多速電機(jī)電磁場(chǎng)分析

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

電機(jī)的電磁場(chǎng)計(jì)算分析較為復(fù)雜，但電磁場(chǎng)是影響電機(jī)電氣性能的核心因素。變速電機(jī)由于具有可隨負(fù)載性質(zhì)的要求又有級(jí)地變化轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到功率的合理匹配和簡(jiǎn)化變速系統(tǒng)的特點(diǎn)，堪稱機(jī)械系統(tǒng)節(jié)約能耗的理想動(dòng)力。本文分析的三速電機(jī)采用雙繞組形式，型號(hào)為YD 280-2/4/12 125/125/40kW。通過有限元仿真的方式對(duì)電機(jī)三種工作狀態(tài)下的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，可以較為直觀地得到不同狀態(tài)下電磁場(chǎng)分布。

1 基于RMxprt的模型建立

通過Ansys Maxwell中的RMxprt模塊根據(jù)電磁方案建立樣機(jī)模型，該方案采用的是12極采用單繞組放置在槽口，2極、4極采用單繞組雙速在槽底。其繞組連接圖如圖1所示。

圖1 三速電動(dòng)機(jī)YD 280-2/4/12繞組連接型式圖

RMxprt是基于磁路法的旋轉(zhuǎn)電機(jī)專業(yè)軟件，能加快電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程，RMxprt是Ansoft電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程的理想起點(diǎn)，用戶能快速對(duì)成百上千種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，并可以對(duì)預(yù)選方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以根據(jù)其生成的物理模型將其導(dǎo)入到Maxwell 2D中建立了二維有限元仿真模型。

2 Ansys Maxwell 2D仿真分析

麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，也是工程電磁場(chǎng)的數(shù)值分析出發(fā)點(diǎn)。麥克斯韋方程組是由四個(gè)定律組成，分別為：安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律和高斯磁通定律(亦稱磁通連續(xù)定律)。通過麥克斯韋方程組微分形式可以導(dǎo)出能用有限元處理的電磁問題的微分方程，分別對(duì)應(yīng)

(1)

(2)

(3)

▽×B=0

(4)

上面方程中包含兩個(gè)旋度方程式和兩個(gè)散度方程式。

場(chǎng)量E、D、B、H之間的關(guān)系由媒質(zhì)的特性決定。對(duì)于線性媒質(zhì)，其關(guān)系為

D=εE

(5)

B=μH

(6)

J=σE

(7)

式中，ε—介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ—介質(zhì)的磁導(dǎo)率，H/m；σ—介質(zhì)的電導(dǎo)率，s/m；對(duì)于各向同性介質(zhì)，ε、μ、σ是標(biāo)量；對(duì)于各向異性介質(zhì)，它們是張量。

Maxwell的仿真分析實(shí)際就是根據(jù)麥克斯韋方程組進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算的過程。樣機(jī)通過Maxwell 2D生成二維電機(jī)模型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 樣機(jī)的二維模型

在設(shè)置完電機(jī)的激勵(lì)和邊界條件后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完畢后，可查看樣機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下任意一時(shí)刻的磁力線分布圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。三種不同工作狀態(tài)下的樣機(jī)模型在0.2s時(shí)的磁力線分布如圖3所示。

圖3 YD 280-2/4/12的磁力線分布

從圖3中可以看出，其不同極數(shù)運(yùn)行下的磁力線分布都比較合理，12p漏磁較多，但其性能在合理范圍內(nèi)。三種不同工作狀態(tài)下的樣機(jī)模型在0.2s時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 YD 280-2/4/12的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

電機(jī)的氣隙中磁場(chǎng)的分布直接影響著電機(jī)的電磁性能，氣隙磁密的大小是衡量電機(jī)電磁場(chǎng)分布是否合理的重要因素，所以本文對(duì)樣機(jī)進(jìn)行氣隙磁密求解，對(duì)樣機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解如圖5所示。

圖5 YD 280-2/4/12的氣隙磁密傅立葉分解

從圖5中可看出電機(jī)YD 280-2/4/12 125/125/40kW氣隙中磁場(chǎng)的分布良好，在不同工作狀態(tài)下都具有較為良好的電磁性能。

本文的模型為瞬態(tài)計(jì)算模型，對(duì)應(yīng)的計(jì)算為轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下，所模擬的是額定速度下三相繞組電流、輸入電壓、轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩、磁鏈、感應(yīng)電壓和位置。這些曲線都直觀地反映了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從一開始的不穩(wěn)定狀態(tài)，逐漸運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)。電機(jī)的瞬態(tài)三相電流曲線如圖6所示。

圖6 YD 280-2/4/12瞬態(tài)三相電流曲線

從圖6中可看出電機(jī)三相電流成正弦對(duì)稱分布，可以保證電機(jī)在三種工作轉(zhuǎn)態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文選取了一個(gè)雙繞組三速電機(jī)，采用有限元仿真的方法對(duì)其的進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析，從額定運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的各部分磁密分布、氣隙磁密大小均較為合理，同時(shí)從三相電流可以看出，證明樣機(jī)能夠在三種速度狀態(tài)下，安全可靠的運(yùn)行，滿足相關(guān)要求。