基于Maxwell三相異步電機(jī)定子斜槽度的優(yōu)化設(shè)計

潘新軍，樊繼東

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

為降低振動和噪音，三相異步電機(jī)通常采用定子或轉(zhuǎn)子斜槽，減小齒槽轉(zhuǎn)矩、降低諧波。文中以Maxwell 為基礎(chǔ)，建立三相異步電機(jī)二維有限元模型，對比分析不同定子斜槽度的轉(zhuǎn)矩脈動和效率的仿真結(jié)果，達(dá)到優(yōu)化定子斜槽度的目的。

1 三相異步電機(jī)二維有限元模型

根據(jù)表1 所示的參數(shù)建立電機(jī)模型。三相籠型異步電機(jī)由定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠條和轉(zhuǎn)軸組成。定轉(zhuǎn)子槽配合為36/32，電機(jī)為橫向和縱向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，為簡化電機(jī)模型的結(jié)構(gòu)，建立1/4電機(jī)模型如圖1 a所示，并進(jìn)行仿真分析。利用有限元軟件進(jìn)行電磁分析的前提是需要具有良好的網(wǎng)格剖分，尤其是在瞬態(tài)場。采用不同的剖分尺寸對三相異步電機(jī)鼠籠條、定子繞組、鐵心以及外層區(qū)域進(jìn)行剖分。電機(jī)模型加密后的網(wǎng)格剖分圖形如圖1b所示。系統(tǒng)根據(jù)磁路計算結(jié)果加載完成電機(jī)有限元模型中的邊界條件和激勵源。文中主要計算分析定子斜槽效應(yīng)，考慮到計算精度，將斜槽度數(shù)分設(shè)為20段，即0～20°。磁通密度分布云圖如圖1c所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖1 電機(jī)有限元模型、剖分圖及磁密云圖

基于二維瞬態(tài)場的仿真分析建立電機(jī)模型，對電機(jī)模型進(jìn)行材料的分配、激勵源與邊界條件定義及加載完成時需注意以下幾點：1）對定子繞組進(jìn)行分相，為繞組施加電壓源激勵，電壓源激勵設(shè)定為關(guān)于時間的正弦激勵的函數(shù)；2）設(shè)置運動選項，設(shè)定運動類型為Rotation 旋轉(zhuǎn)運動、運動方向為逆時針方向、初始位置角為0°；3）設(shè)置損耗，分配各區(qū)域的鐵耗、銅耗進(jìn)行計算分析；4）設(shè)置瞬態(tài)，求解總時間為0.3s，步長為0.0002s。

2 仿真結(jié)果分析

基于Maxwell 對工作溫度為75 ℃、恒功率負(fù)載4 kW 的電機(jī)二維模型進(jìn)行有限元仿真計算，得到多種關(guān)于電機(jī)的性能曲線和某些物理量的分布情況，如磁力線分布、磁密云圖分布、磁阻力矩曲線、鐵耗曲線、銅耗曲線、轉(zhuǎn)速曲線等。文中選擇三相異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線（圖2 a），并對穩(wěn)定后的曲線圖進(jìn)行后處理，計算出轉(zhuǎn)矩脈動（圖2 b）。轉(zhuǎn)矩脈動［3］即在電機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中瞬時輸出力矩隨時間不斷變化，但上下變動圍繞一個平均值。如果轉(zhuǎn)矩脈動過大，穩(wěn)定性降低。簡單來說，如果抖動很大，電機(jī)能耗增加。所以將轉(zhuǎn)矩脈動作為一個衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)。

由于斜槽度偏大，鐵心疊裝不整齊，槽口尺寸減小，使槽漏抗增大，電抗電流增大，功率因數(shù)和最大起動轉(zhuǎn)矩降低。選取定子斜槽度0～20°，并計算轉(zhuǎn)矩脈動，計算結(jié)果如表2 所示。將表2 中數(shù)據(jù)擬合為帶平滑線和數(shù)據(jù)標(biāo)點的轉(zhuǎn)矩脈動圖，如圖3所示。根據(jù)圖3在3.6～4.6°、8.7～10°、13～14.4°可取得極小值，但在3.6～4.6°的轉(zhuǎn)矩脈沖波動相對來說比較大，并且為了降低電機(jī)的電磁噪聲、提高電機(jī)品質(zhì)，斜槽度應(yīng)避免取值3.6～4.6°。

電機(jī)效率是電機(jī)輸出功率相對于輸入功率的比例，是測量電機(jī)功率損失的物理量。電機(jī)效率與負(fù)載、電機(jī)速度、電機(jī)種類、電源電壓有關(guān)。一般來說，異步電動機(jī)的效率為75%～92%，負(fù)載較小時效率較低，負(fù)載較大時效率較高。電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，大多數(shù)情況下效率會下降。因此將效率作為另一個選擇最優(yōu)斜槽區(qū)間的衡量標(biāo)準(zhǔn)。效率的計算結(jié)果如表2所示，圖4是對應(yīng)的擬合曲線。

圖2 輸出轉(zhuǎn)矩曲線及其脈動計算界面

表2 斜槽度0～20°時轉(zhuǎn)矩脈動和效率

圖3 轉(zhuǎn)矩脈動圖

圖4 電機(jī)效率圖

根據(jù)表2 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)：電機(jī)的整體效率都相對較高；斜槽度0～20°范圍內(nèi)，隨著斜槽度的度數(shù)不斷增大，效率值整體上呈下降趨勢，但在此范圍內(nèi)效率的極差值很小。

因此，綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動值和效率值可以發(fā)現(xiàn)：8.7～10°的斜槽度相對于13～14.4°的斜槽度的效率高一些，所以選擇8.7～10°的定子斜槽度。

3 結(jié)論

以三相異步電機(jī)為基礎(chǔ)，通過利用Maxwell 構(gòu)建電動機(jī)模型，并對工作溫度為75 ℃、恒功率負(fù)載4 kW工況下的電動機(jī)模型進(jìn)行瞬態(tài)場的有限元仿真，計算出不同的定子斜槽度對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動和效率，得到電機(jī)不同的定子斜槽度對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩和效率的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)；對不同斜槽度下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動和電機(jī)效率的分析對比，得到在電機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時高效率與低轉(zhuǎn)矩脈動雙目標(biāo)驅(qū)動下的最優(yōu)斜槽度，使電機(jī)在工作中保持高效率的同時具有較好的穩(wěn)定性。