī)。

圖7所示的是電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩，由圖可知，由于是大型電機(jī)的緣故暫態(tài)過(guò)程持續(xù)了1s左右，這也是有限元求解的特點(diǎn)，后面電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)，平均值接近于0。

圖5 空載磁通密度云圖

圖6 空載磁力線分布

圖7 空載轉(zhuǎn)矩

圖8所示是空載時(shí)的氣隙徑向磁密，這是利用軟件在電動(dòng)機(jī)氣隙部分添加曲線后計(jì)算得到的。直觀上，諧波比較大，該諧波是由齒槽引起的，但圖形整體上還是按正弦波的形狀分布，波形有一定脈動(dòng)，符合實(shí)際的情況，空載氣隙磁密的分布相對(duì)合理。

圖8 空載氣隙徑向磁密

3.2 負(fù)載瞬態(tài)磁場(chǎng)分析

負(fù)載時(shí)，選擇恒功率負(fù)載類型，在定子繞組加上額定的三相交流電壓，并設(shè)置較長(zhǎng)的分析時(shí)間使得電動(dòng)機(jī)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。截取0.33 s時(shí)刻的磁密云圖和磁力線分布圖，圖9是負(fù)載狀態(tài)下的磁通密度云圖，可見(jiàn)除定子齒部少量區(qū)域的磁密達(dá)到1.9 T以外，絕大部分的磁密值處于合理的范圍內(nèi)且分布均勻。圖10是負(fù)載下的磁力線分布圖，定轉(zhuǎn)子齒軛部以及氣隙的分布都較為合理。

圖9 負(fù)載磁通密度云圖

圖10 負(fù)載磁力線分布

額定電壓時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖11所示，本文給定了一個(gè)在同步初始轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速1 492.68 r/min，然后突然加載電壓，觀察瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，過(guò)渡時(shí)間約1 s，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，大小約160 kN·m，與額定值吻合，雖然仍有一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但總體是比較平滑的。

圖11 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

負(fù)載以后，作用在電動(dòng)機(jī)主磁路上用來(lái)產(chǎn)生氣隙主磁場(chǎng)的激勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組合成的磁動(dòng)勢(shì)，這與空載情況是不同的。所以圖12中的氣隙磁密波形與空載時(shí)的氣隙磁密波形有著一定的差別，后續(xù)查看負(fù)載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形正弦性很好，所以負(fù)載氣隙磁密的分布也是合理的。

圖12 負(fù)載氣隙磁密

4 數(shù)據(jù)對(duì)比

國(guó)內(nèi)外功率相當(dāng)?shù)念愃齐姍C(jī)數(shù)據(jù)指標(biāo)作為參考，我們選擇東汽壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)25 MW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[4]。將仿真計(jì)算得到的參數(shù)與該電機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)是否可行。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，各項(xiàng)指標(biāo)差異均在合理范圍之內(nèi)，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案是可行的，設(shè)計(jì)的合理性得到了比較好的驗(yàn)證。對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先使用等效磁路法設(shè)計(jì)了一臺(tái)大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，再利用Ansoft軟件中的RMxprt和Maxwell 2D模塊建立模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)空載瞬態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，之后再與同類電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比考量，為進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)精度提供了幫助。

[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

[2]謝世強(qiáng)，鄔芝勝.基于Ansoft12的感應(yīng)電機(jī)參數(shù)化及其瞬態(tài)仿真[J] .防爆電機(jī)，2012，47(5)：27-29.

[3]楊洋.基于Ansoft的交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)的有限元分析[J] .船電技術(shù)，2007，27(4)：201-203.

[4]華錚，田德見(jiàn).東汽壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)25MW異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[J].東方電機(jī)，2013，(1)：40-44.

王曉迪，男，1991年生，碩士研究生，電機(jī)與電器專業(yè)，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代特種電機(jī)及其控制系統(tǒng)。