基于Ansys的籠型感應電動機優化設計

收稿日期：2023-06-29

基金項目：安徽省自然科學基金（2108085MF200）；安徽高校自然科學重點項目（KJ2020A307）

作者簡介：鄧天龍（2000-），男，安徽淮南人，在讀碩士，研究方向為電機設計及控制.E-mail：1651693536@qq.com.

*通信作者：林涵（1986-），女，山東威海人，副教授，博士，研究方向為電機設計與優化.E-mail：hanlin@aust.edu.en.

文章編號：2095-6991（2024）04-0054-05

摘要：針對感應電動機設計過程中需要解決降低電機損耗高、工作效率低、功率因數小和操作特性差等問題，設計了一臺額定功率20 kW，額定轉速3000 r/min的籠型感應電動機，該設計采用Ansys EM中的RMxprt模塊對感應電機進行快速建模和有限元分析，優化電機參數后利用Ansys Motor Cad對所設計的感應電機進行電磁場和溫度場的耦合仿真.仿真結果表明，和國內外相同類型的感應電機相比，本文設計的感應電動機具有更高的效率，同時損耗和鐵心溫度也得到降低.

關鍵詞：感應電機；Ansys EM；Ansys Motor Cad；優化設計

中圖分類號：TM351""" 文獻標志碼：A

Design of Cage Induction Motor Based on Ansys

DENG Tian-long， LIN Han*， WANG Zhong-gen

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract：Induction motor has the advantages of low cost of manufacturing materials， flexible control performance and superior cooling performance. However， the design of induction motor needs to face the problem of how to design induction motor with higher efficiency， greater power factor and better operating characteristics under the reduction of motor loss. To solve these problems， a cage induction motor with rated power of 20kW and rated speed of 3000r/min is designed. RMxprt module in Ansys EM is used in this design for rapid modeling and finite element analysis of induction motor. After optimizing Motor parameters， Ansys Motor Cad is used to simulate the coupling of electromagnetic field and temperature field of the designed induction motor. The simulation results show that compared with the same type of induction motor at home and abroad， the induction motor has higher efficiency， the loss and core temperature are also reduced.

Key words：induction motor; Ansys EM; Ansys Motor Cad; optimal design

0" 引言

感應電動機具有制造成本低和操作簡單等優點，在工業上應用較為廣泛.感應電動機的設計包含了眾多學科，如電機設計、機械工程、電磁場理論、計算機技術、智能算法、工程數學等學科相互結合的技術，并且與各門學科的發展息息相關，涉及電磁學、傳熱學、結構力學等交叉學科［1］.為了設計出高效率、高功率因數及高扭矩的異步電動機，國內外學者對感應電機特性進行了大量的研究.文獻［2-3］對感應電機的制作材料進行比較分析，通過改變轉子槽材質，設計了一臺有良好熱穩定性，并且在正常和故障條件下均有更好運行性能的感應電機.文獻［4-5］對感應電機的結構進行了研究，分析了在槽型和尺寸不同的情況下，感應電機轉子槽型和尺寸與空載損耗的關聯性，研究發現可以通過增加磁極極數，減小勵磁線圈匝數，轉子采用實心鋼結構來提高感應電機的運行性能.文獻［6-7］對感應電機的繞組進行了參數分析，研究了定子繞組渦流附加損耗的來源、計算方法及影響因素，通過建立電機模型，驗證了合理設計定子槽口深度可以有效減小定子繞組相帶諧波及轉子齒諧波在定子繞組中感應的渦流產生的附加損耗.文獻［8-9］采用多目標設計優化程序對感應電機結構進行了優化，應用改進的算法對感應電機設計進行了嘗試，驗證了算法在設計電機中可以提高感應電機的功率因數、效率等重要指標.

上述文獻僅通過電磁場或溫度場對感應電機進行設計分析，并且只對電機單一目標進行優化，所設計的感應電機存在效率低或熱穩定性差等缺點.為了進一步提高感應電機的效率，同時減小感應電機損耗和鐵心溫度，本文以一臺20 kW籠型轉子感應電機［10］為研究對象，對其參數和材料進行優化設計.將優化后的電機參數導入Ansys有限元分析軟件中建立電機模型，對所設計的感應電機進行電磁場和溫度場分析，通過對仿真結果進行分析與對比，證明了感應電機設計的合理性和有效性.

1" 電機設計原理

1.1" 主要尺寸比

設計電機時需要確定多種尺寸，但其中起決定性作用的尺寸是電樞鐵芯的直徑和長度，在電機的電樞體積D2lef確定的情況下，電機主要尺寸比的大小同感應電機的運行穩定性和制造成本有密切關系.

ABδ=6.1P′αp′KNmKdpDil2lefn，（1）

式中，A為電機電負荷；BSymboldA@

為氣隙磁密；P′為電機計算功率；SymbolaA@

P′為計算極弧系數；KNm為氣隙磁場波形系數；Kdp為電樞繞組系數；Dil為電樞直徑；lef為電樞鐵芯計算長度；n為電機轉速.

根據公式（1）可知，電負荷A與氣隙磁密BSymboldA@

的乘積影響電機體積，乘積越大則體積越小.此外電機主要尺寸比λ是電機電樞計算長度lef與電機極距τ的比值，在中小型感應電機中，λ通常取0.4～1.3，λ越大，電機將越細長，端蓋、軸承和繞組支架等尺寸較小，在電流密度一定時，端部銅耗將減小.

1.2" 電機材料選取

電機鐵心損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成.交變的磁通會在導電材料中感應出電壓，從而在鐵心中產生渦流，渦流損耗的近似公式為［11］：

pFe，Ft=V·π2f2d2B2m6ρ，（2）

式中，V為疊片體積；d為鋼片厚度；f為頻率，Bm為磁通密度；ρ為材料電阻率.

根據公式（2）可知，渦流損耗與鐵磁材料厚度的平方成正比，與材料電阻率成反比.國產冷軋無取向硅鋼帶主要是W牌號硅鋼片，其表示方法為厚度值的100倍+W+鐵損值的100倍，因此本文通過查找相關資料，選擇鐵損值為2.3 W/kg、厚度為0.35 mm的35W230牌號的硅鋼片，將新材料導入電機模型從而達到優化目的.

1.3" 電機效率

感應電機的效率［12］可表示為：

η=1－∑PP+∑P×100%，（3）

式中，∑P是電機所有損耗的標幺值之和.

根據公式（3）可知，可以通過降低電機損耗從而提高電機的效率.效率是電機的主要性能之一，為了設計出高效節能的感應電機，世界各國感應電機設計主要采取選用優質材料以降低銅損和鐵損，因此本文選用的定轉子材料為同牌號硅鋼片中鐵損最小的材料，并對影響電機效率的電機定子參數進行靈敏度分析，通過改變定子槽寬、槽高等參數降低諧波引起的附加損耗來提高電機的效率.

1.4" 電機轉矩波動

感應電機轉矩波動［12］可按式（4）計算：

Tripple=Tmax－TminTavg×100%，（4）

式中，Tmax為電機轉矩最小值； Tmin為電機轉矩最大值；Tavg為電機轉矩平均值.

根據公式（4）可知，通過減小轉矩最大值或增大轉矩最小值可以抑制電機轉矩波動.感應電機轉矩波動是一個影響電機啟動的重要參數，對電機能夠正常啟動起著重要作用.

2" 電機多目標優化與仿真模型建立

多目標優化意味著在處理問題時不止一個決定變量、一個目標函數和一個約束條件.由于問題的解決方案是由多個目標函數來評估的，因此目標函數可能是相互沖突的.如果目標函數之間存在矛盾，則通過對每個目標函數進行折中，實現全局優化和輸出決定變量.

多目標優化問題可以利用數學表達式表述，如下式（5）、（6）、（7）所示即為多目標問題的數學表述方式.

優化目標：

F（X）=

［f1（X），f2（X），…，fm（X）→max or min］.（5）

約束條件為：

S.T."" ai≤xi≤bi"" i=0，1，…，n，

hj（X）=0"" j=0，1，…，p，

gk（X）≤ bk" k=0，1，…，l.（6）

設計變量為：

X=［x1，x2，…，xn］T.（7）

式中，m為目標函數的個數；X為每個目標函數所設計的自變量；n為設計變量的個數；ai和bi是第i設計變量xi的上下限；P為等式型約束函數hj（X）的個數；l是不等式約束函數gk（X）的個數；bk是不等式的約束上限.

在感應電機優化設計的過程中，一些參數變量的變化對電機優化的影響不是很大，通常情況下可以根據經驗進行選取或按客戶要求進行設計.本文通過對影響感應電機性能的定子參數變量進行靈敏度分析，得出感應電機定子的槽口寬度Bs0、槽上部寬度Bs1、槽下部寬度Bs2、槽口寬度Hs0、槽楔斜邊高Hs1和槽高Hs2對感應電機性能影響較大，為了減少優化過程需要處理的數據，選擇這幾個結構變量可以降低有限元的計算量，從而提高效率.電機優化參數變化范圍如表1所列.

為了獲得最優的電機設計參數，采用進化算法對電機實現多目標優化設計.進化算法［13］是一種模擬自然進化過程的隨機優化方法，模擬由個體組成群體的集體學習過程，從任意的初始群體出發，通過隨機選擇、變異和交叉過程，使群體進化到搜索空間中越來越好的區域，由于算法本身具有并行性，進化結果不局限于單值解，因此非常適合求解復雜的多目標問題.通過進化算法得到的電機優化參數如表2所列.

通過多目標優化算法得到電機的設計參數如表3所列，根據表3所建立的電機有限元模型如圖1所示.

由于使用RMxprt模塊導出的電機2D模型刨分的網格質量不高，為了提高氣隙、定子齒和定轉子槽等周圍的網格質量及計算結果的準確性，對電機模型重新進行刨分，結果如圖2所示.

3" 電機模型電磁計算結果

將所設計的電機模型參數導入Ansys進行有限元求解之后，得到電機模型的電磁特性如圖3所示.

從計算結果可以看出感應電機磁密以及磁力線分布，顏色越深表面磁感應強度越強，由于本文設計電機極對數為2，所以電機整體磁密分布在0.172 T～1.718 T范圍內，最大磁密分布在電機軛部，說明電機定子的槽型是合理的.由于空氣磁

導率相對于鐵心的磁導率基本可以忽略，所以電機模型中的磁力線幾乎不通過槽內氣隙，而是由轉子鐵心繞過定子齒組成一個回路，由此可以看出所設計感應電機軛部以及氣隙磁力線分布合理，電機模型的輸出特性如圖4所示.

從圖4（a）可以看出，電機額定點的效率可以達到94%左右，屬于高效率感應電機，這主要是因為優化電機設計參數，使得所設計的電機損耗有所降低而產生的效果.

從圖4（b）可以看出，感應電機轉子上的鐵耗在總損耗中占比不到10%，這符合感應電機鐵耗占比很小的規律.感應電機定子和轉子的銅損與電流二次方成正比［14］，因此銅損在感應電機啟動過程中下降較為明顯，而鐵損則在啟動過程中變化不大，達到了設計目的.

4" 電機模型溫度計算結果與分析

4.1" 感應電機溫度場計算

將所設計的電機模型參數及通過電機電磁模型所計算的損耗導入Ansys進行溫度場求解之后，便可以得到電機在常溫25℃時額定運行至穩定溫升時的徑向、軸向溫度分布圖，具體結果如圖5所示.

從圖5可以看出感應電機在穩態時外殼的溫度最低，而轉子的溫度最高，這是由于所設計的感應電機采用水冷電機的機殼類型，使得感應電機外殼的傳熱效果較好；而轉子處于一個封閉的區域，在感應電機運行時由于電磁感應的原因會在導條中產生電動勢和電流，從而會產生銅耗引起轉子的發熱.雖然定轉子之間存在氣隙，可以使轉子熱量通過氣隙傳到定子再通過外殼散熱，但由于內部氣隙比較薄，空氣的熱傳導率也比較低，這就導致了轉子出現局部高溫的現象.本文設計的感應電機定子繞組端溫度平均值為56.3℃，低于同類型電機，滿足感應電機的絕緣等級要求.

電機溫度的上升會對電機轉速等性能產生影響，因此對感應電機進行溫度場仿真分析可以避

免感應電機在運行中出現局部過熱的現象，對于

提高感應電機的穩定性、延長電機使用壽命和減輕冷卻系統壓力都有著重要意義.感應電機定子、轉子隨時間溫度變化的曲線如圖6所示.

從圖6中可以看出電機定轉子在穩定運行后溫度上升緩慢，并且穩定運行的瞬態溫度滿足絕緣要求.

4.2" 感應電機數據對比

通過與文獻［10］中同類型的感應電機數據作為參考指標來驗證所設計電機的可行性，兩臺電機的對比數據如表4所列.通過兩種電機的數據

對比發現，本文所設計的電機與對比電機的數據差值在合理的范圍之內，雖然電磁轉矩略微降低，但電機效率以及抑制轉矩波動方面有所提高，并且電機損耗、穩態溫度也有所降低，驗證了本文設計方案的合理性和有效性.

5" 結語

本文為了得到具有制造材料成本低廉、控制性能靈活和冷卻性能優越等優點的感應電機，基于Ansys有限元仿真軟件對一臺20 kW籠型轉子感應電機進行優化設計，將所設計的電機模型導入Ansys Motor Cad中進行電磁場和溫度場計算，通過分析與對比數據可知本文設計的電機與傳統電機相比效率提高0.5%，定子渦流損耗降低26.75 W，定子鐵心溫度降低73.9 ℃，這使得所設計感應電機在實際運行中運行更加高效、使用壽命更長、熱穩定性更好.該方案可為其他類型電機的優化設計提供參考.

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［責任編輯：李" 嵐］