多速电机电磁场分析

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

电机的电磁场计算分析较为复杂，但电磁场是影响电机电气性能的核心因素。变速电机由于具有可随负载性质的要求又有级地变化转速，从而达到功率的合理匹配和简化变速系统的特点，堪称机械系统节约能耗的理想动力。本文分析的三速电机采用双绕组形式，型号为YD 280-2/4/12 125/125/40kW。通过有限元仿真的方式对电机三种工作状态下的电磁场进行分析，可以较为直观地得到不同状态下电磁场分布。

1 基于RMxprt的模型建立

通过Ansys Maxwell中的RMxprt模块根据电磁方案建立样机模型，该方案采用的是12极采用单绕组放置在槽口，2极、4极采用单绕组双速在槽底。其绕组连接图如图1所示。

图1 三速电动机YD 280-2/4/12绕组连接型式图

RMxprt是基于磁路法的旋转电机专业软件，能加快电机的设计和优化过程，RMxprt是Ansoft电机及其驱动系统综合设计流程的理想起点，用户能快速对成百上千种设计方案进行评估，并可以对预选方案进行优化设计。可以根据其生成的物理模型将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型。

2 Ansys Maxwell 2D仿真分析

麦克斯韦方程组是电磁场理论的基础，也是工程电磁场的数值分析出发点。麦克斯韦方程组是由四个定律组成，分别为：安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律(亦称磁通连续定律)。通过麦克斯韦方程组微分形式可以导出能用有限元处理的电磁问题的微分方程，分别对应

(1)

(2)

(3)

▽×B=0

(4)

上面方程中包含两个旋度方程式和两个散度方程式。

场量E、D、B、H之间的关系由媒质的特性决定。对于线性媒质，其关系为

D=εE

(5)

B=μH

(6)

J=σE

(7)

式中，ε—介质的介电常数，F/m；μ—介质的磁导率，H/m；σ—介质的电导率，s/m；对于各向同性介质，ε、μ、σ是标量；对于各向异性介质，它们是张量。

Maxwell的仿真分析实际就是根据麦克斯韦方程组进行电磁场计算的过程。样机通过Maxwell 2D生成二维电机模型，结构如图2所示。

图2 样机的二维模型

在设置完电机的激励和边界条件后，对样机进行计算，计算完毕后，可查看样机在运行状态下任意一时刻的磁力线分布图和磁感应强度分布图。三种不同工作状态下的样机模型在0.2s时的磁力线分布如图3所示。

图3 YD 280-2/4/12的磁力线分布

从图3中可以看出，其不同极数运行下的磁力线分布都比较合理，12p漏磁较多，但其性能在合理范围内。三种不同工作状态下的样机模型在0.2s时的磁感应强度分布如图4所示。

图4 YD 280-2/4/12的磁感应强度分布

电机的气隙中磁场的分布直接影响着电机的电磁性能，气隙磁密的大小是衡量电机电磁场分布是否合理的重要因素，所以本文对样机进行气隙磁密求解，对样机的气隙磁密进行傅里叶分解如图5所示。

图5 YD 280-2/4/12的气隙磁密傅立叶分解

从图5中可看出电机YD 280-2/4/12 125/125/40kW气隙中磁场的分布良好，在不同工作状态下都具有较为良好的电磁性能。

本文的模型为瞬态计算模型，对应的计算为转子在额定转速下，所模拟的是额定速度下三相绕组电流、输入电压、转子上的电磁转矩、磁链、感应电压和位置。这些曲线都直观地反映了电机的运行状态，从一开始的不稳定状态，逐渐运行到稳定状态。电机的瞬态三相电流曲线如图6所示。

图6 YD 280-2/4/12瞬态三相电流曲线

从图6中可看出电机三相电流成正弦对称分布，可以保证电机在三种工作转态下稳定运行。

3 结语

本文选取了一个双绕组三速电机，采用有限元仿真的方法对其的进行了电磁场分析，从额定运行状态下电机的各部分磁密分布、气隙磁密大小均较为合理，同时从三相电流可以看出，证明样机能够在三种速度状态下，安全可靠的运行，满足相关要求。