基于Ansoft雙籠雙繞組電機起動性能仿真

王長江，于冰

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

雙籠異步電機既能在起動時有較大的電阻值，具有良好的起動性能，又能在正常運行時有較小的電阻值，不至于過多影響電機的運行效率[1]，同時通過選擇安置在定子槽內兩種不同極對數(shù)的繞組可方便地獲得不同的轉速、轉矩特性。

由于用等效電路法只能近似計及轉子導條內的電流集膚效應和轉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上下層繞組間互感的影響，采用有限元法來計算電機內的電磁場可提高計算精度。利用Ansoft公司的Maxwell 2D模塊可方便地仿真出電機的轉矩和電流曲線，同時利用Maxwell 2D對電機進行磁場分析可驗證所設計的電磁參數(shù)，并且可以調整電機部分參數(shù)。例如，定轉子沖片的形狀，得到較好的電機內磁場分布，使電機的性能達到最佳，確保電機運行的可靠性。

1 雙籠雙繞組電機有限元模型的建立

1.1 電磁場偏微分方程

對于正弦時變電磁場，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。上式的泛函等價條件變分為

能量泛函求極值相當于能量泛函對三個節(jié)點磁位的一階偏導為零，所以經過單元分析、總體合成及邊界條件處理后，可得到一個與正弦時變磁場邊值問題等價的全部節(jié)點滿足的復系數(shù)非線性方程組。通過求解該方程組，就可以得到各個節(jié)點的磁位值[2]。

1.2 電機基本參數(shù)

采用一個三相8/4極結構雙籠雙繞組電機，定子72槽，轉子58槽，定轉子沖片材料采用DW465-50，電機參數(shù)如表1所示。

表1 8/4極雙籠雙繞組電機參數(shù)表

1.3 基本假設

(1)電機有效長度內的磁場為二維平行平面場;

(2)定子鐵心外緣和轉子鐵心內緣的散磁忽略不計;

(3)定轉子鐵心疊片中的渦流和磁滯損耗忽略不計[3]。

1.4 電機幾何模型的生成

在Maxwell 2D中建立電機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)電機結構的對稱性，計算時分別取8極和4極工況的1/2模型，在有限元剖分處理時根據(jù)電機不同部分的精度要求設置相應的網格大小[5]，最后剖分結果如圖1和圖2所示。

圖1 電機8極工況時1/2模型剖分

圖2 電機4極工況時1/2模型剖分

2 仿真結果及分析

利用Ansoft軟件的瞬態(tài)求解器對電機進行計算后可得到轉速、轉矩、電流等一系列曲線。利用Ansoft軟件的后處理功能還可對這些瞬態(tài)曲線進行分析計算，從而得到一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)。電機在4極工況下各性能曲線趨勢與8極的相似，為節(jié)省篇幅只給出8極工況下電機的性能曲線圖，4極工況下只給出數(shù)據(jù)結果。

2.1 起動過程的仿真

為了節(jié)省仿真時間設定電機的轉動慣量為15kg·m2，初始轉速設為0r/min得到電機在8極工況下起動性能曲線如圖3所示。

圖3 電機在8極工況下起動過程

從仿真結果看由于電機空載且轉動慣量設置較小，電機起動所用時間相應較短，8極工況下電機轉速最終穩(wěn)定在同步轉速附近748.6r/min，4極工況下電機轉速最終穩(wěn)定在同步轉速附近1 499r/min。電機轉速穩(wěn)定后，8極工況下的轉矩為0.0454kN·m，4極工況下電機的轉矩為0.0405kN·m，因為電機是空載所以轉矩較低，符合實際工況。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選取較大造成的，如果選取更小的步長可得到更光滑的電流曲線。

2.2 堵轉性能的分析

將電機轉速設置為零，得到電機在8極工況下堵轉性能曲線如圖4所示。

圖4 電機8極工況下堵轉性能曲線

對于異步電機堵轉轉矩等于起動轉矩，從仿真結果看8極和4極兩種工況下的起動轉矩倍數(shù)、起動電流倍數(shù)均設計滿足要求。綜上，電機在8極和4極工況下電機能夠實現(xiàn)自起動且起動轉矩和起動電流滿足設計技術指標。

3 結語

本文利用Ansoft有限元分析軟件，對雙籠雙繞組電機進行了起動過程和堵轉工作狀態(tài)進行了有限元仿真，從仿真結果看電機能實現(xiàn)自起動，電機的起動轉矩倍數(shù)、起動電流倍數(shù)滿足設計要求。

[1]吳振新，王祥衍.異步電機雙籠轉子導條集膚效應的計算[J].中國電機工程學報，2003，23，(3).

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

[3]湯蘊璆，梁艷萍.電機電磁場的分析與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[4]趙博.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2010.

[5]溫嘉斌，康彥婷，張春喜.四極異步起動永磁同步潛油電機的電磁設計與起動性能仿真[J].防爆電機，2011，46(6).