一种双定转子的感应电动机设计与仿真

胡 岩，邵珠鑫，李褔益

(1 沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870；2 壹倍科技(东莞)有限公司，东莞 523000)

0 引 言

感应电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国以电为动力的机械中，约有90%为感应电动机，其中小型感应电动机占70%以上。在电力系统的总负荷中，感应电动机的用电量占相当大的比重。我国的感应电动机用电量约占总负荷的60%多[1-2]。与其它电机相比，感应电动机结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，质量轻，成本低[3]。一般感应电动机的起动电流可以达到额定电流的7倍左右，若超出此范围很多，就会对电机绕组造成严重冲击，甚至烧毁电机，大型电机还有可能对电网造成冲击[4]。并且，感应电动机具有较大的损耗，电机的效率较低，能耗较大。

为了提高电机的工作效率，多电端口或多机械端口的电机逐步进入人们的视野，例如双定子和双转子电机[5]。很多学者对这两种电机的工作原理与优化设计进行了大量研究，开发出各式各样的双定子和双转子电机，解决了传统电机功率密度较小的问题，但是此类电机的起动性能仍然不佳，起动电流依旧很大[6-9]。目前对于起动电流过大的处理方式基本为降压起动，例如串电阻起动和软起动控制等[10]。这些起动方式虽然能抑制电机的起动电流，但同时也降低了电机的起动转矩[11]。因此，优良的起动性能对于感应电动机的发展应用具有重大意义。

针对目前感应电动机的起动性能不佳和运行效率低下的问题，本文提出了一种具有两套定转子的新型结构感应电动机。此电机在实心转子感应电动机的内部套入一个鼠笼型感应电动机，形成一种电机套电机的结构。内层电机采用两套绕组的设计，其中一套为4极的低谐波绕组，也可以说是一种具有谐波磁势含量较低的绕组。采用这种绕组方式可以减少电机的附加损耗，使得电机效率高于采用双层叠绕组绕线的电机[12]。由于特殊的电机结构使得这种双定转子感应电动机能够在直接起动的情况下，以较低的起动电流使电机输出较高的起动转矩，并且起动后可以高效稳定运行。

本文基于ANSYS有限元软件对所设计电机进行电磁仿真分析，研究了电机的起动与运行性能。仿真结果与实验数据的对比，验证了该电机的设计参数和电机性能满足技术指标以及设计的要求。

1 电机结构设计

本文研究电机的外层实心转子采用10号钢材料，其与内层电机定子部分镶嵌在一起，定子绕组采用8极单层链式绕组。内层电机为普通笼型感应电机，其定子中镶嵌了两套绕组，分别为8极双层叠绕组和4极双层同心式正弦绕组。结构图如图1所示。

图1 基本结构示意图

本文所研究电机的运行过程可分为两部分。其中内外双层8极绕组同时通电，电机进入起动过程。由于内层电机的定子跟随实心转子旋转并达到8极电机的额定转速，所以可使内层电机的转子达到4极电机的额定转速后，内外双层8极绕组断电，内层4极绕组通电，电机进入稳定运行过程。

1.1 主要性能参数

表1给出的是外层实心转子电机设计的技术要求。

表1 外层电机主要性能参数

表2给出的是内层8极电机设计的技术要求。

表2 内层8极电机主要性能参数

表3给出的是内层4极电机设计的技术要求。

表3 内层4极电机主要性能参数

1.2 主要结构尺寸

表4给出的是电机主要结构尺寸。

表4 电机主要结构尺寸

1.3 内层4极电机同心式正弦绕组设计

内层4极电机采用了双层同心式的正弦绕组方式，正弦波驱动的电机需要正弦磁场励磁，理想的电流层应为余弦分布，由于导体是有限分布，合成的电流层是阶梯波。流过导体的电流大小相同，而每个线圈匝数不同，导致槽内导体数量不同，即安匝数不同。通过调整线圈的匝数就可以消除高次谐波，改善磁势波形的正弦程度[13]。

本文采用极相组中各线圈匝数依次为13、18、9的布线方式。每槽导体数如表5所示。4极电机绕线图如图2所示。

表5 每槽导体数

图2 4极电机绕线图

2 电机模型的建立

由于内外双层8极电机作为其起动部分，待转速达到额定转速后切入内层4极单独运行，故需要分别对内外双层8极电机和内4极电机进行建模仿真。

2.1 内外双层8极电机

由于内外双层8极结构的特殊性，本文使用ANSYS的RMxprt模块对内外两层电机进行单独建模，再将建立的模型分别导进Maxwell中进行合并。模型如图3所示。

图3 内外双层8极电机模型

此电机具有两个运动部件，其中对于外层电机的运动部件需要特殊处理。绘制band面域时应把内层电机的定子包含在其中，将面域设置为band面并对其进行运动部件的设置，这样就可实现内层定子跟随着实心转子旋转，从而满足要模拟的工况要求。

2.2 内层4极电机

对于内层的4极电机，其绕组方式为同心式正弦绕组。在使用RMxprt进行建模时，选择自定义绕组方式，然后根据设计要求对绕组的匝数以及接线进行设置。最后将模型导入Maxwell 2D中进行仿真分析。其模型如图4所示。

图4 内层4极电机模型

3 仿真结果分析

3.1 内外双层8极模型仿真分析

对于本文所研究的电机，内外双层8极模型主要用于起动过程，因此，主要对双层8极模型进行起动性能的分析。

3.1.1 磁场分布

由图5和图6可以看出，电机的主磁场分布均匀，磁密最大出现在定子齿部，为1.5 T左右，铁心未饱和。因此，设计的电机参数较为合理。

图5 电机磁力线分布图

图6 电机磁密云图

3.1.2 电机转速

对于内外双层8极电机，其特殊的结构使得内层转子转速可以达到4极电机的额定转速。内转子转速曲线如图7所示。

图7 内层转子转速

当外层电机反转时，可使双层8极电机进行低速运行。内转子转速如图8所示。

图8 内层转子低速转速图

3.1.3 起动特性

对于电机的起动特性，本文主要研究其起动转矩与起动电流。由图9和图10可以看出，内外两层电机的起动转矩分别为68.4 N·m和58.7 N·m，起动转矩满足设计要求。

图9 外层电机起动转矩

图10 内层电机起动转矩

起动电流过大会引起电机定子线圈温度升高，导致线圈绝缘降低，造成匝间短路、相间短路或对地短路，严重的会直接烧毁电机。因此，低起动电流对于电机的设计尤为重要。图11和图12分别为外层和内层电机的起动电流曲线，电机的起动电流较小，符合绝缘要求。

图11 外层电机起动电流

图12 内层电机起动电流

3.2 4极模型仿真结果

当双层8极电机起动以后会切入4极单独运行，因此对于4极电机需要其满足高效稳定的运行要求。

为了减小电机运行中的振动，4极电机采用同心式正弦绕组。这种绕线方式可在气隙中形成趋近于正弦的磁密波形，从而减小了稳定运行状态下的转矩脉动。

图13 气隙磁密曲线

正弦式绕组减小了电机的谐波损耗，从而提高了电机的效率。由图15可以得出，4极电机负载状况下的效率可达93.3%左右。

图15 输出功率与电磁功率曲线

对气隙磁场进行谐波分析，结果如图16所示。可以看出，使用低谐波绕组使得气隙磁场中的高次谐波含量较低，验证了低谐波绕组布线的合理性。

图16 气隙磁场FFT分解图

4 数据对比

4.1 仿真结果与实验数据对比

根据设计方案进行样机的生产试制，试制完成后对样机进行性能测试，样机如图17所示。

图17 电机试制样机

仿真数据与实验数据对比如表6和表7所示。

表6 双层8极电机数据对比

表7 内层4级电机数据对比

4.2 电机对比

所研究双层结构电机最终运行目标为4极感应电机，双层8极结构负责电机的起动过程，起动后则可看作为一个4极电机在运行。因此，选择一台传统的Y系列4极电机与所研究新型结构电机进行效果对比。性能对比如表8所示。

表8 优势对比

5 结 语

通过ANSYS有限元仿真软件对双定转子感应电机进行电磁场以及电机起动性能的仿真分析，可以得到以下结论：

(1)特殊的双定转子结构，使得本文的感应电动机起动时的转矩电流比很大，在较小电流的情况下可输出较大转矩，同时具有多转速运行的特点，适用于频繁起动且起动转矩较大的工况中。

(2)内层电机中采用同心式正弦绕组，恰当地选取了每槽导体数，按正弦规律分布槽电流。电机在稳定运行时的效率较高，符合对于电机高效节能的设计要求。