单相电容运转电机负序磁场对Ansoft计算准确性的影响

朱兴旺，黄开胜，刘 丰,吴帮超，方 超

(广东工业大学, 广州 510006)

0 引 言

单相电容运转电动机拥有结构简单和价格低廉等一系列优点，因而被广泛运用于轻工制造业和家用电器等方面[1]。然而单相异步电动机并不是没有劣势，电机的效率不高就是一个较难改善的问题。解决问题往往需要对电机的参数作出修正，通过Ansoft软件的仿真来初步判断设计方案是否合理。这样就可以大大缩减电机优化和设计的周期[2]。但是软件的仿真结果并不代表电机的真实性能参数，还要制造样机通过试验来验证设计方案的准确性。但是设计经验发现，有时使用Ansoft软件设计仿真后电机的性能参数计算值非常好，但是制造样机试验对比却发现电机性能并没有仿真的效果好。通过理论分析，调节旋转磁场中的负序磁场分量可以改善电机的性能。而对比实验发现降低负序磁场分量比能有效减少Ansoft软件产生的计算偏差。

1 旋转磁场负序分量对电机的影响

图1 单相异步电动机定子电流向量图

取电动机气隙圆周空间坐标直线X=0与副绕组的相轴重合，则可以写出副绕组和主绕组的基波磁势表达式。

主绕组磁势表达式:

fm=Fmcos (x-90°)cos (ωt-φ)=

(1)

副绕组磁势表达式:

(2)

电动机内的合成磁动势：

f=fa+fm

(3)

可见，主副绕组磁动势大小相等时，这时相位角正好是90°,即：

Fm=Fa=F,φ=90°

(4)

因此，此时的合成磁势：

f=fa+fm=Fcos (x-ωt)

( (5)

这时候电动机的存在一个正向旋转的圆形旋转磁动势。同理，当2个绕组产生的磁动势大小不等，但相位角仍是90°，即：

Fm≠Fa,φ=90°

(6)

此时的合成磁势：

对亚硝酸盐含量进行测定时，一定要结合实际。选择10g经过搅碎之后的样品，在该样品当中加入70mL的水、12mL的氢氧化钠溶液，将这些物质全部都搅拌均匀。为了保证最终的实验效果，应直接将氢氧化钠溶液融入其中，并且将该溶液的pH值调整为8，同时还要将其定量转移至200mL的容量瓶当中，并加入10mL的硫酸锌溶液搅拌均匀。在对该溶液瓶中的状态进行观察时，如果其中并没有产生任何白色的沉淀物质，那么可以加入2～5mL的氢氧化钠，将这些溶液全部搅拌均匀。在搅拌均匀之后，直接将其放置在60℃的水浴当中，并且对其进行加热，加热时间控制在10min左右。加热完成之后，立即将其取出，将温度下降至室温。

此时，电机内部存在着2个圆形旋转磁动势，一个沿着x轴正方向旋转的圆形旋转磁动势，幅值：

(8)

一个沿着x轴负方向旋转的圆形旋转磁动势，幅值：

(9)

这2个幅值不同的圆形旋转磁动势合成磁动势的轨迹为一个椭圆。同理可得，在其余2种情况：Fm=Fa=F,φ≠90°，Fm≠Fa,φ≠90°，电动机内部的旋转磁动势均为椭圆形旋转磁动势。

由于实际生产制造单相电容运转电动机时，尽管保证主副绕组的空间角度为90°比较容易实现，但主副绕组的电流相位角实际上却很难控制在90°。因此，单相电容运转电动机内部的旋转磁动势实际上大多为椭圆形旋转磁动势[3]。

对于正常运转的电机，电机的正序旋转磁场是驱动电机旋转的。这时电机需要从电网中吸取电功率并且将一部分转换成电机的机械运动。这时电机的负序旋转磁场也会吸取电网中电功率。但是这些能量转化成了电机转子的热损耗。不但消耗了能量又增加了电机的温升。较大的负序磁场会引起电机较大的损耗和温升，也将导致电机电磁转矩的下降和效率的降低。电机的机械性能也将变软[4]。

故负序磁场的存在会使电机的性能变坏，故在设计单相电容运转电动机时，通过选择适当电容器与调整主副绕组匝数，尽可能地削弱负序磁场[5]，能令电机内的旋转磁动势尽量接近圆形旋转磁场，从而使电机性能得到改善，效率达到提升。

2 负序分量比的取值范围

(10)

假设反转磁势比例系数kFma为反转磁势幅值与正转磁势幅值的比，即：

(11)

φ为90°且WmkdpmIm=WakdpaIa,kFma=0反转磁势幅值等于0，电动机中没有反转磁势，只有正转磁势，气隙磁场为圆形旋转磁场。φ为0°或180°且kFma=1,反转磁势幅值等于正转磁势幅值，电动机中没有起动转矩。

在一般情况下，在kFma在0～1之间，电动机中既有正转磁势，也有反转磁势，气隙磁场为椭圆形旋转磁场。比例系数越接近0越好。

为快速地计算仿真电机的正反转磁势，利用Excel表设计了Ansoft软件的后处理程序，如表1所示。利用Excel表格计算了一款电机效率为86.45%的电容运行的单相电机的负序分量。从表1可以看出,这个高效率的单相电机的负序分量比只有0.04。

表1 单相电容运行电机负序磁场分析

3 负序分量比对电机计算值和试验值的影响

减小电机的负序磁场分量比可以改善电机的运转性能。电机的内部产生的旋转磁场会更接近圆形下一步将详细的分析不同功率的电机计算值和试验值偏差的规律和负序分量的优化范围。

为进一步明确电机计算值和实验值的影响因素和改善方法，对某电机公司一个系列的电机产品进行了Ansoft有限元的建模，计算电机的仿真参数。使用Excel表程序计算了各个电机的负序分量比，如表2所示。并对这一系列的电机进行了样机参数试验，分析各性能参数的偏差程度。电机的具体的性能参数的对比如表3所示。

表2 电机负序分量比

表3 电机参数计算值和实验值的对比

从表2能够看出，同属一个系列的不同功率的电机，其旋转磁动势负序分量比不尽相同。其中YLM100和YLM1500的值比较低在0.3以下，而YLM1800的值相对较大达到了0.628。

表3详细地显示了各个电机的电流、效率、功率因数的计算值和试验值。结合各个电机的旋转磁动势的负序分量比，可以看到YLM1000和YLM1500的负序分量比最小，分别为0.283和0.269。两者电机性能各参数的数值偏差不大，电流和功率因数的偏差在5%左右。YLM1100的效率偏差只有0.09%，几乎和试验值一样。YLM1500的效率偏差也仅为0.99%。YLM1800的负序分量最大，达到了0.628。观察其计算值和试验值的偏差，发现该款电机计算值和试验值偏差很大，电流偏差高达21.45%，功率因数偏差为6.96%，效率的偏差也远远超过了前2款电机达到了11.6%。YLM750和YLM2000电机的负序磁场比分别为0.418和0.374。观察两款电机参数计算值和实验值偏差，电流偏差在10%左右，功率因数的偏差在5%左右。而两款电机效率的偏差分别为5.97%和3.56%，偏差都在6%以内。对比整个系列的电机性能计算值和实验值的偏差，发现随着负序分量比的增大电机的计算值和实验值的偏差也会增大。

4 结 语

电机设计中使用有限元软件Ansoft分析单相电容运转异步电机时，存在设计性能参数的计算值与样机试验值相差较大的现象。本文从理论上详细分析了单相电容运转异步电机旋转磁场的负序磁场分量以及其对电机的影响。提出负序磁场比影响电机计算值和实验值偏差的观点，然后对某公司一个系列的电容运行的单相异步电机进行了Ansoft软件的仿真计算和样机的试验测量。使用Excel表的处理程序计算了各电机的负序磁场比，分析电机性能参数计算值和试验值的偏差数据。发现随着负序分量比的增大，电机的计算值和试验值的偏差也会增大。将电机的负序分量比控制在减小的范围内，其仿真参数就会接近样机实验结果。实验表明，将负序磁场分量比限制在0.3以内时，电机的仿真计算结果较为准确。

[1] 许实章．电机学[M]．北京：机械工业出版社，1990．

[2] 胡岩，武建文．小型电动机现代实用设计技术[M]．北京：国防工业出版社，2007．

[3] 张尊睦.石材翻新机用单相感应电机分析与设计[D].广州：广东工业大学，2012:28-30.

[4] 彭磊.制冷压缩机用单相感应电机的设计[D].长沙：湖南大学，2013:09-11.

[5] ZHONG Hui,WANG Xiuhe,WANG Daohan,et al.Analysis and design of a new type high-efficiency single-phase induction motor based on negative sequence magnetic field compensation[J].IEEE Electrical Machines and Systems,2008:3962-3963.