淺談電磁仿真技術在機械設計中的應用

于子欽

摘 要：為了使工業設備性能達到國際化水平，促進機電一體化技術的發展。在機械設計中，需要通過電磁仿真對其電磁性能進行評估。本文利用Ansoft Maxwell以對三相鼠籠式感應電動機的電磁仿真分析為例，對電磁仿真技術在機械設計中的應用進行探討。

關鍵詞：電磁仿真；機械設計；感應電動機；應用

中圖分類號：TM301.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0046-02

1 引言

為實現工業制造的強國夢想，我國提出了“中國制造2025”的發展規劃，大力推進信息化技術與工業現代化相關技術的進一步融合，同時積極加強電子、控制相關技術與機械制造技術的結合。隨著我國工業技術發展迅猛，產品日新月異，產品性能成為工業產品在國際市場進行有利競爭的重要關鍵。絕大多數的電工設備和電氣設備的工作性能大都由其電磁性能和其他機械性能決定，如電機、變電設備、高速列車、核磁共振成像系統等。總而言之，集機械制造技術與電子、自動化控制技術與一體的機電一體化技術在工業發展及機械制造中的應用范圍越來越廣。同時，電磁場仿真技術在工業設備及設計機械制造中的應用成為必然。

2 電磁仿真技術的發展現狀

眾所周知，數值分析方法是電磁場仿真技術的基礎及關鍵。目前經常使用的電磁場數值分析方法有：頻域有限元法（FEM），矩量法（MoM），時域有限差分法（FDTD），物理光學法（PO）、時域傳輸線法（TLM）等。尤其是大量基于數值計算方法的電磁場商業軟件的出現，更使得基于數值分析模型的電磁兼容建模方法得到了快速的發展，以美國 ANSYS公司，德國CST公司等開發的電磁場仿真分析軟件最為著名。其中，Ansoft Maxwell就是一款用計算機數值模擬替代模型試驗的仿真軟件，它主要用來分析二維和三維的電磁部件，例如電動機、變電設備、激勵源及其他電氣和機電設備[1]。該軟件已經成為工程設計人員以及研究工作者在工業產品的設計過程中不可缺少的工具。

Ansoft Maxwell是基于有限元的分析方法對空間的場量進行計算的，其三維場的分析計算能力十分強大，可以恰當的解決絕大多數實際生產中的電力設備的模型仿真問題。該軟件存儲的數據庫內容十分豐富，不僅可以找到各種各樣的在實際問題中用到的工程材料，甚至包含了常見的電動機等電氣化設備的模型。

3 三相鼠籠式感應電動機工作原理

交流異步感應電動機以其質量輕、性能穩、功率大、故障率低優點，在大型系統中使用廣泛[2]。其中，最常見的為三相鼠籠式感應電動機。對于該感應電動機而言，其A、B、C三相定子繞組與三相正弦交流電源相連接，三相間兩兩相差120°。轉子繞組由多根平行的銅條或鋁條以端環的方式連接，構成籠型多相短路繞組。

當給定子繞組通交流電時，定子產生變化的磁場。轉子運動切割由定子產生的交變磁場，進而在轉子導體條上感應出電流。同時，轉子導條內不斷變化的感應電流又會形成一個新的磁場，該磁場與定子電流產生的磁場相互發生作用，驅動轉子運行[3-4]。

在電動機啟動瞬間，轉子切割磁場，在轉子導體條上產生大幅度轉子堵轉電流，最大可達到滿載電流的3～6倍。 此時，電機供電電壓驟降，可能會影響與其處于同一供電區域的其他設備的運行。同時，過高的電流也會使電機周圍的電磁場產生巨變，尤其是低頻磁場可能會影響其周圍設備的正常工作，同時影響電機附近工作人員的健康。因此，在感應電機設計的過程中需要分析電機周圍的磁場分布情況，進而輔助感應電機的開發、設計。

4 電動機電磁仿真分析

三相鼠籠式感應電動機的時變磁場計算過程非常復雜，對電流的趨膚效應以及齒輪中的磁飽和現象都需要做近似處理。Ansoft Mxawell基于有限元的數值計算方法計算感應電動機內部及其周圍的非線性正弦磁場[5]。根據對實際問題分析及感應電機的工作原理，在Ansoft Mxawell中搭建三相鼠籠式異步感應電動機的三維仿真分析模型，如圖1所示。

在定子繞組中分別注入頻率50Hz，峰值為100A、200A、300A的堵轉電流。電機剖面周圍磁場情況如圖2所示，其中，（a）為定子繞組中分別注入電流峰值為100A時，電機剖面周圍磁場分布情況。此時，磁場最大值為2.32T。（b）為定子繞組中分別注入電流峰值為200A時，電機剖面周圍磁場分布情況。此時，磁場最大值為2.44T。（c）為定子繞組中分別注入電流峰值為200A時，電機剖面周圍磁場分布情況。 此時，磁場最大值為2.65T。基于以上分析可以發現，感應電機磁場的最大值隨著電機的定子注入電流幅值的增大而增大。然而無論定子繞組中分別注入電流多大，由于電機定子和轉子鐵芯對磁場的匯聚作用導致電極周圍空間里主要的磁場分布在轉子與定子之間。

進一步分析電機周圍磁場分布隨距離的變化的趨勢，如圖3所示。若電機中心位于1m處，可以看出，在0.85m和1.15m處，即電機中心兩側定子繞組所在的位置，由于定子繞組為激勵電流源的注入處，所以其附近存在較大的感應磁場。而隨著離電機中心距離的增大，磁場強度迅速減小，在距離中心0.2m外磁場幾乎衰減為0。因此，在電動機設計過程中要特別注意對堵轉電流的控制，以降低電機的磁場輻射。

綜上，在感應電機的正常工作或者啟動瞬間，其周圍產生的磁感應強度在電機外的空間區域衰減完全，可忽略不計。

5 結語

本文探討了機械設計過程中電磁仿真的必要性，進一步利用Ansoft Maxwell對不同電流激勵下鼠籠式感應電動機對周圍磁場特性進行了分析，不僅能夠對感應電動機的電磁性能產生感性認識，同時證明了對堵轉電流的控制在電動機設計過程中的必要性。可見，電磁仿真技術可以對機械設計起到有效的輔助作用。

參考文獻

[1]劉慧娟.上官明珠.Ansoft Maxwell 13電機電磁場實例分析[M].國防工業出版社，2014.

[2]霍宏艷.高速動車組電磁騷擾源建模仿真分析[D].北京交通大學，2010.

[3]湯蘊璆.電機學（第5版）（普通高等教育十一五國家級規劃教材）[M].機械工業出版社，2014.

[4]（美）佩特澤蘭（Petruzella，F.D.）.電動機應用技術[M].科學出版社，2010.

[5]謝德馨.工程電磁場數值分析與綜合[M].機械工業出版社，2009.endprint