基于有限元方法模拟电机旋转磁场

郭 健

(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016）

基于有限元方法模拟电机旋转磁场

郭 健

(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016）

本文采用有限元方法对三相交流电机内部磁场的实际运动情况进行了模拟仿真,仿真结果很好地展示了电机磁场正反转的实现方法、不同极对数电机的磁场分布以及磁场旋转速度与极对数之间的关系。分析结果在教学中的应用可对学生掌握和熟悉电工学课程中三相交流电机内部磁场分布、正反转实现以及磁场旋转速度有一定的帮助。

电机;有限元;旋转磁场

三相交流电机内部磁场的分布、旋转、正反转以及磁场转速是“电工学”课程中的一个难点,其概念和内容十分抽象,直观性差,教师很难用简洁的言语进行描述,学生也难于理解,致使这部分内容的教学效果普遍较差[1,2]。本文采用有限元的方法对三相交流电机内部磁场的实际运动情况进行了模拟仿真,展示了电机磁场正反转的实现方法、不同极对数电机的磁场分布以及磁场旋转速度与极对数之间的关系。计算结果对于学生熟悉和掌握三相交流电机的旋转磁场有一定的帮助。

1 电磁场分析有限元模型

图1是一对极三相电机磁场分析有限元模型。模型中包括定子、转子、线圈(ABC,xyz)和气隙区域。由于实际的电机满足平面对称,因此磁场分析时可以选取沿长度方向的任一截面建立二维平面有限元模型。

在磁场计算中引入矢量磁位A来描述磁感应强度,B= ×A。在二维平面场中,只存在A z分量,则三相电机旋转磁场的二维定值问题满足

图1 三相电机二维有限元模型

式中,μ为磁导率;S为线圈截面积;I m为线圈电流幅值;N为线圈匝数。

若要实现电机磁场的反相旋转分析,上式变为

2 计算结果

根据式(1)或式(2),通过改变 ωt的数值,可以得到不同时刻的磁场分布。当三相绕组所接电源的相序按照顺时针排布时,电机实现正传;否则,电机反转。表1为一对极三相电机正、反转所对应不同时刻的磁场分布;从表中可以直观的看出电机中磁场随时间旋转的规律。同时,对于一对极电机,当线圈电流变化一个周期时,磁场在空间旋转一周。

表2为1对极、2对极和3对极电机不同时刻所对应的磁场分布。从表中可以看出,不同极对数电机在任一时刻所形成的空间磁场不同。且线圈电流变化一个周期,各电机所形成的磁场的旋转速度也有区别,此时1对极电机磁场在空间旋转一周;2对极电机磁场在空间旋转二分之一周;而3对极电机磁场在空间旋转三分之一周,由此可以得出N对极电机磁场在空间旋转N分之一周。

表1 不同时刻电机正反转的磁场分布

表2 不同极对数电机在不同时刻的磁场分布

3 结语

本文采用有限元方法对三相交流电机内部旋转磁场进行了模拟仿真,展示了电机磁场正、反转的实现方法和不同极对数电机的磁场分布以及磁场旋转速度与极对数之间的关系。该仿真结果应用于教学中,可以启发学生对“电工学”课程中三相交流电机的学习兴趣,提高了教学效果。

[1] 秦曾煌.电工学[M].北京:高等教育出版社,2004

[2] 袁琦,黄建清.基于VB的电机旋转磁场模拟实现[J].南京:电气电子教学学报,2005,27(6):90-93

Simulative Realization of Electrical Machines Rotating Magnetic Field Based on Finite Element Method

GUO Jian

(Co llege of Au tomation Engineering;Nanjing University o f Aeronautics&Astronautics;Nanjing 210016,China)

In this paper,The actualm ovemento fmagnetic field in three-phase alternating currentmachines isanalyzed by the finite element method.The simulation result is proven to be able to describe perfectly the reality of the forward/reversal rotation of the electricalm achine magnetic field,and to demonstrate perfectly themagnetic field distribution under different pole pairs,and the relation between themagnetic field rotation speed and the pole numbers.The simu lation resu lts taugh t in teaching o f electrotechno logy course is help ful to students.

electricalmachine;finite element;rotatingm agnetic field

TM 41

A

1008-0686(2011)02-0110-03

2011-01-17;

2011-03-18

郭 健(1980-),男,博士,讲师,主要从事特种变压器设计及物理场数值计算的研究,E-mail:nuaaeelab gj@nuaa.edu.cn