基于Ansoft双笼双绕组电机起动性能仿真

王长江，于冰

(南车株洲电机有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

双笼异步电机既能在起动时有较大的电阻值，具有良好的起动性能，又能在正常运行时有较小的电阻值，不至于过多影响电机的运行效率[1]，同时通过选择安置在定子槽内两种不同极对数的绕组可方便地获得不同的转速、转矩特性。

由于用等效电路法只能近似计及转子导条内的电流集肤效应和转子漏磁所引起的磁顶饱和现象，且不能考虑定子双绕组时上下层绕组间互感的影响，采用有限元法来计算电机内的电磁场可提高计算精度。利用Ansoft公司的Maxwell 2D模块可方便地仿真出电机的转矩和电流曲线，同时利用Maxwell 2D对电机进行磁场分析可验证所设计的电磁参数，并且可以调整电机部分参数。例如，定转子冲片的形状，得到较好的电机内磁场分布，使电机的性能达到最佳，确保电机运行的可靠性。

1 双笼双绕组电机有限元模型的建立

1.1 电磁场偏微分方程

对于正弦时变电磁场，其边值问题为

式中，Ω—求解域;—源电流密度;υe—铁心的磁阻率;S1、S2—区域Ω的边界，在S1上给出A的第一类边界条件，在S2上给出A的第二类边界条件。上式的泛函等价条件变分为

能量泛函求极值相当于能量泛函对三个节点磁位的一阶偏导为零，所以经过单元分析、总体合成及边界条件处理后，可得到一个与正弦时变磁场边值问题等价的全部节点满足的复系数非线性方程组。通过求解该方程组，就可以得到各个节点的磁位值[2]。

1.2 电机基本参数

采用一个三相8/4极结构双笼双绕组电机，定子72槽，转子58槽，定转子冲片材料采用DW465-50，电机参数如表1所示。

表1 8/4极双笼双绕组电机参数表

1.3 基本假设

(1)电机有效长度内的磁场为二维平行平面场;

(2)定子铁心外缘和转子铁心内缘的散磁忽略不计;

(3)定转子铁心叠片中的涡流和磁滞损耗忽略不计[3]。

1.4 电机几何模型的生成

在Maxwell 2D中建立电机的几何模型并加载材料以及边界条件[4]。为了节省求解的工作量，根据电机结构的对称性，计算时分别取8极和4极工况的1/2模型，在有限元剖分处理时根据电机不同部分的精度要求设置相应的网格大小[5]，最后剖分结果如图1和图2所示。

图1 电机8极工况时1/2模型剖分

图2 电机4极工况时1/2模型剖分

2 仿真结果及分析

利用Ansoft软件的瞬态求解器对电机进行计算后可得到转速、转矩、电流等一系列曲线。利用Ansoft软件的后处理功能还可对这些瞬态曲线进行分析计算，从而得到一些统计数据。电机在4极工况下各性能曲线趋势与8极的相似，为节省篇幅只给出8极工况下电机的性能曲线图，4极工况下只给出数据结果。

2.1 起动过程的仿真

为了节省仿真时间设定电机的转动惯量为15kg·m2，初始转速设为0r/min得到电机在8极工况下起动性能曲线如图3所示。

图3 电机在8极工况下起动过程

从仿真结果看由于电机空载且转动惯量设置较小，电机起动所用时间相应较短，8极工况下电机转速最终稳定在同步转速附近748.6r/min，4极工况下电机转速最终稳定在同步转速附近1 499r/min。电机转速稳定后，8极工况下的转矩为0.0454kN·m，4极工况下电机的转矩为0.0405kN·m，因为电机是空载所以转矩较低，符合实际工况。8极工况下三相电流在35.7A左右，三相最大相差4.1%，4极工况下三相电流在18.2A左右，三相最大相差4.3%，8极和4极均满足三相平衡。图3中电流曲线呈锯齿状是由于步长选取较大造成的，如果选取更小的步长可得到更光滑的电流曲线。

2.2 堵转性能的分析

将电机转速设置为零，得到电机在8极工况下堵转性能曲线如图4所示。

图4 电机8极工况下堵转性能曲线

对于异步电机堵转转矩等于起动转矩，从仿真结果看8极和4极两种工况下的起动转矩倍数、起动电流倍数均设计满足要求。综上，电机在8极和4极工况下电机能够实现自起动且起动转矩和起动电流满足设计技术指标。

3 结语

本文利用Ansoft有限元分析软件，对双笼双绕组电机进行了起动过程和堵转工作状态进行了有限元仿真，从仿真结果看电机能实现自起动，电机的起动转矩倍数、起动电流倍数满足设计要求。

[1]吴振新，王祥衍.异步电机双笼转子导条集肤效应的计算[J].中国电机工程学报，2003，23，(3).

[2]夏正泽，刘慧娟.基于Ansys的异步牵引电机电磁场分析[J].防爆电机，2008，43(3).

[3]汤蕴璆，梁艳萍.电机电磁场的分析与计算[M].北京:机械工业出版社，2010.

[4]赵博.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2010.

[5]温嘉斌，康彦婷，张春喜.四极异步起动永磁同步潜油电机的电磁设计与起动性能仿真[J].防爆电机，2011，46(6).