浅谈电磁仿真技术在机械设计中的应用

于子钦

摘 要：为了使工业设备性能达到国际化水平，促进机电一体化技术的发展。在机械设计中，需要通过电磁仿真对其电磁性能进行评估。本文利用Ansoft Maxwell以对三相鼠笼式感应电动机的电磁仿真分析为例，对电磁仿真技术在机械设计中的应用进行探讨。

关键词：电磁仿真；机械设计；感应电动机；应用

中图分类号：TM301.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0046-02

1 引言

为实现工业制造的强国梦想，我国提出了“中国制造2025”的发展规划，大力推进信息化技术与工业现代化相关技术的进一步融合，同时积极加强电子、控制相关技术与机械制造技术的结合。随着我国工业技术发展迅猛，产品日新月异，产品性能成为工业产品在国际市场进行有利竞争的重要关键。绝大多数的电工设备和电气设备的工作性能大都由其电磁性能和其他机械性能决定，如电机、变电设备、高速列车、核磁共振成像系统等。总而言之，集机械制造技术与电子、自动化控制技术与一体的机电一体化技术在工业发展及机械制造中的应用范围越来越广。同时，电磁场仿真技术在工业设备及设计机械制造中的应用成为必然。

2 电磁仿真技术的发展现状

众所周知，数值分析方法是电磁场仿真技术的基础及关键。目前经常使用的电磁场数值分析方法有：频域有限元法（FEM），矩量法（MoM），时域有限差分法（FDTD），物理光学法（PO）、时域传输线法（TLM）等。尤其是大量基于数值计算方法的电磁场商业软件的出现，更使得基于数值分析模型的电磁兼容建模方法得到了快速的发展，以美国 ANSYS公司，德国CST公司等开发的电磁场仿真分析软件最为著名。其中，Ansoft Maxwell就是一款用计算机数值模拟替代模型试验的仿真软件，它主要用来分析二维和三维的电磁部件，例如电动机、变电设备、激励源及其他电气和机电设备[1]。该软件已经成为工程设计人员以及研究工作者在工业产品的设计过程中不可缺少的工具。

Ansoft Maxwell是基于有限元的分析方法对空间的场量进行计算的，其三维场的分析计算能力十分强大，可以恰当的解决绝大多数实际生产中的电力设备的模型仿真问题。该软件存储的数据库内容十分丰富，不仅可以找到各种各样的在实际问题中用到的工程材料，甚至包含了常见的电动机等电气化设备的模型。

3 三相鼠笼式感应电动机工作原理

交流异步感应电动机以其质量轻、性能稳、功率大、故障率低优点，在大型系统中使用广泛[2]。其中，最常见的为三相鼠笼式感应电动机。对于该感应电动机而言，其A、B、C三相定子绕组与三相正弦交流电源相连接，三相间两两相差120°。转子绕组由多根平行的铜条或铝条以端环的方式连接，构成笼型多相短路绕组。

当给定子绕组通交流电时，定子产生变化的磁场。转子运动切割由定子产生的交变磁场，进而在转子导体条上感应出电流。同时，转子导条内不断变化的感应电流又會形成一个新的磁场，该磁场与定子电流产生的磁场相互发生作用，驱动转子运行[3-4]。

在电动机启动瞬间，转子切割磁场，在转子导体条上产生大幅度转子堵转电流，最大可达到满载电流的3～6倍。 此时，电机供电电压骤降，可能会影响与其处于同一供电区域的其他设备的运行。同时，过高的电流也会使电机周围的电磁场产生巨变，尤其是低频磁场可能会影响其周围设备的正常工作，同时影响电机附近工作人员的健康。因此，在感应电机设计的过程中需要分析电机周围的磁场分布情况，进而辅助感应电机的开发、设计。

4 电动机电磁仿真分析

三相鼠笼式感应电动机的时变磁场计算过程非常复杂，对电流的趋肤效应以及齿轮中的磁饱和现象都需要做近似处理。Ansoft Mxawell基于有限元的数值计算方法计算感应电动机内部及其周围的非线性正弦磁场[5]。根据对实际问题分析及感应电机的工作原理，在Ansoft Mxawell中搭建三相鼠笼式异步感应电动机的三维仿真分析模型，如图1所示。

在定子绕组中分别注入频率50Hz，峰值为100A、200A、300A的堵转电流。电机剖面周围磁场情况如图2所示，其中，（a）为定子绕组中分别注入电流峰值为100A时，电机剖面周围磁场分布情况。此时，磁场最大值为2.32T。（b）为定子绕组中分别注入电流峰值为200A时，电机剖面周围磁场分布情况。此时，磁场最大值为2.44T。（c）为定子绕组中分别注入电流峰值为200A时，电机剖面周围磁场分布情况。 此时，磁场最大值为2.65T。基于以上分析可以发现，感应电机磁场的最大值随着电机的定子注入电流幅值的增大而增大。然而无论定子绕组中分别注入电流多大，由于电机定子和转子铁芯对磁场的汇聚作用导致电极周围空间里主要的磁场分布在转子与定子之间。

进一步分析电机周围磁场分布随距离的变化的趋势，如图3所示。若电机中心位于1m处，可以看出，在0.85m和1.15m处，即电机中心两侧定子绕组所在的位置，由于定子绕组为激励电流源的注入处，所以其附近存在较大的感应磁场。而随着离电机中心距离的增大，磁场强度迅速减小，在距离中心0.2m外磁场几乎衰减为0。因此，在电动机设计过程中要特别注意对堵转电流的控制，以降低电机的磁场辐射。

综上，在感应电机的正常工作或者启动瞬间，其周围产生的磁感应强度在电机外的空间区域衰减完全，可忽略不计。

5 结语

本文探讨了机械设计过程中电磁仿真的必要性，进一步利用Ansoft Maxwell对不同电流激励下鼠笼式感应电动机对周围磁场特性进行了分析，不仅能够对感应电动机的电磁性能产生感性认识，同时证明了对堵转电流的控制在电动机设计过程中的必要性。可见，电磁仿真技术可以对机械设计起到有效的辅助作用。

参考文献

[1]刘慧娟.上官明珠.Ansoft Maxwell 13电机电磁场实例分析[M].国防工业出版社，2014.

[2]霍宏艳.高速动车组电磁骚扰源建模仿真分析[D].北京交通大学，2010.

[3]汤蕴璆.电机学（第5版）（普通高等教育十一五国家级规划教材）[M].机械工业出版社，2014.

[4]（美）佩特泽兰（Petruzella，F.D.）.电动机应用技术[M].科学出版社，2010.

[5]谢德馨.工程电磁场数值分析与综合[M].机械工业出版社，2009.endprint