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        基于Ansoft的三相感應電機方案設(shè)計及優(yōu)化

        2017-05-31 00:55:17楊佳陳啟飛
        山東工業(yè)技術(shù) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計優(yōu)化轉(zhuǎn)矩功率

        楊佳+陳啟飛

        摘 要:針對傳統(tǒng)電機設(shè)計優(yōu)化周期長、花費大等問題,初選設(shè)計方案后應用Ansoft軟件進行設(shè)計及分析優(yōu)化,最終確定最優(yōu)參數(shù)。

        關(guān)鍵詞:電機;設(shè)計優(yōu)化;功率;轉(zhuǎn)矩

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.145

        1 引言

        所謂電機優(yōu)化設(shè)計室指在滿足國家標準、用戶要求以及特定約束條件下,使電機效率、體積、功率、重量等設(shè)計性能指標達到最優(yōu)的一種技術(shù)[1]。以往電機設(shè)計均采用先計算電機參數(shù)、制造樣機再進行實驗驗證后改進的方法,不僅花費巨大,而且周期很長。應用ansoft軟件,采用先分析參數(shù)選最優(yōu)方案,再制作樣機進行實驗驗證的方法。一套方案只需很短的時間就可以驗證完畢,各種設(shè)計思路可以馬上得到驗證。大大減小了零件的加工時間和費用。本文針對某電動汽車使用的三相感應電機的設(shè)計方案應用ansoft軟件進行分析,最終確定設(shè)計參數(shù)。

        2 三相感應電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

        根據(jù)設(shè)計需求,電機為恒功率運行,初步設(shè)計三相感應電機的額定功率為11kW, 額定電壓380v,極數(shù)4極,氣隙大小0.5cm。通過計算和查表,確定電機主要參數(shù):定子槽數(shù)36,外徑160mm,內(nèi)徑170mm,長度155mm;轉(zhuǎn)子槽數(shù)26,外徑169mm,內(nèi)徑60mm,長度155mm。

        電機的初始設(shè)計模型:電機定子繞組連接到對稱的三相電源上。定子繞組由2對極組成,在空間成正弦分布,定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組為鼠籠式結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子導條中感應的電流又產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。兩個磁場在電機氣隙中相互作用產(chǎn)生合成磁場。氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子導條電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子按磁場旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn),同時有一個大小相同方向相反的轉(zhuǎn)矩反作用于定子上。

        3 分析方案

        根據(jù)設(shè)計方案和電機特點,利用磁路計算和有限元結(jié)合的方法,采用RMxprt軟件和maxwell2D分析軟件,研究所設(shè)計的電機的空載特性,啟動特性等,并對影響電機性能的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化,確定最佳設(shè)計方案。大體流程為:

        4 RMxprt分析結(jié)果

        根據(jù)初始設(shè)計的電機結(jié)構(gòu),采用RMxprt軟件進行磁路計算,對三相感應電機的特性進行了分析,得到電機效率,輸出功率,輸入電流,輸出轉(zhuǎn)矩等性能曲線和數(shù)據(jù)。列出電機的主要性能指標:

        從以上對比數(shù)據(jù)可以看出,電機主要性能參數(shù)的計算值與仿真值的偏差很小。設(shè)計的電機達到使用要求,對電機的各個設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析,下面將電機的頻率f和電壓U作為參數(shù)進行掃描優(yōu)化,得到對應的效率和轉(zhuǎn)矩曲線如下圖2圖3所示:

        上述優(yōu)化結(jié)果圖中可以看出,當頻率或電壓逐漸增加時,都能達到輸出的額定轉(zhuǎn)矩,但相應會使初始電流增加,電機的損耗增加,效率下降,成本增加。因此,選用V=380v,F(xiàn)=50Hz,滿足性能要求,損耗最小。還可以對電機的其它設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多組合優(yōu)化,通過分析得到性能曲線,確定最優(yōu)組合,本文不再一一贅述。

        5 分析結(jié)果

        (1)電流和轉(zhuǎn)矩。通過分析得到三相電流和轉(zhuǎn)矩曲線如圖4、圖5所示,當電機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時,在轉(zhuǎn)速為n=1460rpm時,輸出為額定狀態(tài),轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。三相電流也趨于正弦分布,完全滿足設(shè)計要求。

        (2)漏磁通的計算。通過計算電機的漏磁通,改變設(shè)計,優(yōu)化性能,使電機的效率達到最大。

        (3)磁密分布和磁飽和度。由電機定轉(zhuǎn)子的磁密分布云圖,得出電機定子中出現(xiàn)磁密最大值Bmax為1.84281。而電機中選用的定子材料為D23_50_2DSF0.920,該種材料的飽和磁密B=2.45734, B>Bmax, 所以材料中磁密未達到飽和,滿足要求。

        6 結(jié)論

        綜上,完成了三相感應電機的設(shè)計及各種方案優(yōu)化,最終由性能參數(shù)確定了電機的設(shè)計參數(shù)。應用該軟件進行設(shè)計,大大縮短了開發(fā)周期及成本。

        參考文獻:

        [1]包廣清,江建中.現(xiàn)代電機優(yōu)化設(shè)計縱橫談[J].中小型電機.2004,31(04):1-6.

        作者簡介:楊佳(1981-),女,碩士研究生,工程師,研究方向:機械設(shè)計及理論。

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