基于Ansys Maxwell的單相電機變極設計分析*

周愛美

（浙江廣廈建設職業(yè)技術大學，浙江金華 322100）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，家用電器的使用種類日益增長，對單相電機使用量和電機要求都在不斷提升[1-2]。隨著市場經(jīng)濟競爭的日趨劇烈，電機可靠性，電機電磁性能滿足性，電機成本可控性等方面都成為電機設計人員研究分析的內(nèi)容[3-4]。怎樣用最低成本成就最優(yōu)的電機性能，更是電機生產(chǎn)企業(yè)的不斷追求，也是研發(fā)人員研發(fā)目標。以具體電機為例，進行單相電容運轉(zhuǎn)電機的4/6變極調(diào)速研究分析，在不增加銅耗和鐵耗的情況下，性能指標達到對應容量的單相電機容量等級和相應性能標準，具有技術研究價值和實用價值。

本文從某企業(yè)產(chǎn)品電機使用要求出發(fā)，以Z=24槽，單相m=1電容運轉(zhuǎn)電機為研究對象，進行4/6極變極調(diào)速繞組設計分析。

1 繞組參數(shù)計算

1.1 4極參數(shù)計算

1.2 6極參數(shù)計算

1.3 節(jié)距確定

4極繞組極距τ=6 ，6極繞組極距τ=4 ，4極采用短距繞組，6極采用長距繞組，因此，節(jié)距y=5 。

2 繞組變極方案討論

單相電機要求電機的主繞組電動勢軸線與副繞組電動勢軸線相交成90°電角度。電機從6極電機通過改變繞組端部接線方式變成4極電機時，需要滿足變極前后主副繞組的軸線電勢相交均成90°電角度，繞組的磁動勢波形盡可能接近正弦波。采用3種4/6極變極接線方式進行試驗。

2.1 反接法4/6極變極方案

圖1所示為反接法4/6極變極接線方式，圖1（a）所示為6 極繞組連接方式，圖1（b）所示為4 極繞組接線方式。4 極繞組接線方式是將6 極主線圈-24、-23、20、19、4、3 和副線圈-22、-21、-6、17、2、1線圈反接而成。

圖1 反接法4/6極變極接線（-表示線圈反接）

圖2 所示為6 極槽電勢行星圖，由圖可知，6 極排布是很規(guī) 則 的 排 布，1、2、9、10、17、18、-5、-6、-13、-14、-21、-22 組成3 對極副繞組，3、4、11、12、19、20、-7、-8、-15、-16、-23、-24 組成3 對極主繞組，主副繞組合成電動勢的軸線相交90°電角度。

圖2 6極槽電勢星形圖（A為副繞組、B為主繞組，-表示反接）

圖3 反接法4極槽電勢星形圖

圖3所示為反接法4極槽電勢星形圖，由圖可知，主繞組8、20和3、15反接，由繞組節(jié)距y=5，可以推算出主繞組3和15 的下層邊對應于主繞組8 和20 的上層邊，所以嵌在定子8槽和20槽里上層邊繞組和下層邊繞組的電流大小相等方向相反，-B′相產(chǎn)生的磁動勢相抵消。副繞組-2、-14 和6、18 和10、22 合成電動勢的方向與主繞組-4、-16 和12、24 合成電動勢的軸線方向成90°電角度，實現(xiàn)了4極繞組接線，也因此實現(xiàn)了4/6極變極調(diào)速。

2.2 換向法4/6變極方案

圖4 所 示 為 換 向 法4/6 變 極 接 線，圖4 （a） 中1、2、-5、-6、9、10、-13、-14、17、18、-21、-22組成三對副 繞 組，3、 4、 -7、 -8、 11、 12、 -15、 -16、 19、20、-23、-24 組成3 對主繞組，組成6 極的接線方式。圖4（b）由圖4（a）中副繞組1、2、-21 與主繞 組-23、-24、4 對 換，副繞組9、-14、-13 與主繞組11、12、-16 對換接線得來。副繞組由4、5、6、-10、-11、-12、16、17、18、-23、-24 組成，主 繞 組 由 1、 2、3、-7、-8、-9、13、14、15、-19、-20、-21 組成。圖5 所示為換相法4極槽電勢星形圖，由圖可知，副繞組合成電動勢形軸線位置在矢量2、8所在軸線位置，主繞組合成電動勢軸線位置在矢量5、11所在軸線位置，兩軸線成90°的角度。

圖4 換向法4/6極變極接線

圖5 換向法4極槽電勢星形圖

2.3 特殊換向法4/6極接線

圖6 所示為特殊換相法4/6 極變極接線，圖6（a）中1、2、-5、-6、9、10、-13、-14、17、18、-21、-22 組成3 對副 繞 組，3、 4、 -7、 -8、 11、 12、 -15、 -16、 19、20、-23、-24組成3對主繞組，組成6極的接線方式。繞組端部的連線方式與前兩種稍有不同，主副繞組的組成以及主副繞組的電流流進方向是不變的，所以主副繞組形成的電動勢是軸線位置是不變的。圖6（b）是先并聯(lián)（1、2、-21、-22與14、 13、 -10、 -9 并 聯(lián)； 3、 4、 -7、 -8 與16、15、-20、-19并聯(lián)）形成兩組并聯(lián)主繞組，再將并聯(lián)主繞組串聯(lián)形成主繞組。

圖6 特殊換向法4/6極變極接線

主副繞組的槽電勢如圖7 所示，主繞組由1、2、3、4、-7、-8、-9、-10、13、14、15、16、-19、-20、-21、-22組成，形成了槽電勢形成了120°電角度，副繞組僅由5、 6、 -11、 -12、 17、18、-23、-24 組成，形成了槽電勢形成了60°電角度，主副繞組電動勢軸線相交成90°電角度。

圖7 特殊換相法4極槽電勢星形圖

3種變極方案中，6極繞組接線符合接線一般規(guī)則，4極繞組接線都是在6極繞組接線的基礎上改變端部接線而成。從3 幅4 極槽電勢星形圖分析，圖3 反接法中-B’相中8槽和20槽電勢抵消，由6極換接成4極后主繞組電動勢損耗比較嚴重；圖5換相法槽電勢星形圖上看換相法電勢損耗正常；圖7特殊換相法增加了主繞組的電動勢電角度，增加了主電動勢強度，削減了副繞組的電角度，從而削弱副電動勢，滿足了主副繞組的電動勢軸線相交90°電角度的要求，更有利于主電動勢發(fā)揮作用。因此，從槽電勢分析看，特殊換相法4極接線方法更優(yōu)。

3 基于Ansys Maxwell 的電磁設計

根據(jù)以上討論的接線方案，利用Ansys Maxwell 進行仿真模擬，模擬條件是電機繞組線圈匝數(shù)固定，6極電機設額定點轉(zhuǎn)速為900 r/min，4極電機設額定點轉(zhuǎn)速為1200 r/min，對電機的各項性能進行比較[5-6]。

3.1 Ansys Maxwell電磁分析

圖8 所示為6 極電機的的磁動勢分解圖和氣隙磁場分布圖，圖9～11分別為反接法4極、換相法4極和特殊換向法4極的磁動勢分解圖和氣隙磁場分布圖。

圖8 6極基波分析與氣隙磁場

圖9 反接法4極諧波分析與氣隙磁場

圖10 換相法4極諧波分析與氣隙磁場

圖11 特殊換相法4極諧波分析與氣隙磁場

感應電機的繞組中通過交流電流時，會產(chǎn)生電樞磁動勢，對電機的能量轉(zhuǎn)換和電機運行性能有很大的影響。磁動勢的大小和波形取決于槽內(nèi)線圈繞組的分布和電流情況。交流電機的氣隙是均勻的，由于本案例中采用的是整距繞組，因此氣隙磁動勢也是均勻的。繞組電流大小按正弦規(guī)律變化，產(chǎn)生磁動勢矩形波幅值也按正弦排列變化，隨著電流方向改變，磁動勢也隨之而改變。電機的氣隙磁場本身不是正弦波，它是由磁動勢矩形波按照傅里葉級數(shù)分解而成的正弦分布的基波和一系列的諧波組成（如圖8～11 中的（b）圖）。分解后基波和奇次諧波磁動勢，基波的幅值對電機氣隙磁場幅值影響較大，諧波會影響磁動勢擬合波形。氣隙磁場的強弱影響電機的電磁轉(zhuǎn)矩，從而影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，影響電機的性能。氣隙磁場波形影響電機的電磁噪音和電機的振動。因此，在電機的電磁設計過程中，盡可能使基波幅值最大，基波分布越接近正弦波越好。

圖8 所示為6極的基波分析與氣隙磁場，圖8（a）中基波幅值是0.57。圖8（b）為360°電角度的氣隙磁場諧波分解圖，按類似正弦排布的矩形波形是基波，分布在0軸附近幅值較小的是各次諧波，幅值接近0.6的是氣隙磁場擬合波形，波形幅值直接受基波幅值影響，擬合磁動勢曲線的受各次諧波影響。圖8（b）中的氣隙磁場波形幅值在0.57，波形接近正弦波。

圖9～11 是3 種不同接線方法的4 極電機諧波分析和氣隙磁場。圖9（a）基波幅值是0.37，圖10（a）基波幅值是0.4，圖11（a）基波幅值是0.6，圖11（a）基波幅值是最大的，電機產(chǎn)生的理論電磁轉(zhuǎn)矩最大。從360°電角度的基波排布和基波波形來看，圖9（b）和圖10（b）的基波畸形變化比較大，對電機的電磁噪聲和振動影響就比較大。圖11（b）中基波波形比較規(guī)整，相應的電機電磁噪音和振動比圖9 和圖10 電機的電磁噪音和振動要小。從擬合磁動勢擬合曲線看，圖11（b）中幅值最大，擬合的磁動勢波形最為接近正弦波。

Ansys Maxwell“場”仿真效果看，特殊換相法4極電機的氣隙磁場強度最強，基波波形最佳。

3.2 3種繞組接線的4極電機性能參數(shù)對比

利用Ansys Maxwell 仿真軟件對3 種繞組接法的4 極電機進行“路”的仿真計算[7-8]，3種4極接法電機的空載輸入功率分別是34.7044 W、34.3481 W 和24.1952 W，特殊換相法的空載輸入功率只有反接法的69.7%，換向法的70.4%。最大轉(zhuǎn)矩分別是0.131817 N·m、0.139336 N·m 和0.160914 N·m，與圖9、圖10、和圖11 的氣隙磁場分布分析一致，電機的最大轉(zhuǎn)矩受電機氣隙磁動勢的直接影響，特殊換相法的4極電機輸出的最大轉(zhuǎn)矩值最大。電機在1200 r/min時效率分別為33.6618%、31.8894%和42.2535%，也是特殊換相法4 極電機的效率最高，最為節(jié)能。

4極仿真設計值如表1所示。由表可知，特殊換相法接線的4極電機空載輸入功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定輸出功率、額定電流和額定效率指標均優(yōu)于其他兩種接線的4極電機。

表1 4極仿真設計值（額定轉(zhuǎn)速設1200 r/min）

4 樣機性能測試驗證

利用特殊換相法接線的4/6 極變極調(diào)速樣機實測數(shù)據(jù)與Ansys Maxwell 模擬仿真數(shù)據(jù)進行對比，如表2 所示。4P 電機空載輸入設計值是24.1952 W，實測值是27.18 W，空載輸入偏大12.34%；設計啟動轉(zhuǎn)矩是0.0707878 N·m，實測空載啟動轉(zhuǎn)矩是0.08184 N·m，實測值比設計值偏大15.61%；實測輸入值增大，對應的空載轉(zhuǎn)矩也增大，趨勢是一致的。設計最大轉(zhuǎn)矩是0.160914 N·m，實測最大轉(zhuǎn)矩是0.15162 N·m，實測值比設計值偏小5.78%；設計額定功率18.2464 W，實測額定功率是18.051 W，實測值比設計值偏小1.07%；設計額定電流是0.196287 A，實測的額定電流是0.2022 A，實測值比設計值偏大3.01%；設定的額定效率是42.2535%，實測的額定效率是40.55%，實測值比設計值偏小4.03%。排除人工實測值空載取點的影響，4P電機的最大轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定電流和額定效率設計值與實測值之間偏差是在-5%～5%之間，已經(jīng)達到了預想的設計效果。

表2 特殊換相4/6極設計值與實測值對比

同樣的對比方法對比6P電機的設計值和實測值，空載輸入功率偏大6.18%；啟動轉(zhuǎn)矩偏大2.16%；最大轉(zhuǎn)矩偏小1.412%；額定功率偏小0.084%；額定電流偏大4.644%；額定效率偏低4.57%。排除人工實測空載取點影響，6P 電機的各性能設計值與實測值之間的偏差也在-5%～5%之間，也已經(jīng)達到了預想的設計效果。

從以上各性能指標的對比結(jié)果看，理論設計達到了預計效果。也說明理論分析的方向性是真確的，特殊換相法4/6變極調(diào)速繞組方案是最佳的。

5 結(jié)束語

本設計固定了電機的機械結(jié)構和電機鐵磁材料特性，在不改變電機制造成本的前提下，遵循單相電容運轉(zhuǎn)電機主副繞組電動勢軸線成90°電角度的規(guī)則，進行槽電勢矢量分析，設計實現(xiàn)4/6 極變極調(diào)速的3 種繞組接線方案。利用Ansys Maxwell 軟件對3 種4/6 接線方式進行“路”和“場”進行模擬仿真，選擇最優(yōu)方案進行樣機實驗，從性能參數(shù)的對比結(jié)果看，設計效果達到了預計效果。特殊換相法4/6極變極調(diào)速的繞組接線在不增加電機銅耗和鐵耗的情況下，性能指標達到對應容量的單相電機容量等級和相應性能標準，為研發(fā)人員單相電機變極調(diào)速接線提供了新的參考。