2006年用户年会论文交流鼠笼式异步电机谐波电磁场及温度场分析与研究刘志军[株洲电力机车厂城轨部][ 摘 要 ]： 本文叙述了利用ANSYS有限元分析软件的电磁场和温度场分析功能，对三相四极鼠笼式异步电机的空载励磁磁场和温度场进行分析和研究。
以考核通过经典计算方法设计的电机的可行性和精确性，并进一步优化电机设计。
1.前言在应用于交流传动的异步电机中，由于尺寸的限制和功率的要求，需要在电磁和发热的方面要求高效率的利用，而且对电机的性计算的精度日益要求提高。
而传统的分析计算方法因建立在磁场简化和实验修正经验参数的基础上,其计算精度就往往不能满足需求。
如果从场的理论入手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。
因为电机设计的合理性、可靠性和经济性，无不与场的分布有关。
在这里，我们利用ANSYS有限元分析软件的强大分析功能，对三相四极鼠笼式异步电机进行二维空载磁场分析和定子二维温度场分析。
研究其分布状况，以验证电机设计的合理性，并进一步优化电机设计。
2空载磁场分析1电机基本情况四极鼠笼式异步电动机，采用短距双层绕组，电流经逆变器输出到牵引电机． 2基本假设采用二维场模拟电机中心横截面空载磁场分布；空载时转子导条中感应电流很小，近似为零；不计转子导条的集肤效应；定子电流含有谐波分量，这里主要考虑其基波分量。
不计定子线圈中的涡流效应；考虑到饱和，空载磁场为非线性正弦交变电磁场。
3数学模型及边界条件此电磁场随时间按正弦规律变化，其复数形式的麦克斯韦方程組为：忽略涡流效应，引入矢量磁位Az求解电磁场。
其泊松方程边值问题可描述为：2006年用户年会论文 在这里假定电动机周围不能够漏出磁通，转轴是不导磁的。
所以在定子外圈和转子内圈加磁力线平行边界条件，即Az=0。
4模型生成及求解为方便建模，我们首先在IDEAS环境下生成点和线模型，再通过ANSYS的IGES 接口将其转换为ANSYS模型，然后生成面，为更直观查看结果，在这里对整个截面建模。
谐波转矩对三相异步电动机的起动影响摘要本文主要讲述了异步电动机的高次空间谐波磁场产生的主要原因，以及高次谐波磁场产生的谐波转矩及其对起动的影响，并给出了削弱和消除附加谐波转矩的措施。
关键词谐波磁场；谐波转矩；高次空间谐波磁场；磁导齿谐；附加转矩；同步附加转矩异步电动机的气隙中除了存在基波磁场之外，还有一系列谐波磁场，这些谐波磁场对电机有多方面的影响，比如，产生附加损耗和谐波转矩，引起电机的振动和噪声等，本文主要讨论高次空间谐波磁场的产生及由此产生的谐波转矩，又称为附加转矩或寄生转矩，分析其对电机起动的影响及削弱其影响所采取的相应措施。
1 异步电机的高次空间谐波磁场产生的主要原因1.1 绕组分布非正弦引起的谐波磁场三相绕组对称分布流入三相对称电流，由于绕组磁动势为阶梯波，而非正弦波分布，因此，合成磁动势除有基波分量，还有一系列高次空间谐波磁动势。
其ν次谐波磁动势的振幅和转速表达式如下：谐波磁动势的振幅与谐波次数成反比与谐波的绕组因素成正比。
因此，次数较低的奇次谐波5次和7次谐波磁动势较强，而较高次谐波中2mqk±1次谐波也有较大磁动势，这是因为2mqk±1次谐波的绕组因数与基波绕组因数相同，比其它谐波的绕组因数大的多。
1.2 定、转子齿槽存在引起磁导齿谐波定子铁芯内圆和转子铁芯外圆各有齿槽存在，引起气隙磁导不均匀，面对齿部磁导较大，面对槽口磁导较小，在这种情况下，即使气隙磁动势按正弦分布，由于齿槽磁导变化也会引起谐波磁场，为与绕组谐波相区别，称由磁导变化引起的谐波为磁导齿谐波。
在分析磁导齿谐波时，为了简化通常假设定子内圆或转子外圆的表面仅其中一面存有齿槽，而另一面光滑，定子有齿槽，而转子表面光滑，且由定子齿槽引起的磁导变化，只考虑了一阶磁导波，可见在每对极基波极面下，磁导波变化了次，则气隙磁导波可以表示为可求得转子齿谐波磁场，其一阶齿谐波次数、极对数和转速为式中：“+”号表示相对于（）方向旋转；“—”表示相对于（）反方向旋转。
异步电机气隙谐波磁场的分解合成法④一玷第2l卷第3期1994年9月华北电力0mmIofNorthChiI学院Inst.0f目咖HWv01.2lNo3S曲t1994异步电机气隙谐波磁场的分解合成法王泽忠【华北电力车;,北京严烈通100~5)(清华大学.北京100084)△f摘妻经过详细分析异步电机定,转子碰动势.气晾磁导和气晾谐波磁场的关系.提出了计算气晾谐波磁场的分解音成法.这种方法是将定转子磁动势分解谐波,各戎谐波磁动势作用于有齿槽的气蹿磁导.产生一系列气晾磁场谐波,将这些谐波按其谐波次数.旋转方向及速度对应选加,从而音成气豫谐波磁场.采用有限元数值方法分捌计算定子,转子和气晾磁场,不仅考虑了齿槽效应而且考虑了不同饱和程度下的铁心磁阻及各扶谐波的电抠反应.从而使计算精度大为提高.奉方法用于计算一台w异步电机的气晾谐波磁场.所得结果与实测值基本柑符.说明本文方法符台工程要求.关键词:.堂/异步电机垄兰中图分类号:TM343TMI53.1引言,铽乞罐异步电机气瞎谐波磁场是产生谐波转矩和杂散损耗的主要原因.谐波磁场计算的精度直接影响杂散损耗和谐波转矩的分析.传统的谐波磁场计算方法对电机的齿槽效应,铁心饱和以及转子电流计算等方面做了过多简化,引起误差】.尤其是采用等值电路计算转子电流赧难求得准确结果.有些文献甚至不考虑转子对定子谐波磁动势的电枢反应日.实际上,转子高频谐波电流产生的磁动势抵消一部分定子谐波磁动势.这在较低次的相带谐波中尤为突出.传统方法中不考虑谐波磁动势作用于齿槽产生的其他次数的谐波磁场,这将造成一定的误差.为了克服上述误差,本文根据电机定,转子谐波磁场相互联系又有区别的特点,提出了基于定子,转子和气隙分别计算最后合成的气隙谐波磁场分解合成法.采用有限元法计算各部分磁场,精确地考虑了齿槽效应,铁心饱和效应以及转子电流分布和电枢反应.1气隙谐波磁场分析异步电机运行时,气隙中除基波旋转磁场外,还存在一系列谐波磁场.这些谐波磁场根据收稿日期:I9一02—2812华北电力学院994年其产生的原因不同,可分为定子相带谐波磁场,定子齿谐波磁场和转子齿谮帔磁场,见表1.裹1气豫谐波磁场关幕若将基波旋转磁场的谐波次数定为l,则气隙谐波磁场按其空间极数与基波极数关系,谐波次数如下:定子相带谐波次数定子齿谐波次数转子齿谐波次数l+6kk=l,2,3,±k,2,3…p±k车,2,3…p假定有次谐波磁势,则气隙中产生一系列谐波磁场:7对应于定子齿槽,谐波磁场次数"=v4-k三Lp7对应于转子齿槽,谐波磁场次数"=V4-kLp对应于平均气隙,谐波磁场次数"=vp为极对数.气隙磁场中各种谐波的来源不同,因此,其旋转速度也各不相同.假定相对于定子,基波磁场的旋转速度为n.,变化频率为,各种谐波磁场变化频率列于表2.第3期王泽忠等:异步电机气隙谐波磁场的分解合成法裹2谐波磁场的频率2气隙谐波磁场的分解合成法根据气隙谐波磁场的分析,由于定子有齿槽,v次谐波台成磁势不仅产生v次谐波气隙磁场,还产生与定子齿槽有关的一系列谐波磁场.换言之,气隙中次谐波磁场是由次谐波合成磁势和有关的v次谐波合成磁势作用于有齿槽的气隙而产生.求解转子高频磁场时,可以将定子齿槽的作用以等效的谐波磁势代替.这样可用定子内圆加电流层的方法求转子高频谐波磁场.其中,谐波电流层由=部分组成,一部分是定子谐波磁势的作用,另一部分是定子齿槽的等效作用.同理,求解定子高频谐波磁场时,也可将转子齿槽的作用以等效磁势代替.用分解合成法求解定子和转子的等效谐波磁势分两个步骤.第一步,将次谐波磁势作用于定子齿槽及气隙,算出气隙磁场波形,将气隙磁场波形分解,得到一系列次谐波磁密.第二步,根据所有磁势谐波产生的谐波磁密,按空间极数及旋转速度分别迭加合成气隙磁场,根据台成的气隙谐波磁场求出等效的谐波磁势.下面是分解合成法的具体步骤:2.1气隙基准磁场的计算假定定,转子无齿槽且磁阻为零,气隙一侧加旋转电流层:J=1e一_i一.计算气隙磁场.气隙均匀,沿气隙中线的变化规律为正弦.取的最大值作为气隙谐波磁场的基准值. 2.2定子铁心厦齿槽作用(1)改变气隙磁场波形求解区域为定子和气隙,定子槽内无绕组,转子外圆加旋转流层:J=le—,计算气隙和定子磁场,气隙中线上的的波形通过快速傅立叶变换(FF力分解出一系列次谐波以表示.(2)平均效应(气隙等效放大).由于铁心磁阻和齿槽作用,等效的平均气晾有所增大,放大系数:K9/.2.3定子磁势及电流层计算(1)传统的磁势计算公式=丁3i4.巫2,,/11V=W~'tV=嚏}专.惫14华北电力学院1994年(2)考虑定子槽口宽度计算方法将定子槽内电流均布于槽ICl,用傅立叶级数分解电流层得2.4转子皂枢反应求解区域为放大了的气隙及转子.在气隙的定子一侧加电流层工=le.转子槽内感应电流的频率=2【l-v(1-s)1.求解二维交变磁场,将气隙中线上A的实部分解谐波.由于转子电流的作用,气隙中线上磁位的幅值和相位(空间)均有变化.分解谐波得到A,和A.2.5定子边等效电流层根据不同磁势产生同次谐波磁场可以迭加的原则,将同一次谐波的A迭加合成. +(v,.孚脚,尚定子边等效电流层#=v4-睁去2.6转子边等效电流层由转子基波(滑差频率)电流产生的阶梯谐波磁势和转子齿槽作用引起的气隙磁势谐波A24.,±睁,转子边等效电流层=/A通过气隙谐波磁场的分解与合成,求出了定,转子两边的等效谐波电流层.这样就把相互关联的定转子谐波磁场区分开来.利用定子边的等效电流层,计算转子的高频磁场,利用转子边的等效电流层,计算定子的高频磁场.3计算结果与分析为了验证分解合成法计算气隙谐波磁场的精度,作为实例,对一台7.5kw鼠笼异步电机的谐波磁场进行了计算和测量,结果如下:3.1分解合成法计算结果I■第3期王泽忠等:异步电机气隙谐波磁场的分解合成法裹3来宣定于的气粮谐波磁场表4来自转子的气脒谐波磁场3l2实验验证表5反转时气粮磁场主要谐波计算误差T计算与实测比较表明,分解合成法计算异步电机气隙谐波磁场结果与实测值基本相符,精度满足工程要求.对比计算表明,考虑槽口宽度对较低次谐波影响不大,但对齿谐波有一定影响,如果定子16华北电力学院1994年为开口槽,则影响更大.定子齿槽对相带谐波幅值有一定影响,而传统方法不考虑这种影响,将造成一定误差.从各次谐波的转子电枢反应看,对于较低次的谐波,显然不能忽略转子电枢反应.传统方法不考虑转子电抠反应计算气隙谐波磁场有较大误差.分解合成法除采用有限元法提高磁场的计算精度外,在槽口的电流展处理,齿槽对相带谐波影响和转子电枢反应等方面比传统方法均有明显改进.参考文献1海勒尔B,哈马塔V,章名涛,俞鑫昌译.异步电机谐波磁场的作用.机械工业出版牡,19802(7,mlmmBJ.EmagrproblemsofACmachines,Londoa.Chapman&Hall,196:53冻丕璋,严烈通,排若萍.电机电磁场理论与计算.科学出版牡,19864王泽忠.异步电机杂散损耗分析计算,【学位论文】.北京:清华大学.1989,3卫印BRESOL皿ONANDCOMPOSmONMETHODFORCIALCUL^1]GHARMONICFIELDSOFINDI『CⅡONMoT0RS WangZezhongY ahLietong(Dept.ofPostgraduate,NCIEP,B耐ing07IOO3)inghuaUaiv,~jing1oo084)Airstme(1广hemagneticharmonic矗eIdsininductionmotorsarecalculatedbyu!;eofthe methodnamelyIesoludonandcompositionmethod.Thjsmethodconsistsofthe娲0lution ofraagnetomotiveforce(oarrentlar),theharmonicnddcalculationundercacJ'/m.m.f andthecompositionofharmonicfrddswiththesaI'g~order,sarrlerotatingvelocityandsaii~rotatingdirection.Ia2一Dmagnetic6eIdana,thcreluctanceofstatorandrototcoreand er龃onofcachharmonicsarewe11∞I1siderect. KeyWards:magneticharmonicfields;inductionmotors。
