基于Ansys Maxwell的單相電機變極設計分析*

周愛美

（浙江廣廈建設職業技術大學，浙江金華 322100）

0 引言

隨著經濟的發展，生活水平的提高，家用電器的使用種類日益增長，對單相電機使用量和電機要求都在不斷提升[1-2]。隨著市場經濟競爭的日趨劇烈，電機可靠性，電機電磁性能滿足性，電機成本可控性等方面都成為電機設計人員研究分析的內容[3-4]。怎樣用最低成本成就最優的電機性能，更是電機生產企業的不斷追求，也是研發人員研發目標。以具體電機為例，進行單相電容運轉電機的4/6變極調速研究分析，在不增加銅耗和鐵耗的情況下，性能指標達到對應容量的單相電機容量等級和相應性能標準，具有技術研究價值和實用價值。

本文從某企業產品電機使用要求出發，以Z=24槽，單相m=1電容運轉電機為研究對象，進行4/6極變極調速繞組設計分析。

1 繞組參數計算

1.1 4極參數計算

1.2 6極參數計算

1.3 節距確定

4極繞組極距τ=6 ，6極繞組極距τ=4 ，4極采用短距繞組，6極采用長距繞組，因此，節距y=5 。

2 繞組變極方案討論

單相電機要求電機的主繞組電動勢軸線與副繞組電動勢軸線相交成90°電角度。電機從6極電機通過改變繞組端部接線方式變成4極電機時，需要滿足變極前后主副繞組的軸線電勢相交均成90°電角度，繞組的磁動勢波形盡可能接近正弦波。采用3種4/6極變極接線方式進行試驗。

2.1 反接法4/6極變極方案

圖1所示為反接法4/6極變極接線方式，圖1（a）所示為6 極繞組連接方式，圖1（b）所示為4 極繞組接線方式。4 極繞組接線方式是將6 極主線圈-24、-23、20、19、4、3 和副線圈-22、-21、-6、17、2、1線圈反接而成。

圖1 反接法4/6極變極接線（-表示線圈反接）

圖2 所示為6 極槽電勢行星圖，由圖可知，6 極排布是很規 則 的 排 布，1、2、9、10、17、18、-5、-6、-13、-14、-21、-22 組成3 對極副繞組，3、4、11、12、19、20、-7、-8、-15、-16、-23、-24 組成3 對極主繞組，主副繞組合成電動勢的軸線相交90°電角度。

圖2 6極槽電勢星形圖（A為副繞組、B為主繞組，-表示反接）

圖3 反接法4極槽電勢星形圖

圖3所示為反接法4極槽電勢星形圖，由圖可知，主繞組8、20和3、15反接，由繞組節距y=5，可以推算出主繞組3和15 的下層邊對應于主繞組8 和20 的上層邊，所以嵌在定子8槽和20槽里上層邊繞組和下層邊繞組的電流大小相等方向相反，-B′相產生的磁動勢相抵消。副繞組-2、-14 和6、18 和10、22 合成電動勢的方向與主繞組-4、-16 和12、24 合成電動勢的軸線方向成90°電角度，實現了4極繞組接線，也因此實現了4/6極變極調速。

2.2 換向法4/6變極方案

圖4 所 示 為 換 向 法4/6 變 極 接 線，圖4 （a） 中1、2、-5、-6、9、10、-13、-14、17、18、-21、-22組成三對副 繞 組，3、 4、 -7、 -8、 11、 12、 -15、 -16、 19、20、-23、-24 組成3 對主繞組，組成6 極的接線方式。圖4（b）由圖4（a）中副繞組1、2、-21 與主繞 組-23、-24、4 對 換，副繞組9、-14、-13 與主繞組11、12、-16 對換接線得來。副繞組由4、5、6、-10、-11、-12、16、17、18、-23、-24 組成，主 繞 組 由 1、 2、3、-7、-8、-9、13、14、15、-19、-20、-21 組成。圖5 所示為換相法4極槽電勢星形圖，由圖可知，副繞組合成電動勢形軸線位置在矢量2、8所在軸線位置，主繞組合成電動勢軸線位置在矢量5、11所在軸線位置，兩軸線成90°的角度。

圖4 換向法4/6極變極接線

圖5 換向法4極槽電勢星形圖

2.3 特殊換向法4/6極接線

圖6 所示為特殊換相法4/6 極變極接線，圖6（a）中1、2、-5、-6、9、10、-13、-14、17、18、-21、-22 組成3 對副 繞 組，3、 4、 -7、 -8、 11、 12、 -15、 -16、 19、20、-23、-24組成3對主繞組，組成6極的接線方式。繞組端部的連線方式與前兩種稍有不同，主副繞組的組成以及主副繞組的電流流進方向是不變的，所以主副繞組形成的電動勢是軸線位置是不變的。圖6（b）是先并聯（1、2、-21、-22與14、 13、 -10、 -9 并 聯； 3、 4、 -7、 -8 與16、15、-20、-19并聯）形成兩組并聯主繞組，再將并聯主繞組串聯形成主繞組。

圖6 特殊換向法4/6極變極接線

主副繞組的槽電勢如圖7 所示，主繞組由1、2、3、4、-7、-8、-9、-10、13、14、15、16、-19、-20、-21、-22組成，形成了槽電勢形成了120°電角度，副繞組僅由5、 6、 -11、 -12、 17、18、-23、-24 組成，形成了槽電勢形成了60°電角度，主副繞組電動勢軸線相交成90°電角度。

圖7 特殊換相法4極槽電勢星形圖

3種變極方案中，6極繞組接線符合接線一般規則，4極繞組接線都是在6極繞組接線的基礎上改變端部接線而成。從3 幅4 極槽電勢星形圖分析，圖3 反接法中-B’相中8槽和20槽電勢抵消，由6極換接成4極后主繞組電動勢損耗比較嚴重；圖5換相法槽電勢星形圖上看換相法電勢損耗正常；圖7特殊換相法增加了主繞組的電動勢電角度，增加了主電動勢強度，削減了副繞組的電角度，從而削弱副電動勢，滿足了主副繞組的電動勢軸線相交90°電角度的要求，更有利于主電動勢發揮作用。因此，從槽電勢分析看，特殊換相法4極接線方法更優。

3 基于Ansys Maxwell 的電磁設計

根據以上討論的接線方案，利用Ansys Maxwell 進行仿真模擬，模擬條件是電機繞組線圈匝數固定，6極電機設額定點轉速為900 r/min，4極電機設額定點轉速為1200 r/min，對電機的各項性能進行比較[5-6]。

3.1 Ansys Maxwell電磁分析

圖8 所示為6 極電機的的磁動勢分解圖和氣隙磁場分布圖，圖9～11分別為反接法4極、換相法4極和特殊換向法4極的磁動勢分解圖和氣隙磁場分布圖。

圖8 6極基波分析與氣隙磁場

圖9 反接法4極諧波分析與氣隙磁場

圖10 換相法4極諧波分析與氣隙磁場

圖11 特殊換相法4極諧波分析與氣隙磁場

感應電機的繞組中通過交流電流時，會產生電樞磁動勢，對電機的能量轉換和電機運行性能有很大的影響。磁動勢的大小和波形取決于槽內線圈繞組的分布和電流情況。交流電機的氣隙是均勻的，由于本案例中采用的是整距繞組，因此氣隙磁動勢也是均勻的。繞組電流大小按正弦規律變化，產生磁動勢矩形波幅值也按正弦排列變化，隨著電流方向改變，磁動勢也隨之而改變。電機的氣隙磁場本身不是正弦波，它是由磁動勢矩形波按照傅里葉級數分解而成的正弦分布的基波和一系列的諧波組成（如圖8～11 中的（b）圖）。分解后基波和奇次諧波磁動勢，基波的幅值對電機氣隙磁場幅值影響較大，諧波會影響磁動勢擬合波形。氣隙磁場的強弱影響電機的電磁轉矩，從而影響電機的輸出轉矩，影響電機的性能。氣隙磁場波形影響電機的電磁噪音和電機的振動。因此，在電機的電磁設計過程中，盡可能使基波幅值最大，基波分布越接近正弦波越好。

圖8 所示為6極的基波分析與氣隙磁場，圖8（a）中基波幅值是0.57。圖8（b）為360°電角度的氣隙磁場諧波分解圖，按類似正弦排布的矩形波形是基波，分布在0軸附近幅值較小的是各次諧波，幅值接近0.6的是氣隙磁場擬合波形，波形幅值直接受基波幅值影響，擬合磁動勢曲線的受各次諧波影響。圖8（b）中的氣隙磁場波形幅值在0.57，波形接近正弦波。

圖9～11 是3 種不同接線方法的4 極電機諧波分析和氣隙磁場。圖9（a）基波幅值是0.37，圖10（a）基波幅值是0.4，圖11（a）基波幅值是0.6，圖11（a）基波幅值是最大的，電機產生的理論電磁轉矩最大。從360°電角度的基波排布和基波波形來看，圖9（b）和圖10（b）的基波畸形變化比較大，對電機的電磁噪聲和振動影響就比較大。圖11（b）中基波波形比較規整，相應的電機電磁噪音和振動比圖9 和圖10 電機的電磁噪音和振動要小。從擬合磁動勢擬合曲線看，圖11（b）中幅值最大，擬合的磁動勢波形最為接近正弦波。

Ansys Maxwell“場”仿真效果看，特殊換相法4極電機的氣隙磁場強度最強，基波波形最佳。

3.2 3種繞組接線的4極電機性能參數對比

利用Ansys Maxwell 仿真軟件對3 種繞組接法的4 極電機進行“路”的仿真計算[7-8]，3種4極接法電機的空載輸入功率分別是34.7044 W、34.3481 W 和24.1952 W，特殊換相法的空載輸入功率只有反接法的69.7%，換向法的70.4%。最大轉矩分別是0.131817 N·m、0.139336 N·m 和0.160914 N·m，與圖9、圖10、和圖11 的氣隙磁場分布分析一致，電機的最大轉矩受電機氣隙磁動勢的直接影響，特殊換相法的4極電機輸出的最大轉矩值最大。電機在1200 r/min時效率分別為33.6618%、31.8894%和42.2535%，也是特殊換相法4 極電機的效率最高，最為節能。

4極仿真設計值如表1所示。由表可知，特殊換相法接線的4極電機空載輸入功率、最大轉矩、額定輸出功率、額定電流和額定效率指標均優于其他兩種接線的4極電機。

表1 4極仿真設計值（額定轉速設1200 r/min）

4 樣機性能測試驗證

利用特殊換相法接線的4/6 極變極調速樣機實測數據與Ansys Maxwell 模擬仿真數據進行對比，如表2 所示。4P 電機空載輸入設計值是24.1952 W，實測值是27.18 W，空載輸入偏大12.34%；設計啟動轉矩是0.0707878 N·m，實測空載啟動轉矩是0.08184 N·m，實測值比設計值偏大15.61%；實測輸入值增大，對應的空載轉矩也增大，趨勢是一致的。設計最大轉矩是0.160914 N·m，實測最大轉矩是0.15162 N·m，實測值比設計值偏小5.78%；設計額定功率18.2464 W，實測額定功率是18.051 W，實測值比設計值偏小1.07%；設計額定電流是0.196287 A，實測的額定電流是0.2022 A，實測值比設計值偏大3.01%；設定的額定效率是42.2535%，實測的額定效率是40.55%，實測值比設計值偏小4.03%。排除人工實測值空載取點的影響，4P電機的最大轉矩、額定功率、額定電流和額定效率設計值與實測值之間偏差是在-5%～5%之間，已經達到了預想的設計效果。

表2 特殊換相4/6極設計值與實測值對比

同樣的對比方法對比6P電機的設計值和實測值，空載輸入功率偏大6.18%；啟動轉矩偏大2.16%；最大轉矩偏小1.412%；額定功率偏小0.084%；額定電流偏大4.644%；額定效率偏低4.57%。排除人工實測空載取點影響，6P 電機的各性能設計值與實測值之間的偏差也在-5%～5%之間，也已經達到了預想的設計效果。

從以上各性能指標的對比結果看，理論設計達到了預計效果。也說明理論分析的方向性是真確的，特殊換相法4/6變極調速繞組方案是最佳的。

5 結束語

本設計固定了電機的機械結構和電機鐵磁材料特性，在不改變電機制造成本的前提下，遵循單相電容運轉電機主副繞組電動勢軸線成90°電角度的規則，進行槽電勢矢量分析，設計實現4/6 極變極調速的3 種繞組接線方案。利用Ansys Maxwell 軟件對3 種4/6 接線方式進行“路”和“場”進行模擬仿真，選擇最優方案進行樣機實驗，從性能參數的對比結果看，設計效果達到了預計效果。特殊換相法4/6極變極調速的繞組接線在不增加電機銅耗和鐵耗的情況下，性能指標達到對應容量的單相電機容量等級和相應性能標準，為研發人員單相電機變極調速接線提供了新的參考。