基于Ansoft的大功率感應(yīng)電動機的設(shè)計與分析

王曉迪，謝 衛(wèi)，沈業(yè)成，劉 真

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

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基于Ansoft的大功率感應(yīng)電動機的設(shè)計與分析

王曉迪，謝 衛(wèi)，沈業(yè)成，劉 真

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

介紹了運用等效磁路法設(shè)計的25 MW感應(yīng)電動機，并用有限元分析軟件Ansoft對電動機空載和負載運行進行有限元計算。將計算結(jié)果與同類電動機的參數(shù)進行對比，從而確定一種較優(yōu)的電機設(shè)計方案。

大功率；感應(yīng)電動機；電磁設(shè)計；有限元

0 引言

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

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，在鋼鐵、煤炭、水泥、化工等行業(yè)中，兆瓦級的大功率感應(yīng)電動機使用越來越頻繁?；诟袘?yīng)電動機在電力拖動方面的諸多優(yōu)點以及它廣泛的應(yīng)用和研究前景，本文設(shè)計了一臺25 MW大功率感應(yīng)電動機并對其進行有限元分析。

1 電動機電磁設(shè)計

1.1 主要參數(shù)

對于設(shè)計感應(yīng)電動機，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度，其次氣隙也很重要。對于感應(yīng)電動機而言，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。

電機主要尺寸由式(1)確定，這便是電機電磁設(shè)計中最為重要的電機常數(shù)公式。

(1)

電機常數(shù)CA表示產(chǎn)生單位計算轉(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 電磁負荷的選擇

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

對于大功率感應(yīng)電動機，定子繞組線負荷A的取值是有一定范圍的，本文選取了980 A/cm。對于大功率感應(yīng)電動機，定子磁密一般取1.5 T左右，最大不超過1.65 T，轉(zhuǎn)子磁密可以適當取高一點，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)初步計算出D2lef的大小，而定子內(nèi)徑和鐵心長度的關(guān)系可以由式(2)描述。

(2)

式中：λ為主要尺寸比。

對于大功率的感應(yīng)電動機，通常取λ=1～3.5，極數(shù)較多時取較大值，本文設(shè)計的電機為4極，綜合考量之下，取λ=1.24。

2 電動機物理模型的建立

2.1 電動機基本參數(shù)

本文所設(shè)計的大功率三相感應(yīng)電動機部分參數(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。程序運行后便得到了電機在額定點性能指標、空載數(shù)據(jù)、效率、定子繞組等參數(shù)和曲線[2]。

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

圖1 電動機沖片物理模型

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模塊進行路算法的仿真求解，該方法方便省時且計算迅速，缺點是由于簡化了模型，計算精度不如有限元法高，但也足以幫助驗證電磁設(shè)計方案是否合理。

經(jīng)過RMxprt模塊計算，查看各項參數(shù)和曲線，可知所設(shè)計的電動機性能基本符合預(yù)想。部分特性曲線見圖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)鍵的一個步驟，良好的取舍可以在最小的計算資源下?lián)碛凶顬闇蚀_的計算結(jié)果。由于本文設(shè)計的是大功率電動機，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)省求解時間，定轉(zhuǎn)子軛部剖分作了相對疏化處理[3]，不同材料之間的剖分，過渡也相對平滑，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格剖分

3.1 空載瞬態(tài)磁場分析

電動機空載運行時，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，空載時的電子電流近似等于激勵電流。為了模擬空載運行，在運動設(shè)置中將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 499.93 r/min，截取0.17 s時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，并且可以判斷電動機為4極電機。

圖7所示的是電動機的空載轉(zhuǎn)矩，由圖可知，由于是大型電機的緣故暫態(tài)過程持續(xù)了1s左右，這也是有限元求解的特點，后面電動機轉(zhuǎn)矩進入穩(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所示是空載時的氣隙徑向磁密，這是利用軟件在電動機氣隙部分添加曲線后計算得到的。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，符合實際的情況，空載氣隙磁密的分布相對合理。

圖8 空載氣隙徑向磁密

3.2 負載瞬態(tài)磁場分析

負載時，選擇恒功率負載類型，在定子繞組加上額定的三相交流電壓，并設(shè)置較長的分析時間使得電動機到達穩(wěn)定狀態(tài)。截取0.33 s時刻的磁密云圖和磁力線分布圖，圖9是負載狀態(tài)下的磁通密度云圖，可見除定子齒部少量區(qū)域的磁密達到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 負載磁通密度云圖

圖10 負載磁力線分布

額定電壓時的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖11所示，本文給定了一個在同步初始轉(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，過渡時間約1 s，到達穩(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，但總體是比較平滑的。

圖11 負載轉(zhuǎn)矩

負載以后，作用在電動機主磁路上用來產(chǎn)生氣隙主磁場的激勵磁動勢是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組合成的磁動勢，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的氣隙磁密波形有著一定的差別，后續(xù)查看負載時感應(yīng)電動勢的波形正弦性很好，所以負載氣隙磁密的分布也是合理的。

圖12 負載氣隙磁密

4 數(shù)據(jù)對比

國內(nèi)外功率相當?shù)念愃齐姍C數(shù)據(jù)指標作為參考，我們選擇東汽壓氣機試驗臺25 MW感應(yīng)電動機[4]。將仿真計算得到的參數(shù)與該電機的數(shù)據(jù)進行對比，驗證電磁設(shè)計是否可行。

經(jīng)過對比分析，各項指標差異均在合理范圍之內(nèi)，說明設(shè)計方案是可行的，設(shè)計的合理性得到了比較好的驗證。對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

本文首先使用等效磁路法設(shè)計了一臺大功率感應(yīng)電動機，再利用Ansoft軟件中的RMxprt和Maxwell 2D模塊建立模型，對電動機空載瞬態(tài)和負載瞬態(tài)電磁場進行分析，之后再與同類電動機的參數(shù)進行對比考量，為進一步提高電動機的設(shè)計精度提供了幫助。

[1]陳世坤.電機設(shè)計[M]. 2版.北京：機械工業(yè)出版社，1997．

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

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

[4]華錚，田德見.東汽壓氣機試驗臺25MW異步電動機設(shè)計[J].東方電機，2013，(1)：40-44.

王曉迪，男，1991年生，碩士研究生，電機與電器專業(yè)，研究方向為現(xiàn)代特種電機及其控制系統(tǒng)。