一種雙定轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

胡 巖，邵珠鑫，李褔益

(1 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870；2 壹倍科技(東莞)有限公司，東莞 523000)

0 引 言

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是各類電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。各國以電為動(dòng)力的機(jī)械中，約有90%為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)占70%以上。在電力系統(tǒng)的總負(fù)荷中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的用電量占相當(dāng)大的比重。我國的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用電量約占總負(fù)荷的60%多[1-2]。與其它電機(jī)相比，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，質(zhì)量輕，成本低[3]。一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可以達(dá)到額定電流的7倍左右，若超出此范圍很多，就會(huì)對(duì)電機(jī)繞組造成嚴(yán)重沖擊，甚至燒毀電機(jī)，大型電機(jī)還有可能對(duì)電網(wǎng)造成沖擊[4]。并且，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有較大的損耗，電機(jī)的效率較低，能耗較大。

為了提高電機(jī)的工作效率，多電端口或多機(jī)械端口的電機(jī)逐步進(jìn)入人們的視野，例如雙定子和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)[5]。很多學(xué)者對(duì)這兩種電機(jī)的工作原理與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出各式各樣的雙定子和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，解決了傳統(tǒng)電機(jī)功率密度較小的問題，但是此類電機(jī)的起動(dòng)性能仍然不佳，起動(dòng)電流依舊很大[6-9]。目前對(duì)于起動(dòng)電流過大的處理方式基本為降壓起動(dòng)，例如串電阻起動(dòng)和軟起動(dòng)控制等[10]。這些起動(dòng)方式雖然能抑制電機(jī)的起動(dòng)電流，但同時(shí)也降低了電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩[11]。因此，優(yōu)良的起動(dòng)性能對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)用具有重大意義。

針對(duì)目前感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能不佳和運(yùn)行效率低下的問題，本文提出了一種具有兩套定轉(zhuǎn)子的新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。此電機(jī)在實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部套入一個(gè)鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，形成一種電機(jī)套電機(jī)的結(jié)構(gòu)。內(nèi)層電機(jī)采用兩套繞組的設(shè)計(jì)，其中一套為4極的低諧波繞組，也可以說是一種具有諧波磁勢含量較低的繞組。采用這種繞組方式可以減少電機(jī)的附加損耗，使得電機(jī)效率高于采用雙層疊繞組繞線的電機(jī)[12]。由于特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)使得這種雙定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能夠在直接起動(dòng)的情況下，以較低的起動(dòng)電流使電機(jī)輸出較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且起動(dòng)后可以高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本文基于ANSYS有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行電磁仿真分析，研究了電機(jī)的起動(dòng)與運(yùn)行性能。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了該電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和電機(jī)性能滿足技術(shù)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)的要求。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究電機(jī)的外層實(shí)心轉(zhuǎn)子采用10號(hào)鋼材料，其與內(nèi)層電機(jī)定子部分鑲嵌在一起，定子繞組采用8極單層鏈?zhǔn)嚼@組。內(nèi)層電機(jī)為普通籠型感應(yīng)電機(jī)，其定子中鑲嵌了兩套繞組，分別為8極雙層疊繞組和4極雙層同心式正弦繞組。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)示意圖

本文所研究電機(jī)的運(yùn)行過程可分為兩部分。其中內(nèi)外雙層8極繞組同時(shí)通電，電機(jī)進(jìn)入起動(dòng)過程。由于內(nèi)層電機(jī)的定子跟隨實(shí)心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并達(dá)到8極電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，所以可使內(nèi)層電機(jī)的轉(zhuǎn)子達(dá)到4極電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速后，內(nèi)外雙層8極繞組斷電，內(nèi)層4極繞組通電，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行過程。

1.1 主要性能參數(shù)

表1給出的是外層實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

表1 外層電機(jī)主要性能參數(shù)

表2給出的是內(nèi)層8極電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

表2 內(nèi)層8極電機(jī)主要性能參數(shù)

表3給出的是內(nèi)層4極電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

表3 內(nèi)層4極電機(jī)主要性能參數(shù)

1.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

表4給出的是電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸。

表4 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 內(nèi)層4極電機(jī)同心式正弦繞組設(shè)計(jì)

內(nèi)層4極電機(jī)采用了雙層同心式的正弦繞組方式，正弦波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)需要正弦磁場勵(lì)磁，理想的電流層應(yīng)為余弦分布，由于導(dǎo)體是有限分布，合成的電流層是階梯波。流過導(dǎo)體的電流大小相同，而每個(gè)線圈匝數(shù)不同，導(dǎo)致槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)量不同，即安匝數(shù)不同。通過調(diào)整線圈的匝數(shù)就可以消除高次諧波，改善磁勢波形的正弦程度[13]。

本文采用極相組中各線圈匝數(shù)依次為13、18、9的布線方式。每槽導(dǎo)體數(shù)如表5所示。4極電機(jī)繞線圖如圖2所示。

表5 每槽導(dǎo)體數(shù)

圖2 4極電機(jī)繞線圖

2 電機(jī)模型的建立

由于內(nèi)外雙層8極電機(jī)作為其起動(dòng)部分，待轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后切入內(nèi)層4極單獨(dú)運(yùn)行，故需要分別對(duì)內(nèi)外雙層8極電機(jī)和內(nèi)4極電機(jī)進(jìn)行建模仿真。

2.1 內(nèi)外雙層8極電機(jī)

由于內(nèi)外雙層8極結(jié)構(gòu)的特殊性，本文使用ANSYS的RMxprt模塊對(duì)內(nèi)外兩層電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)建模，再將建立的模型分別導(dǎo)進(jìn)Maxwell中進(jìn)行合并。模型如圖3所示。

圖3 內(nèi)外雙層8極電機(jī)模型

此電機(jī)具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，其中對(duì)于外層電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件需要特殊處理。繪制band面域時(shí)應(yīng)把內(nèi)層電機(jī)的定子包含在其中，將面域設(shè)置為band面并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)置，這樣就可實(shí)現(xiàn)內(nèi)層定子跟隨著實(shí)心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而滿足要模擬的工況要求。

2.2 內(nèi)層4極電機(jī)

對(duì)于內(nèi)層的4極電機(jī)，其繞組方式為同心式正弦繞組。在使用RMxprt進(jìn)行建模時(shí)，選擇自定義繞組方式，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)繞組的匝數(shù)以及接線進(jìn)行設(shè)置。最后將模型導(dǎo)入Maxwell 2D中進(jìn)行仿真分析。其模型如圖4所示。

圖4 內(nèi)層4極電機(jī)模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 內(nèi)外雙層8極模型仿真分析

對(duì)于本文所研究的電機(jī)，內(nèi)外雙層8極模型主要用于起動(dòng)過程，因此，主要對(duì)雙層8極模型進(jìn)行起動(dòng)性能的分析。

3.1.1 磁場分布

由圖5和圖6可以看出，電機(jī)的主磁場分布均勻，磁密最大出現(xiàn)在定子齒部，為1.5 T左右，鐵心未飽和。因此，設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)較為合理。

圖5 電機(jī)磁力線分布圖

圖6 電機(jī)磁密云圖

3.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速

對(duì)于內(nèi)外雙層8極電機(jī)，其特殊的結(jié)構(gòu)使得內(nèi)層轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4極電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 內(nèi)層轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

當(dāng)外層電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，可使雙層8極電機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)行。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如圖8所示。

圖8 內(nèi)層轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)速圖

3.1.3 起動(dòng)特性

對(duì)于電機(jī)的起動(dòng)特性，本文主要研究其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流。由圖9和圖10可以看出，內(nèi)外兩層電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為68.4 N·m和58.7 N·m，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 外層電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖10 內(nèi)層電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

起動(dòng)電流過大會(huì)引起電機(jī)定子線圈溫度升高，導(dǎo)致線圈絕緣降低，造成匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪罚瑖?yán)重的會(huì)直接燒毀電機(jī)。因此，低起動(dòng)電流對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)尤為重要。圖11和圖12分別為外層和內(nèi)層電機(jī)的起動(dòng)電流曲線，電機(jī)的起動(dòng)電流較小，符合絕緣要求。

圖11 外層電機(jī)起動(dòng)電流

圖12 內(nèi)層電機(jī)起動(dòng)電流

3.2 4極模型仿真結(jié)果

當(dāng)雙層8極電機(jī)起動(dòng)以后會(huì)切入4極單獨(dú)運(yùn)行，因此對(duì)于4極電機(jī)需要其滿足高效穩(wěn)定的運(yùn)行要求。

為了減小電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)，4極電機(jī)采用同心式正弦繞組。這種繞線方式可在氣隙中形成趨近于正弦的磁密波形，從而減小了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖13 氣隙磁密曲線

正弦式繞組減小了電機(jī)的諧波損耗，從而提高了電機(jī)的效率。由圖15可以得出，4極電機(jī)負(fù)載狀況下的效率可達(dá)93.3%左右。

圖15 輸出功率與電磁功率曲線

對(duì)氣隙磁場進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如圖16所示。可以看出，使用低諧波繞組使得氣隙磁場中的高次諧波含量較低，驗(yàn)證了低諧波繞組布線的合理性。

圖16 氣隙磁場FFT分解圖

4 數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)試制，試制完成后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能測試，樣機(jī)如圖17所示。

圖17 電機(jī)試制樣機(jī)

仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表6和表7所示。

表6 雙層8極電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

表7 內(nèi)層4級(jí)電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 電機(jī)對(duì)比

所研究雙層結(jié)構(gòu)電機(jī)最終運(yùn)行目標(biāo)為4極感應(yīng)電機(jī)，雙層8極結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)電機(jī)的起動(dòng)過程，起動(dòng)后則可看作為一個(gè)4極電機(jī)在運(yùn)行。因此，選擇一臺(tái)傳統(tǒng)的Y系列4極電機(jī)與所研究新型結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行效果對(duì)比。性能對(duì)比如表8所示。

表8 優(yōu)勢對(duì)比

5 結(jié) 語

通過ANSYS有限元仿真軟件對(duì)雙定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行電磁場以及電機(jī)起動(dòng)性能的仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)特殊的雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得本文的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩電流比很大，在較小電流的情況下可輸出較大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)具有多轉(zhuǎn)速運(yùn)行的特點(diǎn)，適用于頻繁起動(dòng)且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的工況中。

(2)內(nèi)層電機(jī)中采用同心式正弦繞組，恰當(dāng)?shù)剡x取了每槽導(dǎo)體數(shù)，按正弦規(guī)律分布槽電流。電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的效率較高，符合對(duì)于電機(jī)高效節(jié)能的設(shè)計(jì)要求。