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六相异步电机的ANSOFT有限元分析
作 者:中国矿业大学信息与电气工程学院 王瑞鲜 洪书娟
1 引言
目前,在国内外的生产实际中大部分都使用三相交流电机,但是由于多相电机可靠性高、性能好,多相电机将被广泛的应用。和常规的三相感应电机相比,多相感应电机可以在不提高相电压的情况下增加电机的容量,谐波成份小,运行性能好[1]
本文利用ansoft软件对相同定转子结构的三相电机和六相电机进行了有限元分析,三相电机采用一般的三相60°相带绕组,六相电机采用六相双y移30°绕组。与三相电机相比,六相电机具有以下优点:
(1)在相同的电机额定容量下,六相电机每相的容量是三相电机每相容量的一半。因此,从三相电机过渡到六相电机设计时,可保持电流不变或较原来数值为小,而在原来电压至其一半之间选择电压,以获得最佳方案。由此可见,六相电机通过增加电机相数,实现低压大容量。故相同容量的电机,六相电机的电压及电流的选择范围更为广泛[2]
(2)电机相数的增多,使得空间谐波次数增大,且幅值下降,转矩脉动下降,降低了电机的机械振动和噪声。六相双y移30°绕组在对称负载下,由基波电流产生的合成磁动势谐波中,只存在v′=(12k±1)次谐波,式中k=0,1,2,…。与三相60°相带绕组的v′=(6k±1)次谐波比较,六相双y移30°绕组不存在v′=5,7,17,19,…等次谐波,特别是5次和7次谐波,是三相绕组磁动势谐波中较强的两个分量,对电机的性能影响较大。因此,六相绕组不产生这两个分量的磁动势谐波具有重要的实际意义[3,4]
(3)可靠性提高。多相电机相数的冗余,使多相电机在定子一相或多相开路或者短路时可降额起动并继续运行,与三相电机相比,多相电机可在缺相时继续运行[5]
(4)能减小槽电流从而节约导线材料。当改用六相绕组并保持相电压不变,和原来的三相绕组比较,相电流可以降低一半,从而可以减小导线截面积节约材料。

2 六相电机的工作原理
多相感应电机和一般的三相感应电机在主要结构和组成形式上是相同的,都是由定子和转子组成的。两者主要的区别在电机的交流绕组上,多相感应电机的定子绕组大多是由多套对称三相绕组相互交错开一定的角度所构成的。从本质上讲,是由所加电源与绕组引出线不同产生了三相和多相。
若把一般在空间上分布为60°相带的三相星型联接的绕组的每一相带等分为两段,分别联接成互移30°的两个星型,就构成了如图1所示的六相双y移30°绕组。由图可以看出,从感应的电动势而言,为不对称的六相系统。从电流或磁动势而言,为对称的12相系统。六相双y移30°绕组的电流矢量示意如图2所示。


图1 六相双y移30°绕组

从电机原理已知,对于三相对称绕组,当绕组中电流在时间上经过了多少角度,三相合成磁动势就在空间上转过了同样数值的电角度,并且当某一相的电流达到最大值时,三相合成磁动势的基波磁动势幅值位于该相绕组的轴线上。现设上述六相绕组中,第1个星形的a1相电流ia1达到正的最大值,则此星形的三相合成磁动势基波必有一个正振幅与a1相带的线圈组轴线重合。由于第2个星形的电流在时间上滞后于第1个星形30°,必须等待时间经过30°后,a2相电流才达正最大值,此时第2个星形合成磁动势基波波幅值与相带线圈组轴重合。而此时,第1个星形产生的磁动势基波的正波幅从a1相带的线圈组轴线沿顺时针方向转过30°,恰恰与a2相带线圈组轴线重合。可见,两个星形产生的磁动势基波在空间上同相位,都以同步转速沿顺时针方向旋转。因此,可以直接相加而得整个六相绕组产生的合成磁动势基波。由于每个星形中各相绕组的参数完全相同,那么,从电机参数来看,六相双y移30°绕组电机电枢反应电抗为其每个星形联接电枢反应电抗的2倍[6,7]


图2 六相双y移30°绕组的电流矢量图

公式(1)为六相电源的表达式,由互差30°电角度的三相对称电源构成。



3 有限元分析
利用ansoft软件对三相异步电机和六相异步电机进行有限元分析,比较定子三相绕组与六相绕组对电机性能的影响。为了方便比较,本文分析的三相电机和六相电机的额定输出功率均为4kw,额定相电压均为380v,并且采用相同的定转子结构,只是定子绕组不同。三相电机采用一般的三相60°相带绕组,六相电机采用六相双y移30°绕组。与三相电机相比,六相电机的额定电流是三相电机的一半,因此可以减小六相绕组的导线截面积,节约材料。附表示出电机的结构参数。

附表 电机的结构参数


3.1空载电磁场
利用ansoft软件建立三相异步电机和六相异步电机的2d模型,分配材料,添加边界条件,在定子线圈中添加激励,用静态场求解器进行有限元分析,得到电机空载时的磁力线分布,如图3和图4所示。
3.2瞬态分析
三相电机和六相电机定子绕组加载相同的额定电压,三相电机采用三相对称电压激励,六相电机采用六相电压激励,六相电压激励如式(1),由互差30°电角度的三相对称电压组成。转子导条添加端部电阻和端部电感,分别添加band,将其转速均设为额定转速,利用maxwell 2d瞬态场求解器进行有限元分析,得到电机的一对极下的气息磁密波形,如图5和图6所示。


图3 三相异步电机的磁力线


图4 六相异步电机的磁力线



图5 三相异步电机的气息磁密


图6 六相异步电机的气息磁密

由图5和图6很难看出三相异步电机与六相异步电机气息磁密波形的差别,将三相电机和六相电机的气息磁密波形数据导出,利用matlab软件对气息磁密波形数据进行傅里叶分析,提取三相异步电机和六相异步电机气息磁密的谐波含量,如图7和图8所示。
从图7和图8可以看出,与三相电机相比,六相电机气息磁密的基波含量基本不变,5次和7次谐波基本消除,有利于电机效率的提高。


图7三相异步电机气息磁密的谐波含量


图8六相异步电机气息磁密的谐波含量

图9和图10是三相电机和六相电机以额定转速稳定运行时电磁转矩随时间变化的曲线,因为稳态计算时认为在零时刻电机就以额定转速运行,而实际中零时刻时电机的转速为零,所以只取稳定后的转矩做为参考。额定电磁转矩的理论计算值为27.61n。由图9知三相电机的稳态转矩是28.0859n,与理论值相比,误差为1.72%;由图10知六相电机的稳态转矩是26.7796n,与理论值相比,误差为3.01%。


图9 三相电机的电磁转矩


图10 六相电机的电磁转矩

3.3启动性能分析
启动性能分析时,保持稳态分析时的设置不变,只对band进行修改,将三相电机和六相电机初速度均设为零,输入主动惯量及阻尼系数,负载转矩均设为零,利用maxwell 2d瞬态场求解器对三相电机和六相电机的空载启动性能进行有限元分析,得到的速度随时间变化的曲线如图11和图12,转矩随时间变化的曲线如图13和图14。由图可知,三相电机与六相电机启动时的速度曲线基本相同,开始时速度为零,最后逐渐增加至空载转速;三相电机和六相电机启动时的转矩曲线也基本相同,开始时转矩值较大,并且有一定的震荡,达到空载转速后稳定运行,转矩值保持不变。


图11 三相电机的转速曲线


图12 六相电机的转速曲线


图13 三相电机的启动转矩


图14 六相电机的启动转矩

4 结束语
本文所分析的三相异步电机和六相异步电机采用相同的定转子结构,三相电机采用一般的三相60°相带绕组,六相电机采用六相双y移30°绕组。利用ansoft软件分析了三相电机和六相电机的气息磁密及其谐波含量,并对三相电机和六相电机的启动性能进行了分析。分析结果表明,与三相电机相比,六相电机气息磁密的基波含量基本不变,5次和7次谐波基本消除,同时启动性能基本不变。

作者简介
王瑞鲜(1987-)女 硕士研究生,研究方向为电机与电器。

参考文献
[1] 李琳红.多相异步电机设计和制造上的探讨[j].上海大中型电机,2007(4):4-6.
[2] 叶光辉.多相感应电机的设计研究[d].长沙:湖南大学,2007.
[3] 王新路,王东,吴新振等.多相电机中谐电流与谐波磁势间的关系[j].电机与控制应用, 2007,34(8):10-14.
[4] 许实章.交流电机的绕组理论[m].北京:机械工业出版社,1985.
[5] 李少龙,任永德,金爱媛等.多相异步电机不对称运行的研究[j].中小型电机, 2005,32(1):21-27.
[6] 程福秀,林金铭.现代电机设计[m].北京:机械工业出版社,1992.
[7] 候立军,苏彦民,陈林等.六相异步电机的绕组结构及其仿真研究[j].中小型电机,2004,31(2):5-9.
[8] 赵博,张洪亮.ansoft12在工程电磁场中的应用[m].北京:中国水利水电出版社,2010.
[9] 傅丰礼,唐孝镐.异步电动机设计手册[m].北京:机械工业出版社,2001.

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