利用MAXWELL軟件計(jì)算雙鼠籠電機(jī)起動(dòng)性能

冮明望 隆德電氣（沈陽）有限公司孫英 泰豪沈陽電機(jī)有限公司

碗式MPS系列磨煤機(jī)用電機(jī)使用環(huán)境惡劣，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較高，通常采用雙鼠籠結(jié)構(gòu)，對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)者來說一直是屬于比較難設(shè)計(jì)的電機(jī)，計(jì)算過程中電機(jī)性能的準(zhǔn)確性差。近期接到用戶訂單YMPS600-6 630kW 6kV IP54 ，用戶對(duì)電機(jī)性能的要求：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)≥2.6，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)≤7.0，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)≥2.3，且電機(jī)功率因數(shù)要求大于0.87。我們?cè)谠O(shè)計(jì)此類電機(jī)時(shí)，在保證堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)一般會(huì)損失電機(jī)的功率因數(shù)，通常6極630kW 6kV IP54在起動(dòng)性能滿足要求的情況下，功率因數(shù)一般在0.78左右，無法滿足本次訂單的要求，所以本次設(shè)計(jì)時(shí)我們更改了原有電磁方案并且使用MAXWELL軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。

此次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是起動(dòng)性能與功率因數(shù)的兼顧問題，由于此電機(jī)中心高為H600屬于非標(biāo)準(zhǔn)中心高，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)可以采用H630中心高的沖片外圓1060，中圓采用770，增加了硅鋼片的用量；定子72槽，轉(zhuǎn)子86槽，雙鼠籠結(jié)構(gòu)，上籠采用QAL9-4鋁青銅條，氣隙2mm。為保障設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在使用傳統(tǒng)路計(jì)算器以外，本次使用MAXWELL二維場(chǎng)求解器對(duì)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)和滿載狀態(tài)進(jìn)行了仿真，校正電機(jī)性能的同時(shí)還能計(jì)算肌膚效應(yīng)下轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。

一、利用MAXWELL中RM進(jìn)行三相感應(yīng)電機(jī)的建模，電機(jī)主要參數(shù)如下：

1）定子沖片外徑：1060mm；

2）定子沖片內(nèi)徑：770mm；

3）鐵芯長(zhǎng)度530（含8個(gè)通風(fēng)道）；

4）定子沖片72槽，材質(zhì)為50W470；

5）定子線規(guī)2-1.9x5.0，每槽導(dǎo)體數(shù)為15匝，1路，節(jié)距1-11；

6）轉(zhuǎn)子沖片外徑：796mm；

7）轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑：520mm；

8）轉(zhuǎn)子采用雙鼠籠結(jié)構(gòu)，上籠導(dǎo)條直徑10mm，材質(zhì)為鋁青銅QAL9-4，電阻率0.123，下籠導(dǎo)條直徑12mm，材質(zhì)為紫銅T2。電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.26，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)為8.7，電機(jī)功率因數(shù)0.87，此時(shí)電機(jī)性能不準(zhǔn)確是由于上鼠籠材質(zhì)輸入不正確導(dǎo)致的，需要我們?cè)?D模型中進(jìn)行修改。

1.首先在Design Setting中修改User De fined Data建立全圓模型。

圖2-1 建立全圓二維模型

2.選中所有的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條進(jìn)行布爾分裂操作，將鼠籠分裂成上下兩種，建立新材料QAL9-4，并將其電阻率按0.123進(jìn)行設(shè)置，將布爾操作后的上籠導(dǎo)條材質(zhì)設(shè)置為QAL9-4，下籠導(dǎo)條材質(zhì)不變。修改后將上下鼠籠分別在端部短接建立2個(gè)EndConnecti on并賦予電阻和電感，此參數(shù)可以在RM中求取。

3.在Motion Setup中修改Mechanical，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0 rpm，計(jì)算堵轉(zhuǎn)狀態(tài)電機(jī)的性能。

4.在求解設(shè)置中保持默認(rèn)參數(shù)不變，在按保存計(jì)算步長(zhǎng)文件中設(shè)置10個(gè)保存點(diǎn)。

三、設(shè)施好鐵芯損耗和導(dǎo)體的渦流損耗后進(jìn)行計(jì)算求得電機(jī)性能曲線如下

（一）取最后一個(gè)電周期0.18-0.2秒的轉(zhuǎn)矩波形，再進(jìn)行RMS有效值求解得堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩平均值為159kN ，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3-1 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩波形

（二）取最后一個(gè)電周期0.18-0.2秒的電流波形，進(jìn)行有效值計(jì)算得到堵轉(zhuǎn)電流的

二、在RM中進(jìn)行求解，此時(shí)由于無法將上籠材質(zhì)按QAL9-4設(shè)置，我們將上下籠導(dǎo)條的材質(zhì)均設(shè)置為75℃的紫銅。求解后有效值為503A，起動(dòng)電流倍數(shù)為6.7。

圖3-2 堵轉(zhuǎn)電流波形

（三）查看電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)磁密云圖，電機(jī)磁密最高點(diǎn)為2T，其位置在轉(zhuǎn)子上下籠之間的部分。

（四）利用場(chǎng)求解器編輯公式，查看起動(dòng)時(shí)上下籠導(dǎo)條的電流及導(dǎo)條損耗公式，通過計(jì)算我們可以得到，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的電流還是非常大的接近3500A主要集中在上籠；而穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流主要集中在下籠，電密幅值為7.1A/mm2，此時(shí)上籠導(dǎo)條電密幅值1.62A/mm2。

四、通過MAXWELL二維場(chǎng)仿真計(jì)算得到的結(jié)果與我們傳統(tǒng)計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，兩者計(jì)算差異不大，均能滿足用戶的要求。并且在MAXWELL 2D分析中，我們可以查看電機(jī)在肌膚效應(yīng)下轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流、電密等參數(shù)的分布情況，這在傳統(tǒng)計(jì)算程序中是無法實(shí)現(xiàn)的。

表4-1 不同計(jì)算軟件下的性能對(duì)比