氣隙長度對三相感應電機性能的影響分析

李玉山，魏會來

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

氣隙長度對三相感應電機性能的影響分析

李玉山，魏會來

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度是其主要影響因素之一。使用Ansoft Maxwell軟件建立三相異步電機模型并進行有限元仿真分析，得出電機在不同氣隙長度時的性能曲線，通過比較這些曲線分析出氣隙長度對電機性能的影響。

異步電機；氣隙長度；影響因素；有限元分析

CLC NO.:U463.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-91-03

引言

三相異步電機結構簡單、制造方便、運行性能好，并可節(jié)省各種材料、價格便宜，因而廣泛地應用于國民經濟的各個部門。電機的性能在很大程度上取決于電機的尺寸，合理的電機尺寸可以有效提高電機的動穩(wěn)態(tài)特性。電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度是其主要影響因素之一。因此，研究氣隙對電機運行的影響具有重要的意義。

如果想知道氣隙對電機性能的影響，那么必須要對電機內部的電磁場進行計算。數(shù)值法是將所要計算的電磁場區(qū)域剖分成許多網格或單元，然后再經過數(shù)學處理進而建立以網格或單元上各節(jié)點的求解函數(shù)值為未知參數(shù)的方程組。通常用于解決電機電磁場問題的數(shù)值解法包括有限元法和差分法，用有限元法求解時單元的剖分靈活性大，適用性強，求解的精度高。因此，本文選擇Ansoft公司機電系列軟件中的Maxwell 2D建立三相異步電機模型并對其進行瞬態(tài)場仿真分析，采用有限元法對電機內部磁場進行計算。

1、電機的有限元分析過程

本文應用Ansoft軟件進行分析，其基本步驟如下:（1）創(chuàng)建項目；（2）建立模型；（3）賦屬性；（4）設邊界；（5）剖網格；（6）加激勵；（7）計算；（8）后處理。

電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度δ是影響氣隙磁場的主要因素之一。本文通過仿真，對比分析氣隙長度分別為δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm五種情況對電機性能的影響。

1.1 建立模型

本文選取三相異步電機的基本尺寸如表1所示。該電機定子繞組為單層繞組，采用三相60°相帶，線規(guī)為Φ1.3mm銅線，2股并繞作為一匝，每槽28匝，單層繞組，節(jié)距為1-9。定子繞組采用三角形接法。電機極數(shù)為4極，額定功率11kW，三相電壓源為50Hz，380V，同步轉速是1500rpm。材料設置為:鐵心--熱軋硅鋼片D23，轉軸--不銹鋼材料，機座--鑄鐵材料。

表1 三相異步電機基本參數(shù)

首先在RMxprt模塊中建立基本電機模型，再導入Maxwe11 2D中進行有限元分析。建立的電機1/2幾何模型及其網格剖分模型如圖1，2所示。

1.2 有限元分析設置

本文應用Ansoft Maxwell軟件的2D Transient分析模塊。首先對創(chuàng)建的模型定子、轉子、氣隙等添加材料屬性，對定轉子鐵芯、定子繞組、轉子鼠籠繞組分別賦予材料為D23_50、copper、cast_aluminum_75C。

其次對于模型添加了Vector Potential Boundary（狄里克萊邊界條件）和Master/Slave Boundary（主從邊界條件）。 模型中所加電源為理想正弦電壓，其周期為0.02 s。

進行負載仿真時，在運動數(shù)據(jù)信息中的Initial Position初始位置選項中設置旋轉運動的初始位置角為15度，此角度為A相換相點。將初始速度、主動慣量、阻尼系數(shù)、及負載轉矩分別設置為0rpm, 0.028kg·m2，0.00884N·m·sec/rad和-83.44Nm，此處負載轉矩設為負數(shù)，是因為計算時電機逆時針正向旋轉，輸出正向電磁轉矩，因此，負載轉矩為反向轉矩，負號代表方向。

最后添加求解設置，本文設定分析時間及求解步長依次為0.2s、0.0002s，即求解1000步。設置信息保存開始及終止時間為0s和0.2s，場信息保存時間步長設置為0.005s，即場求解25步保存一次。其他采用默認設置。

2、仿真結果分析

氣隙長度δ是電機的重要尺寸之一，它與電機的運行性能、成本密切相關。圖3至圖7分別是δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的氣隙磁密、定子繞組電流、負載轉矩、渦流損耗、功率因數(shù)和效率曲線。

由圖3可以看出，隨著氣隙長度的增加，氣隙磁密呈現(xiàn)減小的趨勢。這是因為氣隙長度δ小，極間漏磁通就少，氣隙有效磁通就大。

模型根據(jù)對稱性簡化，減少計算量，本文只取A相電流進行分析。五種氣隙下的空載定子電流比較如圖4所示。由于定子繞組的三相電流為正弦交流電，在初始時刻電流很不穩(wěn)定，幅值很大，最大幅值遠遠超過穩(wěn)定時刻的電流。五個波形分別對應δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的電流波形圖。從圖中很容易看出，隨著氣隙的增大，定子電流也逐步增加。

從圖5中可以看出，啟動時有較大的脈動幅度，最大幅值遠遠超過穩(wěn)定時刻的值。在100ms之后趨于穩(wěn)定，且氣隙增大時轉矩脈動有下降的趨勢。

當氣隙中諧波磁場相對磁極表面運動時，就會在極面感生渦流，產生渦流損耗。由于上述仿真情況下只是氣隙不同，所以渦流損耗的差異是由氣隙造成的。氣隙愈大導致磁阻也愈大，使得氣隙磁場中的諧波含量減少從而引起損耗改變。從圖6可見，隨著氣隙的增大，渦流損耗明顯減小。

如圖7所示，隨著氣隙長度逐漸增加，功率因數(shù)和效率同時下降。氣隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大時，產生同樣大小的旋轉磁場就需要較大的勵磁電流。勵磁電流是無功電流，該電流增大會使電機的功率因數(shù)降低。

3、結論

本文運用Ansoft Maxwell軟件建立了三相異步電機的有限元仿真模型，對比分析了在不同氣隙大小時的電機性能。得出如下結論:隨著氣隙長度的增大，定子電流也逐步增加，同時氣隙磁密、負載轉矩渦流損耗、功率因數(shù)和效率均呈現(xiàn)下降趨勢。因此本文認為在保證定子繞組電流足夠的前提下，應盡量減小電機的氣隙長度，以使電機性能達到最佳。

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Impact Analysis on the Performance of Three-phase Induction Motor With different Air-gap

Li Yushan, Wei Huilai
( R&D Center of Great Wall Motor Company. Automotive EngineeringTechnical Center of Hebei, Hebei Baoding 071000 )

The air-gap magnetic field of motor is an important place where the motor conduct electromechanical energy conversion, and the gap length is one of the main factors affect to the air-gap magnetic field. Using Ansoft Maxwell software to modeling a three-phase induction motor and finite element simulation analysis, then obtained the performance curve of the motor at different air-gap length. By comparing these curves we can concluded the air-gap length＇s impact on the motor performance.

asynchronous motors; air-gap; influencing factor; Finite Element Analysis

U463.4

A

1671-7988(2015)07-91-03

李玉山，就職于長城汽車股份有限公司技術中心。