高速异步电机电磁分析及冲片强度计算

冯 龙

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)



高速异步电机电磁分析及冲片强度计算

冯 龙

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

本文基于变频供电与工频供电下的高速异步电动机电磁参数的变化规律，推导出高速异步电机的电磁结构，并利用有限元软件进行仿真分析，校验其结构的合理性，进而求得高性能的电磁结构设计方案。

高速异步电动机；电磁结构；转子冲片；强度计算

1 高速异步电机电磁分析

电机的额定参数：额定电压为6 000 V，额定功率为4 500 kW，额定转速为4 000 r/min。电机由变频器供电，根据上述额定参数进行电磁分析计算，如下。

为简化计算，做如下假设：第一，略去集肤效应。第二，磁路是线性的。第三，略去同步附加转矩。如若电源频率发生一定的变化，那么相应的等值电路中的相关参数也会随之发生一定的变化。以下笔者即针对等值电路中相关参数的变化规律进行分析。

1.1 励磁电抗Xm和励磁电阻Rm

将等值电路中的励磁支路电抗用Xm表示，互感系数用M表示。当磁路不饱和时，M为常数，也就使得Xm只和电源频率f1之间呈现出正比关系，即

(1)

励磁电流IFe=PFe/mE1，励磁电阻

(2)

一定频率f1下的电机铁耗为：

(3)

CFe=PFeN/(E1N/f1N)2―铁耗常数。额定频率f1N时的量值均用下标1N的数值予以表示。将公式(3)代入公式(2)得到：

(4)

1.2 定子每相漏电抗X1和有效电阻R1

等值电路中的定子每相漏电抗与有效电阻表示为：

(5)

R1=R1N

(6)

(7)

(8)

1.4 转矩T公式

笔者在忽略了Rm的前提下，推导出更为简便的计算式，也是为了将U1、f1、f2三者之间的函数关系更好的反映出来。

(9)

以上公式分析了变频供电与工频供电下的电磁基本参数变化规律，根据以上变化规律，结合详细电磁设计、优化，可以确定出线规、匝数、定转子三圆及槽型等具体结构尺寸。电磁结构确定后，采用有限元软件对其进行仿真分析，以再次校验其结构的合理性。

图1 电磁场分析Fig.1 Electromagnetic field analysis

通过电磁场分析(图1)，对磁密的分布合理性进行了校验，确定了各电磁部件的结构尺寸。

2 转子冲片强度计算

电磁结构确定后，由于此电机的转速较高，还需对转子部分(对于电磁结构来说，主要需校验的部分为转子冲片)进行强度校核。

根据交流电机设计手册公式进行冲片强度计算(详见参考文献1)，计算结果：计算应力已经超过许用值。而近年来的材料较手册发表时有了很大发展，所以手册公式相比于现有材料来说偏于保守。因此需采用其他方法对转子冲片强度进行校验。转子冲片材料属性如表1所示。

表1 冲片的材料属性Tab.1 Material properties of the punch

运用有限元分析：由于转子冲片图形比较复杂，普通计算公式不能考虑转子槽、通风孔等处所受应力，故采用有限元软件进行应力分析。建立有限元模型，考虑超速试验4 800r/min(即502.4rad/s)工况进行计算，边界条件按旋转时冲片内圆与轴没有相互作用力考虑。对冲片模型赋予材料属性，将冲片进行网格划分，共生成386 174个节点。将冲片模型进行计算分析，计算结果如图2、图3所示。

图2 冲片通风孔处应力分布Fig.2 Stress distribution at punch ventilation holes

图3 冲片槽根处应力分布Fig.3 Stress distribution at the root of the punching plate

分析结果：转子冲片最大应力发生在轴向通风孔(超过材料屈服强度值)和齿根处，高应力区域面积较小，其余部分应力值较低。

通过计算分析得知，转子冲片局部应力集中(主要在轴向通风孔处)，而应力集中可能发生的情况为局部屈服或被附近区域分担应力。对于实际工程应用，则主要担心应力集中处是否会发生裂纹，故冲片的材质选择上还要考虑一定的韧性(如面缩率、延伸率、冲击吸收功等)。

由于此转子转速较高，且分析结果局部应力集中，故对转子冲片结构进行试验验证，通过4 800r/min转速(2min)后，转子冲片应力集中处进行无损检测，检测结果：无裂纹产生。

通过电磁计算、强度分析及试验验证，高速异步电机最终的电磁结构予以确定。

3 结语

本文笔者通过对高速异步电动机电磁结构参数的确定，利用有限元软件进行仿真分析，所得出最终的电磁结构，正是理论设计与仿真取得的理想结果。也希望通过笔者的阐述，能够为广大同行在今后高速异步电机电磁结构的研发上提供有益的理论依据，能够更加熟练的掌握电磁结构设计这一关键技术，不断提高我国高速异步电机的设计水平，使我国高速异步电机得到更好的发展。

[1] 湘潭电机厂.交流电机设计手册·计算冲片[M].长沙：湖南人民出版社，1978.

[2] 汤蕴璆,史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社,2001.

[3] 邓先明.无刷双馈电机的电磁分析与设计应用[M].北京：机械工业出版社,2008.

[4] 王爱龙，熊光煜.新型异步电机设计模型的研究[J].微特电机，2007，(08)：45-47.

Electromagnetic analysis and strength calculation of high speed asynchronous motor

FENG Long

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Based on the variation law of electromagnetic parameters of high speed asynchronous motor under variable frequency power supply, the electromagnetic structure of high speed asynchronous motor is deduced, and the finite element software is used to simulate and analyze the rationality of its structure, so as to obtain high performance electromagnetic structure design.

High speed asynchronous motor; Electromagnetic structure; Rotor punching; Strength calculation

2017-01-19

冯龙(1969-)，男，中级工程师，本科。

TM922

B

1674-8646(2017)08-0110-02