基于Ansoft的三相感應電機方案設計及優化

楊佳+陳啟飛

摘 要：針對傳統電機設計優化周期長、花費大等問題，初選設計方案后應用Ansoft軟件進行設計及分析優化，最終確定最優參數。

關鍵詞：電機；設計優化；功率；轉矩

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.145

1 引言

所謂電機優化設計室指在滿足國家標準、用戶要求以及特定約束條件下，使電機效率、體積、功率、重量等設計性能指標達到最優的一種技術[1]。以往電機設計均采用先計算電機參數、制造樣機再進行實驗驗證后改進的方法，不僅花費巨大，而且周期很長。應用ansoft軟件，采用先分析參數選最優方案，再制作樣機進行實驗驗證的方法。一套方案只需很短的時間就可以驗證完畢，各種設計思路可以馬上得到驗證。大大減小了零件的加工時間和費用。本文針對某電動汽車使用的三相感應電機的設計方案應用ansoft軟件進行分析，最終確定設計參數。

2 三相感應電機的設計結構及其參數

根據設計需求，電機為恒功率運行，初步設計三相感應電機的額定功率為11kW， 額定電壓380v，極數4極，氣隙大小0.5cm。通過計算和查表，確定電機主要參數：定子槽數36，外徑160mm，內徑170mm，長度155mm；轉子槽數26，外徑169mm，內徑60mm，長度155mm。

電機的初始設計模型：電機定子繞組連接到對稱的三相電源上。定子繞組由2對極組成，在空間成正弦分布，定子電流產生旋轉磁場。轉子繞組為鼠籠式結構，轉子導條中感應的電流又產生一個旋轉磁場。兩個磁場在電機氣隙中相互作用產生合成磁場。氣隙合成磁場與轉子導條電流相互作用產生電磁轉矩，使轉子按磁場旋轉的方向旋轉，同時有一個大小相同方向相反的轉矩反作用于定子上。

3 分析方案

根據設計方案和電機特點，利用磁路計算和有限元結合的方法，采用RMxprt軟件和maxwell2D分析軟件，研究所設計的電機的空載特性，啟動特性等，并對影響電機性能的設計參數進行優化，確定最佳設計方案。大體流程為：

4 RMxprt分析結果

根據初始設計的電機結構，采用RMxprt軟件進行磁路計算，對三相感應電機的特性進行了分析，得到電機效率，輸出功率，輸入電流，輸出轉矩等性能曲線和數據。列出電機的主要性能指標：

從以上對比數據可以看出，電機主要性能參數的計算值與仿真值的偏差很小。設計的電機達到使用要求，對電機的各個設計參數優化分析，下面將電機的頻率f和電壓U作為參數進行掃描優化，得到對應的效率和轉矩曲線如下圖2圖3所示：

上述優化結果圖中可以看出，當頻率或電壓逐漸增加時，都能達到輸出的額定轉矩，但相應會使初始電流增加，電機的損耗增加，效率下降，成本增加。因此，選用V=380v，F=50Hz，滿足性能要求，損耗最小。還可以對電機的其它設計參數和結構參數進行多組合優化，通過分析得到性能曲線，確定最優組合，本文不再一一贅述。

5 分析結果

（1）電流和轉矩。通過分析得到三相電流和轉矩曲線如圖4、圖5所示，當電機處于穩定運行狀態時，在轉速為n=1460rpm時，輸出為額定狀態，轉矩趨于穩定。三相電流也趨于正弦分布，完全滿足設計要求。

（2）漏磁通的計算。通過計算電機的漏磁通，改變設計，優化性能，使電機的效率達到最大。

（3）磁密分布和磁飽和度。由電機定轉子的磁密分布云圖，得出電機定子中出現磁密最大值Bmax為1.84281。而電機中選用的定子材料為D23_50_2DSF0.920，該種材料的飽和磁密B=2.45734， B>Bmax， 所以材料中磁密未達到飽和，滿足要求。

6 結論

綜上，完成了三相感應電機的設計及各種方案優化，最終由性能參數確定了電機的設計參數。應用該軟件進行設計，大大縮短了開發周期及成本。

參考文獻：

[1]包廣清，江建中.現代電機優化設計縱橫談[J].中小型電機.2004，31（04）：1-6.

作者簡介：楊佳（1981-），女，碩士研究生，工程師，研究方向：機械設計及理論。