低速永磁大转矩电动机的数值分析
根据电磁场理论和传热学知识，分析了电机在堵转运行的特性。以一台5kW、10极切向式永磁大转矩电动机为例，利用场路耦合有限元法，对电机进行二维场、路及运动的耦合分析，得出堵转运行时的电磁场分布。
标签：大转矩永磁电机；堵转；场路耦合
随着大转矩电机的广泛应用，低速大转矩永磁电动机也逐渐成为该行业的发展的必然趋势。当发生堵转时，电机内部温度高的问题也是需要分析解决的必然问题。因此分析电机在堵转运行时温度分布情况是十分重要的。要了解这种状态下的温度分布首先要分析此时的电磁场分布情况。本文以一台3相10极低速大转矩电动机机为例，分析该电机堵转时的电磁场及温度场。
为了更全面的考虑电机非线性及结构的复杂性，本文首先采用场路耦合的方法计算电机的二维电磁场，只有在准确电机电磁场的基础上，才能准确计算电机的各种损耗，进而求解此时电机三维温度分布。
1 堵转时的电磁场分布
1.1 场路耦合分析
本文采用场路耦合法。电机的直线部分和端部分开研究。在永磁电机等效电路中阻抗不改变的前提下，来模拟电机端部的影响。同时，为了计及谐波的影响，采用电感模拟定子谐波漏抗。
其中定子线圈端部相电阻计算公式为[2]：
其中，？籽W-导线电阻率，N-每相串联匝数，lc-线圈半匝平均长度，Nt-导线并绕根数，A’c-每根导线截面积，a-定子相绕组并联支路数。
定子线圈端部漏抗及谐波漏抗等效电感的计算公式为：
L=（Xd1+Xe1）/？棕
式中，Xd和Xe分别是定子端部漏抗及谐波漏抗，？棕是电机角速度。
为了简化分析，在电磁场求解过程中，假设：
（1）电磁场是似稳场。（2）材料为各向同性，忽略铁磁材料的磁滯效应。（3）忽略电导率？滓和磁导率？滋的温度效应，仅为空间函数。（4）电磁场为二维分布。（5）永磁材料用等效面电流模拟。（6）场区中各场量随时间按正弦变化
其表达式为
式中-求解区域1-电机定子外圆和转子内圆边界；？祝2-永磁体边界；Js-永磁体边界等效面电流密度；A-磁矢量；？滋-磁导率；Jz-外加轴向电流密度；-？滓dA/dt-涡流密度。
通过采用有限元法求解。图1单个定子内外绕组电流自由度和电动势自由度耦合图，图2为电机的场路耦合模型。
1.2 仿真结果与分析
通过公式法计算的结果可以看出，端部电阻为0.40425Ω，端部电感为0.049135H。本文仿真低速大转矩电机的主要参数为：额定功率5kW，额定电压220V，定子槽数48，极数10，定子铁心长度225 mm。利用Ansys软件对所建场路耦合模型进行模拟分析，得出电机在堵转和负载时的磁力线分布图。
图3和图4分别为负载和堵转运行时的磁力线分布图。
由图3、图4可以看出，电机负载运行时磁力线分布规律，磁力线垂直通过气隙，当堵转运行时磁力线扭曲相当严重。这种现象产生的主要原因是电机绕组电流过大，导致铁心饱和严重，磁力线发生扭曲变形。
由于堵转时电机定子电流比额定电流大很多。只有在准确电磁场的情况下，才能进一步准确分析出电机的损耗分布。
2 结束语
本文运用传热学知识，通过电机在堵转状态时的特性，运用ANSYS软件对低速大转矩电动机的定、转子整体进行电磁场分析，全面细致的了解电机故障堵转时电磁场分布状况。从电机定、转子电磁场可以看出，由于堵转时电机的定子电流不断上升，电机磁通密度饱和不断加深。这说明所建立的模型和使用方法是正确可行的。
参考文献
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[2]夏正泽，刘慧娟.基于场路耦合法德异步牵引电机电磁场分析.微电机，2009，3（42）：21-23.
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[4]付敏，孔祥春.水轮发电机定子三维温度场的有限元计算.电机与控制学报，2000（4），193-197.
[5].孙立柱.低速大转矩永磁电动机电磁场与温度场数值分析.沈阳工业大学硕士论文，2011.
作者简介：隋勇（1976-），男，辽宁丹东人，工程师，学士，主要从事技术招标相关工作。
