基于Ansoft的大功率感应电动机的设计与分析

王晓迪，谢 卫，沈业成，刘 真

(上海海事大学，上海 201306)



基于Ansoft的大功率感应电动机的设计与分析

王晓迪，谢 卫，沈业成，刘 真

(上海海事大学，上海 201306)

介绍了运用等效磁路法设计的25 MW感应电动机，并用有限元分析软件Ansoft对电动机空载和负载运行进行有限元计算。将计算结果与同类电动机的参数进行对比，从而确定一种较优的电机设计方案。

大功率；感应电动机；电磁设计；有限元

0 引言

目前电动机已普遍应用于现代工农业自动化和家用电器等领域，其中感应电动机兼顾特殊需求和通用需求为一体，是大型风机、压缩机、离心机、水泵等机械设备的理想驱动电机。

随着国民经济的飞速发展，各行业的生产规模越来越大，在钢铁、煤炭、水泥、化工等行业中，兆瓦级的大功率感应电动机使用越来越频繁。基于感应电动机在电力拖动方面的诸多优点以及它广泛的应用和研究前景，本文设计了一台25 MW大功率感应电动机并对其进行有限元分析。

1 电动机电磁设计

1.1 主要参数

对于设计感应电动机，必须确定许多的尺寸，其中起主要和决定作用的是电枢铁心的直径和有效长度，其次气隙也很重要。对于感应电动机而言，其电枢直径就是定子内径。一旦这些最主要的尺寸确定了，其它尺寸也就随之大体确定。

电机主要尺寸由式(1)确定，这便是电机电磁设计中最为重要的电机常数公式。

(1)

电机常数CA表示产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积，在一定程度上反映了结构材料的耗用量。

1.2 电磁负荷的选择

A和Bδ的大小决定电机的电磁损耗。一般都希望它们的值高一点，这样电机的尺寸小质量轻，可以减少成本[1]，但会影响发热和效率。

对于大功率感应电动机，定子绕组线负荷A的取值是有一定范围的，本文选取了980 A/cm。对于大功率感应电动机，定子磁密一般取1.5 T左右，最大不超过1.65 T，转子磁密可以适当取高一点，以不超1.8 T为好。此外，气隙磁密Bδ的大小也有不同的选择范围，一般要小于0.85 T。

1.3 主要尺寸比

利用式(1)初步计算出D2lef的大小，而定子内径和铁心长度的关系可以由式(2)描述。

(2)

式中：λ为主要尺寸比。

对于大功率的感应电动机，通常取λ=1～3.5，极数较多时取较大值，本文设计的电机为4极，综合考量之下，取λ=1.24。

2 电动机物理模型的建立

2.1 电动机基本参数

本文所设计的大功率三相感应电动机部分参数如下：4极，额定功率25 MW，额定电压10 kV，额定频率50 Hz，定子电流1 600 A，同步转速1 500 r/min，采用双层绕组，并联支路数和并绕根数都为4，定子绕组Y型连接，定子槽数96，转子槽数118。程序运行后便得到了电机在额定点性能指标、空载数据、效率、定子绕组等参数和曲线[2]。

在Ansoft RMxprt模块中得到的电动机冲片物理模型和定子绕组排布，分别如图1、2所示。

图1 电动机冲片物理模型

图2 定子绕组排布

2.2 RMxprt仿真分析

将所有参数输入完毕后利用RMxprt模块进行路算法的仿真求解，该方法方便省时且计算迅速，缺点是由于简化了模型，计算精度不如有限元法高，但也足以帮助验证电磁设计方案是否合理。

经过RMxprt模块计算，查看各项参数和曲线，可知所设计的电动机性能基本符合预想。部分特性曲线见图3。

3 有限元分析

网络剖分是有限元离散化中最为关键的一个步骤，良好的取舍可以在最小的计算资源下拥有最为准确的计算结果。由于本文设计的是大功率电动机，气隙作为最关键的部位其磁压降最大，故剖分得最密，定转子齿部和绕组部分也剖分得较密。为了节省求解时间，定转子轭部剖分作了相对疏化处理[3]，不同材料之间的剖分，过渡也相对平滑，如图4所示。

图4 网格剖分

3.1 空载瞬态磁场分析

电动机空载运行时，转子转速非常接近于同步转速，转子电流很小，约等于0，空载时的电子电流近似等于激励电流。为了模拟空载运行，在运动设置中将转速设置为1 499.93 r/min，截取0.17 s时磁通密度云图和磁力线分布图。从图5磁密云图中可以看到，磁密值都在合理范围内，磁密分布情况也比较理想。图6所示的磁力线分布也比较合理，并且可以判断电动机为4极电机。

图7所示的是电动机的空载转矩，由图可知，由于是大型电机的缘故暂态过程持续了1s左右，这也是有限元求解的特点，后面电动机转矩进入稳态区，平均值接近于0。

图5 空载磁通密度云图

图6 空载磁力线分布

图7 空载转矩

图8所示是空载时的气隙径向磁密，这是利用软件在电动机气隙部分添加曲线后计算得到的。直观上，谐波比较大，该谐波是由齿槽引起的，但图形整体上还是按正弦波的形状分布，波形有一定脉动，符合实际的情况，空载气隙磁密的分布相对合理。

图8 空载气隙径向磁密

3.2 负载瞬态磁场分析

负载时，选择恒功率负载类型，在定子绕组加上额定的三相交流电压，并设置较长的分析时间使得电动机到达稳定状态。截取0.33 s时刻的磁密云图和磁力线分布图，图9是负载状态下的磁通密度云图，可见除定子齿部少量区域的磁密达到1.9 T以外，绝大部分的磁密值处于合理的范围内且分布均匀。图10是负载下的磁力线分布图，定转子齿轭部以及气隙的分布都较为合理。

图9 负载磁通密度云图

图10 负载磁力线分布

额定电压时的电磁转矩曲线如图11所示，本文给定了一个在同步初始转速附近的转速1 492.68 r/min，然后突然加载电压，观察瞬态转矩波动，过渡时间约1 s，到达稳态后，电磁转矩为额定转矩，大小约160 kN·m，与额定值吻合，虽然仍有一定的转矩脉动，但总体是比较平滑的。

图11 负载转矩

负载以后，作用在电动机主磁路上用来产生气隙主磁场的激励磁动势是定子绕组和转子绕组合成的磁动势，这与空载情况是不同的。所以图12中的气隙磁密波形与空载时的气隙磁密波形有着一定的差别，后续查看负载时感应电动势的波形正弦性很好，所以负载气隙磁密的分布也是合理的。

图12 负载气隙磁密

4 数据对比

国内外功率相当的类似电机数据指标作为参考，我们选择东汽压气机试验台25 MW感应电动机[4]。将仿真计算得到的参数与该电机的数据进行对比，验证电磁设计是否可行。

经过对比分析，各项指标差异均在合理范围之内，说明设计方案是可行的，设计的合理性得到了比较好的验证。对比数据如表1所示。

表1 电机数据对比

5 结语

本文首先使用等效磁路法设计了一台大功率感应电动机，再利用Ansoft软件中的RMxprt和Maxwell 2D模块建立模型，对电动机空载瞬态和负载瞬态电磁场进行分析，之后再与同类电动机的参数进行对比考量，为进一步提高电动机的设计精度提供了帮助。

[1]陈世坤.电机设计[M]. 2版.北京：机械工业出版社，1997．

[2]谢世强，邬芝胜.基于Ansoft12的感应电机参数化及其瞬态仿真[J] .防爆电机，2012，47(5)：27-29.

[3]杨洋.基于Ansoft的交流鼠笼式异步电动机电磁场的有限元分析[J] .船电技术，2007，27(4)：201-203.

[4]华铮，田德见.东汽压气机试验台25MW异步电动机设计[J].东方电机，2013，(1)：40-44.

王晓迪，男，1991年生，硕士研究生，电机与电器专业，研究方向为现代特种电机及其控制系统。