多速電機電磁場分析

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0 引言

電機的電磁場計算分析較為復雜，但電磁場是影響電機電氣性能的核心因素。變速電機由于具有可隨負載性質的要求又有級地變化轉速，從而達到功率的合理匹配和簡化變速系統的特點，堪稱機械系統節約能耗的理想動力。本文分析的三速電機采用雙繞組形式，型號為YD 280-2/4/12 125/125/40kW。通過有限元仿真的方式對電機三種工作狀態下的電磁場進行分析，可以較為直觀地得到不同狀態下電磁場分布。

1 基于RMxprt的模型建立

通過Ansys Maxwell中的RMxprt模塊根據電磁方案建立樣機模型，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 三速電動機YD 280-2/4/12繞組連接型式圖

RMxprt是基于磁路法的旋轉電機專業軟件，能加快電機的設計和優化過程，RMxprt是Ansoft電機及其驅動系統綜合設計流程的理想起點，用戶能快速對成百上千種設計方案進行評估，并可以對預選方案進行優化設計。可以根據其生成的物理模型將其導入到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理論的基礎，也是工程電磁場的數值分析出發點。麥克斯韋方程組是由四個定律組成，分別為：安培環路定律、法拉第電磁感應定律、高斯電通定律和高斯磁通定律(亦稱磁通連續定律)。通過麥克斯韋方程組微分形式可以導出能用有限元處理的電磁問題的微分方程，分別對應

(1)

(2)

(3)

▽×B=0

(4)

上面方程中包含兩個旋度方程式和兩個散度方程式。

場量E、D、B、H之間的關系由媒質的特性決定。對于線性媒質，其關系為

D=εE

(5)

B=μH

(6)

J=σE

(7)

式中，ε—介質的介電常數，F/m；μ—介質的磁導率，H/m；σ—介質的電導率，s/m；對于各向同性介質，ε、μ、σ是標量；對于各向異性介質，它們是張量。

Maxwell的仿真分析實際就是根據麥克斯韋方程組進行電磁場計算的過程。樣機通過Maxwell 2D生成二維電機模型，結構如圖2所示。

圖2 樣機的二維模型

在設置完電機的激勵和邊界條件后，對樣機進行計算，計算完畢后，可查看樣機在運行狀態下任意一時刻的磁力線分布圖和磁感應強度分布圖。三種不同工作狀態下的樣機模型在0.2s時的磁力線分布如圖3所示。

圖3 YD 280-2/4/12的磁力線分布

從圖3中可以看出，其不同極數運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。三種不同工作狀態下的樣機模型在0.2s時的磁感應強度分布如圖4所示。

圖4 YD 280-2/4/12的磁感應強度分布

電機的氣隙中磁場的分布直接影響著電機的電磁性能，氣隙磁密的大小是衡量電機電磁場分布是否合理的重要因素，所以本文對樣機進行氣隙磁密求解，對樣機的氣隙磁密進行傅里葉分解如圖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YD 280-2/4/12 125/125/40kW氣隙中磁場的分布良好，在不同工作狀態下都具有較為良好的電磁性能。

本文的模型為瞬態計算模型，對應的計算為轉子在額定轉速下，所模擬的是額定速度下三相繞組電流、輸入電壓、轉子上的電磁轉矩、磁鏈、感應電壓和位置。這些曲線都直觀地反映了電機的運行狀態，從一開始的不穩定狀態，逐漸運行到穩定狀態。電機的瞬態三相電流曲線如圖6所示。

圖6 YD 280-2/4/12瞬態三相電流曲線

從圖6中可看出電機三相電流成正弦對稱分布，可以保證電機在三種工作轉態下穩定運行。

3 結語

本文選取了一個雙繞組三速電機，采用有限元仿真的方法對其的進行了電磁場分析，從額定運行狀態下電機的各部分磁密分布、氣隙磁密大小均較為合理，同時從三相電流可以看出，證明樣機能夠在三種速度狀態下，安全可靠的運行，滿足相關要求。