氣隙長度對三相感應電機性能的影響分析

李玉山，魏會來

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

氣隙長度對三相感應電機性能的影響分析

李玉山，魏會來

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度是其主要影響因素之一。使用Ansoft Maxwell軟件建立三相異步電機模型并進行有限元仿真分析，得出電機在不同氣隙長度時的性能曲線，通過比較這些曲線分析出氣隙長度對電機性能的影響。

異步電機；氣隙長度；影響因素；有限元分析

CLC NO.:U463.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-91-03

引言

三相異步電機結構簡單、制造方便、運行性能好，并可節省各種材料、價格便宜，因而廣泛地應用于國民經濟的各個部門。電機的性能在很大程度上取決于電機的尺寸，合理的電機尺寸可以有效提高電機的動穩態特性。電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度是其主要影響因素之一。因此，研究氣隙對電機運行的影響具有重要的意義。

如果想知道氣隙對電機性能的影響，那么必須要對電機內部的電磁場進行計算。數值法是將所要計算的電磁場區域剖分成許多網格或單元，然后再經過數學處理進而建立以網格或單元上各節點的求解函數值為未知參數的方程組。通常用于解決電機電磁場問題的數值解法包括有限元法和差分法，用有限元法求解時單元的剖分靈活性大，適用性強，求解的精度高。因此，本文選擇Ansoft公司機電系列軟件中的Maxwell 2D建立三相異步電機模型并對其進行瞬態場仿真分析，采用有限元法對電機內部磁場進行計算。

1、電機的有限元分析過程

本文應用Ansoft軟件進行分析，其基本步驟如下:（1）創建項目；（2）建立模型；（3）賦屬性；（4）設邊界；（5）剖網格；（6）加激勵；（7）計算；（8）后處理。

電機的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的重要場所，而氣隙長度δ是影響氣隙磁場的主要因素之一。本文通過仿真，對比分析氣隙長度分別為δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm五種情況對電機性能的影響。

1.1 建立模型

本文選取三相異步電機的基本尺寸如表1所示。該電機定子繞組為單層繞組，采用三相60°相帶，線規為Φ1.3mm銅線，2股并繞作為一匝，每槽28匝，單層繞組，節距為1-9。定子繞組采用三角形接法。電機極數為4極，額定功率11kW，三相電壓源為50Hz，380V，同步轉速是1500rpm。材料設置為:鐵心--熱軋硅鋼片D23，轉軸--不銹鋼材料，機座--鑄鐵材料。

表1 三相異步電機基本參數

首先在RMxprt模塊中建立基本電機模型，再導入Maxwe11 2D中進行有限元分析。建立的電機1/2幾何模型及其網格剖分模型如圖1，2所示。

1.2 有限元分析設置

本文應用Ansoft Maxwell軟件的2D Transient分析模塊。首先對創建的模型定子、轉子、氣隙等添加材料屬性，對定轉子鐵芯、定子繞組、轉子鼠籠繞組分別賦予材料為D23_50、copper、cast_aluminum_75C。

其次對于模型添加了Vector Potential Boundary（狄里克萊邊界條件）和Master/Slave Boundary（主從邊界條件）。 模型中所加電源為理想正弦電壓，其周期為0.02 s。

進行負載仿真時，在運動數據信息中的Initial Position初始位置選項中設置旋轉運動的初始位置角為15度，此角度為A相換相點。將初始速度、主動慣量、阻尼系數、及負載轉矩分別設置為0rpm, 0.028kg·m2，0.00884N·m·sec/rad和-83.44Nm，此處負載轉矩設為負數，是因為計算時電機逆時針正向旋轉，輸出正向電磁轉矩，因此，負載轉矩為反向轉矩，負號代表方向。

最后添加求解設置，本文設定分析時間及求解步長依次為0.2s、0.0002s，即求解1000步。設置信息保存開始及終止時間為0s和0.2s，場信息保存時間步長設置為0.005s，即場求解25步保存一次。其他采用默認設置。

2、仿真結果分析

氣隙長度δ是電機的重要尺寸之一，它與電機的運行性能、成本密切相關。圖3至圖7分別是δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的氣隙磁密、定子繞組電流、負載轉矩、渦流損耗、功率因數和效率曲線。

由圖3可以看出，隨著氣隙長度的增加，氣隙磁密呈現減小的趨勢。這是因為氣隙長度δ小，極間漏磁通就少，氣隙有效磁通就大。

模型根據對稱性簡化，減少計算量，本文只取A相電流進行分析。五種氣隙下的空載定子電流比較如圖4所示。由于定子繞組的三相電流為正弦交流電，在初始時刻電流很不穩定，幅值很大，最大幅值遠遠超過穩定時刻的電流。五個波形分別對應δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的電流波形圖。從圖中很容易看出，隨著氣隙的增大，定子電流也逐步增加。

從圖5中可以看出，啟動時有較大的脈動幅度，最大幅值遠遠超過穩定時刻的值。在100ms之后趨于穩定，且氣隙增大時轉矩脈動有下降的趨勢。

當氣隙中諧波磁場相對磁極表面運動時，就會在極面感生渦流，產生渦流損耗。由于上述仿真情況下只是氣隙不同，所以渦流損耗的差異是由氣隙造成的。氣隙愈大導致磁阻也愈大，使得氣隙磁場中的諧波含量減少從而引起損耗改變。從圖6可見，隨著氣隙的增大，渦流損耗明顯減小。

如圖7所示，隨著氣隙長度逐漸增加，功率因數和效率同時下降。氣隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大時，產生同樣大小的旋轉磁場就需要較大的勵磁電流。勵磁電流是無功電流，該電流增大會使電機的功率因數降低。

3、結論

本文運用Ansoft Maxwell軟件建立了三相異步電機的有限元仿真模型，對比分析了在不同氣隙大小時的電機性能。得出如下結論:隨著氣隙長度的增大，定子電流也逐步增加，同時氣隙磁密、負載轉矩渦流損耗、功率因數和效率均呈現下降趨勢。因此本文認為在保證定子繞組電流足夠的前提下，應盡量減小電機的氣隙長度，以使電機性能達到最佳。

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Impact Analysis on the Performance of Three-phase Induction Motor With different Air-gap

Li Yushan, Wei Huilai
( R&D Center of Great Wall Motor Company. Automotive EngineeringTechnical Center of Hebei, Hebei Baoding 071000 )

The air-gap magnetic field of motor is an important place where the motor conduct electromechanical energy conversion, and the gap length is one of the main factors affect to the air-gap magnetic field. Using Ansoft Maxwell software to modeling a three-phase induction motor and finite element simulation analysis, then obtained the performance curve of the motor at different air-gap length. By comparing these curves we can concluded the air-gap length＇s impact on the motor performance.

asynchronous motors; air-gap; influencing factor; Finite Element Analysis

U463.4

A

1671-7988(2015)07-91-03

李玉山，就職于長城汽車股份有限公司技術中心。