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

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(yīng)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(yīng)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(yīng)電機的設(shè)計方案應(yīng)用ansoft軟件進行分析，最終確定設(shè)計參數(shù)。

2 三相感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)條中感應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。