基于Maxwell三相异步电机定子斜槽度的优化设计

潘新军，樊继东

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰442002）

为降低振动和噪音，三相异步电机通常采用定子或转子斜槽，减小齿槽转矩、降低谐波。文中以Maxwell 为基础，建立三相异步电机二维有限元模型，对比分析不同定子斜槽度的转矩脉动和效率的仿真结果，达到优化定子斜槽度的目的。

1 三相异步电机二维有限元模型

根据表1 所示的参数建立电机模型。三相笼型异步电机由定子铁心、定子绕组、转子铁心、鼠笼条和转轴组成。定转子槽配合为36/32，电机为横向和纵向对称结构，为简化电机模型的结构，建立1/4电机模型如图1 a所示，并进行仿真分析。利用有限元软件进行电磁分析的前提是需要具有良好的网格剖分，尤其是在瞬态场。采用不同的剖分尺寸对三相异步电机鼠笼条、定子绕组、铁心以及外层区域进行剖分。电机模型加密后的网格剖分图形如图1b所示。系统根据磁路计算结果加载完成电机有限元模型中的边界条件和激励源。文中主要计算分析定子斜槽效应，考虑到计算精度，将斜槽度数分设为20段，即0～20°。磁通密度分布云图如图1c所示。

表1 电机参数

图1 电机有限元模型、剖分图及磁密云图

基于二维瞬态场的仿真分析建立电机模型，对电机模型进行材料的分配、激励源与边界条件定义及加载完成时需注意以下几点：1）对定子绕组进行分相，为绕组施加电压源激励，电压源激励设定为关于时间的正弦激励的函数；2）设置运动选项，设定运动类型为Rotation 旋转运动、运动方向为逆时针方向、初始位置角为0°；3）设置损耗，分配各区域的铁耗、铜耗进行计算分析；4）设置瞬态，求解总时间为0.3s，步长为0.0002s。

2 仿真结果分析

基于Maxwell 对工作温度为75 ℃、恒功率负载4 kW 的电机二维模型进行有限元仿真计算，得到多种关于电机的性能曲线和某些物理量的分布情况，如磁力线分布、磁密云图分布、磁阻力矩曲线、铁耗曲线、铜耗曲线、转速曲线等。文中选择三相异步电机的输出转矩曲线（图2 a），并对稳定后的曲线图进行后处理，计算出转矩脉动（图2 b）。转矩脉动［3］即在电机转动的过程中瞬时输出力矩随时间不断变化，但上下变动围绕一个平均值。如果转矩脉动过大，稳定性降低。简单来说，如果抖动很大，电机能耗增加。所以将转矩脉动作为一个衡量电机性能的重要指标。

由于斜槽度偏大，铁心叠装不整齐，槽口尺寸减小，使槽漏抗增大，电抗电流增大，功率因数和最大起动转矩降低。选取定子斜槽度0～20°，并计算转矩脉动，计算结果如表2 所示。将表2 中数据拟合为带平滑线和数据标点的转矩脉动图，如图3所示。根据图3在3.6～4.6°、8.7～10°、13～14.4°可取得极小值，但在3.6～4.6°的转矩脉冲波动相对来说比较大，并且为了降低电机的电磁噪声、提高电机品质，斜槽度应避免取值3.6～4.6°。

电机效率是电机输出功率相对于输入功率的比例，是测量电机功率损失的物理量。电机效率与负载、电机速度、电机种类、电源电压有关。一般来说，异步电动机的效率为75%～92%，负载较小时效率较低，负载较大时效率较高。电机转速下降时，大多数情况下效率会下降。因此将效率作为另一个选择最优斜槽区间的衡量标准。效率的计算结果如表2所示，图4是对应的拟合曲线。

图2 输出转矩曲线及其脉动计算界面

表2 斜槽度0～20°时转矩脉动和效率

图3 转矩脉动图

图4 电机效率图

根据表2 和图4 可以发现：电机的整体效率都相对较高；斜槽度0～20°范围内，随着斜槽度的度数不断增大，效率值整体上呈下降趋势，但在此范围内效率的极差值很小。

因此，综合考虑电机转矩脉动值和效率值可以发现：8.7～10°的斜槽度相对于13～14.4°的斜槽度的效率高一些，所以选择8.7～10°的定子斜槽度。

3 结论

以三相异步电机为基础，通过利用Maxwell 构建电动机模型，并对工作温度为75 ℃、恒功率负载4 kW工况下的电动机模型进行瞬态场的有限元仿真，计算出不同的定子斜槽度对应的转矩脉动和效率，得到电机不同的定子斜槽度对应的电磁转矩和效率的仿真结果数据；对不同斜槽度下的输出转矩曲线进行转矩脉动和电机效率的分析对比，得到在电机处于稳定工作状态时高效率与低转矩脉动双目标驱动下的最优斜槽度，使电机在工作中保持高效率的同时具有较好的稳定性。