异步电机瞬态起动性能仿真研究

蒋成勇，程文杰，肖 玲，葛研军

(1.大连交通大学，大连 116028；2.西安科技大学，西安 710054)

异步电机瞬态起动性能仿真研究

蒋成勇1，程文杰2，肖 玲2，葛研军1

(1.大连交通大学，大连 116028；2.西安科技大学，西安 710054)

为了缩短异步电机的设计周期，全面考察电机的设计水平，基于Ansoft软件，给出了一种利用场路耦合法进行异步电机瞬态起动性能的计算方法。以11 kW，1 500 r/min三相异步电机为例，针对三种不同工况，即空载、渐变负载、瞬时大负载，分别利用该方法进行了计算，获得了样机在不同工况下的起动电流、电磁转矩、转子涡流损耗、升速曲线和气隙磁密等电气参数。结果表明，该方法简单实用，能快速校核异步电机不同工况下的瞬态起动性能以及稳态工作点，以及相应的电磁场分布。

异步电机；起动性能；仿真方法；电磁场；场路耦合

0 引 言

电机已广泛应用于工业自动化、家用电器等国民经济的各个领域。运用可靠、准确和实用的仿真计算方法，可以节省大量的时间和成本使电机达到低噪、高性能的工作状态[1]。Ansoft Maxwell是当前世界上著名的低频电磁场有限元分析软件之一，在多个工程电磁场领域都有广泛的应用[2]，在建立电机2D有限元模型时可以直接用Ansoft RMxprt中的模型一键生成，生成的模型中边界条件、材料属性和激励都已经自动添加，方便计算。文献[3]介绍了由Ansoft RMxprt导入Maxwell 2D/3D的操作步骤，对计算过程和结果并没有详细说明。文献[4]对三相异步电机的额定工况下的稳态性能做了仿真，但是忽略了转子的机械特性，如转动惯量，负载力矩等。事实上，电机的瞬态起动特性非常重要，它不仅可以获得瞬态起动时电气参数随时间变化情况，还可以预测稳态性能。在瞬态起动求解时，需要给电机设置外电路。文献[5]针对永磁开关磁阻电机的瞬态起动特性进行了仿真计算。文献[6]采用Ansoft/Maxwell 2D和Ansoft/Simplorer联合仿真技术来对异步电机的起动过程进行分析。这种技术虽然可行，但是涉及到两个软件的联合操作比较麻烦。如果能直接在Ansoft/Maxwell 2D内解决问题，不仅操作方便，而且节约时间。

实际工程中异步电机的负载工况是多种多样的，如何简便、准确地估算其在不同负载工况下能否起动，以及起动后的电气性能是非常重要的。另外，由于起动时转子涡流非常大，涡流反磁场对气隙磁场分布产生哪些影响，涡流密度幅值有多大，产生的损耗有多少，亦是值得了解的。针对以上问题，本文将基于Ansoft软件，提出一种场路耦合的有限元仿真方法，求解电机起动时的特性和电磁场，为同类型的电机起动校核提供参考。

1 场路耦合的异步电机有限元模型

1.1 异步电机的参数

样机的额定功率为11 kW，额定电压为380 V，三相，四极，电源频率为50 Hz，因此电机额定转速为1 500 r/min。定子绕组布线采用单层结构，并联支路数为1，每槽导体数为19。电机的额定电流约为21 A，额定扭矩约为70 N·m。该电机的结构尺寸如表1所示。

表1 异步电机的结构尺寸

1.2 异步电机的有限元模型

电机的二维有限元模型可以由RMxprt中的模型一键生成，采用三角形自适应网格，为了更准确地模拟转子导条中的涡流，需将导条中的网格划分更细密一些，另外还必须给导条设置涡流效应。因为其为四极电机，所以选择两级，即1/2对称模型进行分析，如图1所示。

图1 样机横截面的1/2有限元模型

有限元模型中定子铁心、转子铁心材料均为硅钢片；定子绕组材料为铜；转子导条材料为铝，且转子导条为鼠笼式结构；转子轴为非导磁钢。

在模型的两径向侧面设置周期性边界条件，在定子外径处设置零矢量磁位边界条件。

1.3 有限元模型与外电路的连接

可以通过外电路给电机供三相交流正弦电压，模拟电机实际的起动过程。外电路可用Ansoft软件自带的circuit editor搭建。样机的外电路如图2所示，其中每相正弦电压波幅值为310 V(对应220 V的有效值)，另外还需要计入每相绕组的端部漏电感以及每相绕组的电阻。外电路中的电机绕组部分连接着二维有限元模型，实现了电磁场-电路的耦合。

图2 外电路

1.4 负载工况的设置

考虑三种不同的工况，即空载、渐变负载、瞬时大负载。在进行瞬态起动仿真时，转子转速应设为零，并且可以设置转子的转动惯量以及摩擦阻尼以真实地贴近实际情况。空载时，负载设置为零即可；瞬时大负载时，负载设置为负的常数，相当于与电机扭矩相反的恒定扭矩；渐变负载与时间有关，可以设置成时间的函数。在Ansoft的瞬态电磁场计算中，系统默认的时间变量记号为time(在离散系统里面，表示时间步长)，因此所有时变负载都可以设置成time的函数。以图3所示的渐变负载为例，负载曲线可以设置成:

图3 渐变负载曲线

式(1)中，TN为时间无穷大时的稳定负载，可选为额定负载；k为系数，用来控制到达稳定负载的速率。这种形式的负载可以描述载荷随转速上升而增大的情况，比如叶轮机械。

2 仿真结果及分析

2.1 空载

设定电机负载转矩为零，转子转动惯量为0.134 kg·m2，接通外电压后，电机的起动性能曲线如图4所示。

(a) 电磁转矩-时间曲线

(b) 转速和转子涡流损耗-时间曲线

图4 空载时起动性能曲线

图4(a)为转子电磁转矩随时间变化的曲线，可以看到当转子从静止开始加速时，电磁转矩即非常大，接近和超过了额定转矩70 N·m，在0.23 s时达到峰值约100 N·m，这是由于需要克服转子惯性转矩。在这一阶段，转差率很大，转子的涡流损耗也很大，起动时达到8 kW，随转速的上升逐渐减小，如图4(b)所示。为了产生足够强的电磁转矩，定子绕组的电流也变得很大，起动时相电流有效值达到71 A。随着转速的继续上升，电磁转矩、定子电流和转子涡流都迅速减小，空载时定子相电流有效值为4.7 A，转子涡流损耗约为2 W。

2.2 渐变负载

设定如式(1)所示的负载转矩，其中Tn设定为65 N·m，同时考虑转子转动惯量，接通外电压后，电机的起动性能曲线如图5所示。

(a) 电磁转矩-时间曲线

(b) 转速和转子涡流损耗-时间曲线

图5 渐变负载时起动性能曲线

图5中,电机刚启动时的情形与空载类似，即电磁转矩、定子电流、转子涡流损耗非常大;到0.5 s时，转速已经接近额定速度，电磁转矩、定子电流和涡流损耗都急剧下降。随后电磁转矩慢慢上升，并且一直与负载转矩平衡，定子电流也随时间慢慢上升，到4 s时，电磁转矩接近65 N·m，定子相电流有效值为17.7 A。与空载不同的是，渐变负载时转子转速随时间有微小的减小，而转子涡流损耗随时间略有上升，如图5(b)所示。这个现象很容易解释，即负载增大时，转差率减小，定子磁场相对于转子的切割速度增大，转子涡流损耗上升。

图4(d)和图5(d)都显示出线电压Vac随时间增加具有相似的变化，即起动初始阶段，线电压比较小峰值约为400 V，在0.3 s后峰值保持在500 V左右。这是因为选取的线电压是图2中电机绕组两端的电压之差，未计入绕组端部漏电感和绕组电阻引起的电压差，故比电源供电电压537 V略小。这说明了在起动初始期，过大的定子电流在定子绕组端部和绕组电阻上产生了不小的电压差。

2.3 瞬时大负载

设定转子负载力矩为50 N·m，同时考虑转子转动惯量，接通外电压后，电机的起动性能曲线如图6所示。

(a) 电磁转矩-时间曲线

(b) 转速和转子涡流损耗-时间曲线

(c) 定子三相电流-时间曲线

对比空载起动和渐变负载起动，瞬时大负载起动时，转子需要更长的时间才能达到稳定转速。在初始起动时，转子的转速为负值，如图6(b)所示，说明转子由负载驱动旋转，电机工作在发电机模式。电磁转矩随时间的增加而升高，如图6(a)所示。随后电磁转矩超过负载转矩，迫使转子转速反向，并上升至额定转速附近。

值得注意的是在这种起动方式下，当负载转矩过大时(如55 N·m)，即使未超过电机的额定转矩，电机会一直保持在负转速，即发电机运行状态，进入不了电动机状态。

2.4 气隙磁密的变化

为了考察转子涡流反磁场对气隙磁密的影响，比对了空载时不同时刻下，定子内径处径向气隙磁密Br分布(只取了两极)，如图7所示。

图7 空载径向气隙磁密随时间变化

从图4(b)看到，当t=0.25 s时，转子涡流损耗还比较大，其产生的反磁场对气隙磁密的影响非常显著，使得径向磁密完全丧失了两极磁场应有的正弦波的形状，磁密峰值达到1.5T，如图7所示。当t=0.3 s时，转子转速接近额定工作转速，转子涡流损耗衰弱明显，其反磁场对气隙磁密的影响仍然比较明显，但是明显小于0.25s时的情形。图7中，t=0.4 s和t=0.77 s时的气隙磁密分布很接近，说明转子涡流对气隙磁密的影响不再随时间改变，即气隙磁密操持稳定，峰值为0.75 T。对比可见，转子涡流反磁场增强了气隙磁密，有利于提高电磁转矩，但同时转子涡流反磁场带入了大量的高次空间谐波，使得转子损耗增加。

图8(a)显示了渐变负载情况下，t=4 s时的磁通密度分布云图，定子齿部的磁密幅值最大，达到1.6～1.8 T；图8(b)显示了t=4 s时的转子导条中的涡流密度矢量云图，可见转子导条中涡流密度有正有负，幅值的数量级为106A/mm2。

(a) 磁通密度

(b) 转子涡流和磁力线

3 结 语

本文基于Ansoft软件，给出了一种利用场路耦合法进行异步电机瞬态起动性能的分析方法，能够求解样机在不同工况下的起动电流、电磁转矩、转子涡流损耗、升速曲线和气隙磁密等电气参数，并以一台11 kW，1 500 r/min三相异步电机为例进行了验证。在初始起动时，即转差率较大情况下，受转子涡流反磁场的影响，气隙磁密峰值显著增强，为转速稳定时的一倍以上，对起动有利但是对散热无利。拖动负载转矩65 N·m时，转速稳定后，转子导条的涡流密度幅值数量级为106A/mm2。

[1] 秦新燕，肖鹏程.基于Ansoft的电机设计及瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报，2011，28(2)：89-92.

[2] 赵博,张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3] 王东，邹会权.基于Ansoft RMxprt的三相异步电机有限元分析[J].能源研究与管理，2010(4)：69-71.

[4] 谢世强，邬芝胜.基于Ansoft12的感应电机参数化及其瞬态仿真[J].防爆电机，2012，47(5)：27-34.

[5] 裴春兴，李洪珠，杨玉岗，等.基于Ansoft Maxwell 2D的PMSR电机的起动特性的瞬态仿真[J].电气技术，2007(8)：48-51.

[6] 孙立荣，樊馨月，张晓斌，等.基于Ansoft的异步电动机仿真方法研究[J].微特电机，2013，41(11)：38-41.

Study on Simulation of Transient Starting Ability of Asynchronous Motor

JIANGCheng-yong1，CHENGWen-jie2，XIAOLing2，GEYan-jun1

(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

In order to shorten the design period of the asynchronous machine and test the motor performance, based on the Ansoft software, this paper gives a simulation method of the transient starting of the asynchronous motor by using field-circuit coupling. Aiming at three types of working condition, that is no-load, gradual change load and transient heavy load, parameters of a prototype (11 kW，1 500 r/min, 3 phases asynchronous motor) such as starting current, electromagnetic torque, rotor eddy losse, rotor speed and air gap flux density and so on are obtained by this method. The calculation shows that the method is simple and practical and can fast check the transient starting performance, steady working point and electromagnetic field of the asynchronous motor.

asynchronous machine； starting performance； simulation method； electromagnetic field； field-circuit coupling

2016-06-01

国家自然科学基金项目(11502196)；中国博士后资助项目(2015M580865)；陕西省教育厅资助项目(15JK1483)

TM343

A

1004-7018(2016)12-0024-04

蒋成勇(1979-)，博士研究生，研究方向为电机控制系统。