（电机与电器专业论文）基于ansoft的单相电机设计与性能分析.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些杰 三邕一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位茹文者签名j 翁寄 签字日期：b f 年辱月缃 j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 基于a n s o f t 的单相电机设计与性能分析 摘要 工程实践中大量使用的单相异步电机每年要消耗大量的电能，电机效率的 提高对节能降耗有着非常重要的意义，所以对单相异步电机进行优化设计十分 必要。电机的优化模型及优化设计方法问题一直是电机设计工作者普遍关注的 问题。由于电机优化问题的多目标、有约束、非线性等特点，一般的优化算法 已不能满足电机优化设计的要求。 本文针对单相电容运转式异步电机的设计及优化进行研究，主要内容为： 1 分析单相电容电机的运行原理及其结构特点，指出其设计上要特别注意 的要素； 2 针对由正弦绕组改进而来的新式绕组的设计方法及特点，设计出一台采 用这一新式绕组的单相电容电机； 3 运用遗传算法，编写单相电机电磁计算程序，对所设计的单相电机进行 优化设计； 4 对所设计的单相电容电机运用a n s o f t 软件进行有限元仿真，对其进行 性能分析。 本论文的研究得到浙江省重大科技专项“高效和特高效异步电动机的研制” ( 2 0 0 8 c 0 10 1 1 1 ) 的资助。 关键词：单相电机；优化设计；遗传算法；有限元方法 a l g o r i t h m sc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h em o t o ro p t i m a ld e s i g n t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fs i n g l e p h a s ec a p a c i t o rr u n i n d u c t i o nm o t o r t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e p h a s e c a p a c i t o rm o t o ra r ea n a l y z e d ；t h ek e ye l e m e n t st ob ep a ys p e c i a la t t e n t i o nt oo ni t s d e s i g na r ei n d e x e da l s o ； 、 2 a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e so ft h en e ww i n d i n gt y p ei m p r o v e df r o mt h e s i n u s o i d a lw i n d i n g ，as i n g l e - p h a s ec a p a c i t o rm o t o r sw i t ht h i sn e ww i n d i n gi s d e s i g n e d ； 3 t h e s i n g l e - p h a s e m o t o re l e c t r o m a g n e t i c c a l c u l a t i o n p r o g r a m m e d ，t h ed e s i g n e ds i n g l e - p h a s e m o t o r si s o p t i m i z e d a l g o r i t h m ； p r o c e d u r e i s u s i n gg e n e t i c 4 t h es i n g l e p h a s e c a p a c i t o r m o t o ri ss i m u l a t e d b yt h e f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s o f l ，i t sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da l s o t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h em a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e “t h ed e v e l o p m e n to fe f f i c i e n ta n dh i g he f f i c i e n t a s y n c h r o n o u sm o t o r ( 2 0 0 8 c 0 1 0 1l 一1 ) k e yw o r d s ：s i n g l e p h a s em o t o r ；o p t i m a ld e s i g n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；f e m 致谢 本论文的研究工作是在导师王群京教授的悉心指导下完成的。从课题及论 文的选题、理论研究、仿真实验以及其后的论文撰写，无一不渗透着导师的心 血。导师渊博的学识，严谨的治学态度，敏锐的科学洞察力以及对科研和育人 事业的热情，都使我深受感染并且终身收益。在此论文完成之际，衷心地对导 师表示我深深的敬意与感激。 真诚的感谢李国丽教授。李老师的帮助指导与项目支持，为我的学习提供 了研究方向及实际的研究对象，使研究工作得以更加顺利的完成。李老师在学 术上孜孜以求的探索精神和精益求精的严谨态度，是我永远的榜样。 在合肥工业大学两年多的求学过程中，还要特别感谢鲍晓华和胡存刚老师 在学习和生活中给予我的帮助和支持。此外，还要感谢课题组和实验室的庞聪， 潘雷雷，张云雷，夏百花同学，求学之路因为我们彼此的帮助与督促，讨论与 进取，而变得更加有意义。 作者：周睿 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 异步电机的发展概况1 1 1 2 单相异步电机的发展现状2 1 2 单相电容电机的设计及优化概述6 1 3 本文的主要内容。7 本章小结8 第二章电容运转式单相异步电机的研究9 2 1 单相电容电机运行原理9 2 1 1 对称两相绕组磁场9 2 1 2 ： 对称两相绕组磁场l l 2 2 单相电容电机的对称运行条件1 2 2 3 单相电容电机的绕组1 4 2 3 1 正弦绕组。1 4 2 3 2 新型绕组l6 本章小结18 第三章电容运转式单相异步电机设计1 9 3 1 单相电容电机的初步设计1 9 3 1 1 主要尺寸及电容器1 9 3 1 2 气隙k 度一1 9 3 1 3 定转子槽数槽型1 9 3 1 4 定子绕组一2 0 3 2 单相电容电机的进一步优化设计：2 3 3 2 1 单相电机计算机辅助设计2 4 3 2 2 遗传算法一2 6 3 4 优化设计过程2 9 3 4 1 确定变量2 9 3 4 2 目标函数及约束条件一3 0 3 4 3 计算结果3 0 本章小结。3l 第四章电容运转式单相异步电机有限元分析3 2 4 1 电机电磁场理论概述3 2 4 1 1 麦克斯韦方程组3 3 4 1 2 电机电磁场几种分析方法3 4 4 2 电机有限元分析方法一3 4 4 2 1 条件变分3 5 4 2 2 剖分差值3 6 4 2 3 条件变分离散化3 7 4 2 4 总体合成3 7 4 2 5 强加边界条件处理3 8 4 3 基丁：a n s o f t 的单相电机性能分析3 8 4 3 1 电机有限元分析软件a n s o f t 简介3 8 4 3 2 电容运转异步电机实体建模一3 9 4 3 3 机械特性4 0 4 3 4 稳态磁场4 2 4 3 5 起动过程4 3 本章小结4 4 第五章总结与展望4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献4 6 硕士研究生阶段发表的学术论文4 9 插图清单 图1 - 1 单相电容运转式异步电机结构4 图2 1 单相电容电机定子两相绕组结构9 图3 1 定转子槽初步设计2 0 图3 2 绕组设计方案接线2 2 图3 3 优化设计程序总体结构2 4 图3 4 电磁计算流程2 4 图3 5 遗传算法流程。2 7 图4 1 三角形单元剖分3 6 图4 - 2 单相电机二维模型3 9 图4 - 3 单相电机网格剖分4 0 图4 4 转矩一速度曲线一4 0 图4 5 效率一转速曲线4 1 图4 6 功率l 天i 数一速度曲线4 1 图4 7 输出功率一转速曲线一4 1 图4 8 磁通密度云图4 2 图4 9 磁力线分布4 2 图4 一1 0 气隙磁密波形。4 3 图4 一l l 负载转矩波形4 3 图4 一1 2 两相电流波形4 3 l 2 ， 2 ， 3 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 经济的发展直接意味着各种资源的消费，特别是能源的消耗，2 0 10 年国际 能源署的数据显示，中国已超过美国成为全球最大的能源消费国，虽然中国能 源局否定了这个数字的准确性，中国目前已经成为世界工厂，在能源消耗的总 量上超过美国，也只是时问的问题。面对不断增长的资源需求及带来的环境保 护、可持续开发等问题，除了发展新能源的“开源”一途，还要有节能减排的 “截流”手段。 全世界工业用异步电动机消耗了总发电量的一半以上，电机效率低就意味 着大量的电能没有转化为机械能，而是以发热形式散发掉了，不但没有使电能 得到有效利用，反而提高了电机的温升，恶化了电机的工作性能。因此提高电 动机系统( 包括电动机和调速驱动系统) 的效率是节能工程关注的重点。通过 系统优化，其节能潜力可达3 0 一6 0 。根据国际能源署电动机工作组2 0 0 6 年7 月的报告，电动机通过提升效率结合变频调速可以在世界范围内节约7 的总电 能，据统计其中l 4 - 1 3 的节约来自于改善电动机的效率，剩余部分来自系统 整体性能的改善。由于电动机本体节能潜力巨大，世界各国都在大力开发高效 率电动机和特高效率电动机，采取各种有效措施降低电动机的损耗，提高效率， 以达到节能降耗的目的。 除了电能的节约，制造传统的电机要消耗大量的铁、铜、铝等原材料，设 计优良的电机可以有效的节约这些材料的用量。今年来铜铝价格的波动也加剧 了有效材料问题的紧迫性。作为最重要的机电能量转换装备，电机产品量大面 广，提高其效率、降低制造电机的原材料消耗，对于解决资源紧张、保持国民 经济可持续发展有十分重要的意义。 目前我国设计生产的电机，与世界先进企业的同类型产品在性能上还有一 定的差距。国外的单相异步电机的功率范围已经扩大到1 0 15 h p ，而我国为 7 5 h p ( 5 5 k w ) 或以下。l 4 - 5 h p 的4 极电容起动单相异步电机，我国的 j b t 10 1 卜1 9 9 1 标准的平均效率为6 6 7 7 ，而美国e m e r s o n 公司的标准为 7 0 1 3 。3 4 - 5 h p 的4 极双值电容单相异步电机，我国j b t 7 5 8 8 一1 9 9 4 的平均 效率为7 3 5 ，美国b a ld o r 公司的高效电机达到了8 3 7 5 ，比我国高出1 0 个 百分点。因此在能源非常紧张的今天，汲取国外产品的优点和经验，通过对单 相电机进行优化设计，改善其工作特性，减少能耗，降低制造成本就显得尤为 必要。 1 1 1 异步电机的发展概况 异步电机属于交流电动机范畴，由于其工作转速低于旋转磁场的同步转速， 故而区别于同步电机称为异步电机。又因其转子转速低于旋转磁场的速度，两 者之间的转速差使得转子导体切割旋转磁场，由此产生转子感应电势，进而在 导体中产生感应电流，从而得到电磁力产生电磁转矩，因此异步电机又称为感 应电机。与同步电机一般作为发电机使用不同，异步电机绝大多数是作为电动 机使用，提供电磁转矩，输出机械能。 异步电机的工作特性较好，从空载到满载的整个范围内几乎恒速运行，力 能输出稳定，大功率容量时可以达到很高的工作效率，足以满足大多数农工业 生产机械的传动要求。并且异步电机运行时只需定子绕组接交流电源，转子绕 组可以不接电源而直接短接，具有结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠 等优点。因此，异步电机已经成为生活生产中应用最广泛的电动机。 根据异步电机的感应运行原理，异步电机派生出许多基于异步运行理论的 特种电机，如直线感应电机、圆筒形感应电机等，满足运行要求较为特殊的应 用场合。目前我国消耗于异步电动机的电能约占全年发电量的5 0 ，加之作为 清洁二次能源的电能在工业生产中正在全面替代石油为代表的、高污染的传统 一次能源，随着电动机在电动汽车、智能电器领域的快速发展，可以说异步电 机势必成为生产实践中最主要的动力来源。 另一方面异步电机相对于直流电机其调速方法复杂，调速范围较小，不够 平滑，调速特性较差，因而在需要较大调速范围的应用场合异步电机的使用就 受到了一定的限制。随着近年来大功率半导体电力电子器件的快速发展，特别 是矢量控制原理的提出，使得异步电机也可以简便有效地达到可以媲美直流电 机的调速性能，进一步扩展了异步电机的应用领域。 1 1 2 单相异步电机的发展现状 相对于三相异步电机简单的结构，单相异步电机的结构进一步简化，定子 绕组由三相减为两相甚至一相绕组，将三相异步电机使用的三相电源简化为单 相电源。定子两相绕组在空间上有9 0 。电角度，当通过一定方法使这接在同一 电源上的两相绕组的阻抗角不同时，就可以让两者流过的电流也存在一定的相 位角，这样，可以得到两个脉振磁场，这两个磁场方向相位都不同，其空间时 间上的叠加就会在气隙当中形成一个类似于三相绕组产生的旋转磁场。单相异 步电机的转子与小容量三相异步电机一样，一般采用笼形转子。由于它可以直 接使用日常生活中使用的单相电源，成本低廉，噪音小，因此更广泛的应用于 日常生活使用的家用电器、医疗器械、小型设备等。 单相异步电机的单机容量一般较小，一般是低于1 k w 的分马力电机，相对 同样容量的三相异步电机其体积也较大，性能也较差。但由于其广泛的应用范 围，据统计单相异步电机的总用电量占全部电动机用电量的8 0 以上，世界范 围内每年生产的单相异步电机近百亿台，我国每年生产的单相异步电机数量更 2 是在大幅增加。如果说异步电机是电动机的主导，那么单相异步电动机又是异 步电机中的重头。 目前国内生产的单相异步电机转子部分都是一致的，差别在于定子侧绕组 的设计以及形成旋转磁场的方法不同，一般可以分成以下几种类型：单相电阻 起动异步电机，单相电容起动异步电机，单相电容运转异步电机，单相电容起 动与运转异步电机。近年来又出现了综合电阻起动式单相异步电机和电容运转 式单相异步电机两者优点的“单相电阻起动一电容运转单相电动机 等新式单 相异步电机，丰富了单相异步电机的种类。 各种单相异步电机的结构特点、接线原理及工作原理如表1 1 所示。 表1 - 1 单相异步电机定子接线原理 电机电阻起动电容起动电容运转双值电容 类型 主副相绕组接同一主副相绕组接同一主副相绕组接同一主副相绕组接同一 单相电源，空间相 单相电源，空间相单相电源，空间相单相电源，空间相 结构差9 0 。电角度，主差9 0 。电角度，主差9 0 。电角度，主差9 0 。电角度，主 特点绕组电感较大，副绕组电感较人，副绕组电感较大，副绕组电感较大，副 绕组电阻较大。副绕组中串有起动电绕组中串有起动电绕组中串接两个并 绕组中串有离心开容器及离心开关。容器。联的电容器，一个 关。与离心开关串接。 接线 。【学孙；l谢划 。 替孰u 原理 起动过程中主副绕起动过程中主副绕起动机及运转过程起动过程中主副绕 组同时工作。当转组同时：r 作。当转中，主副绕组均保组及两个电容器同 t 作子转速达剑同步转子转速达到同步转持工作。时t 作。当转子转 原理速的7 0 8 5 时离心速的7 0 8 5 时，副速达到同步转速的 开关断开，主绕组绕组及起动电容器7 0 8 5 时，副绕组 单独一l 作。 被切除，主绕组单 相的起动电容器被 独工作。切除，主绕组及串 接运转电容器的副 绕组继续工作。 单相电阻起动异步电机也叫单相分相起动异步电机，它的定子铁心上有两 套绕组，一套是运行用主绕组，一套是起动用副绕组，其中串有离心开关。它 们在空间上相差9 0 。电角度，一般用两套绕组阻抗不等的方法使副绕组的起动 电流在相位上领先主绕组的起动电流。在起动后切除副绕组，仅凭主绕组产生 的脉振磁场维持转子旋转。 单相电容起动异步电机的定子铁心上也有一套主绕组和一套副绕组，并在 空间上相差9 0 。电角度，但在副绕组中再串联了一个电容器，用以使副绕组阻 抗呈容性，从而使得副绕组起动电流领先电源电压一个相位角，也就领先主绕 组起动电流一定的相位角。单相电容起动异步电机的起动电流较小，却可以有 较大的起动转矩。 单相电容运转异步电机相当于去掉了单相电容起动异步电机中副绕组上的 离心开关，使得它在起动后仍保持在两相运行状态下，气隙中仍旧可以产生旋 转磁场，这样可以得到较高的运行性能、效率、功率因数和过载能力，其缺点在 于气隙磁场一般是椭圆形的，产生的起动转矩不高。 单相电容起动与运转异步电机在副绕组中串入两个并联的电容器，其中一 个串接离心开关，这样使得最大转矩增加，功率因数和效率上升，起动转矩也 有效增大，是一种比较全面的设计。 这四种单相异步电机当中，三种用到了离心开关。离心开关的存在使得电 机的运行可靠性受到了至关重要的影响，长期使用后，离心开关产生机械疲劳， 不能保证有效的动作，要么断丌过早，电机还没有完全起动，要么断开过晚， 导致烧毁起动电容器。最早期的机械式离心开关的问题最突出，稍后采用的电 磁式离心开关在误动作的问题上有所好转，但又带来了新的问题。采用常闭式 电磁离心开关，则电机运转时离心开关部件一直在耗电，浪费了电能，带来了 发热；采用常开式离心开关，则依旧难以避免断开过早问题，往往需要配合常 闭开关组成差动式结构，增大了部件体积。最为关键的是，对于出口到国外市 场的产品，由于国内外电源标准的不同( 国内电源电压是2 2 0 v 3 8 0 v ，频率是 5 0 h z ，国外电源电压多是1 1 0 v 2 3 0 v 4 6 0 v 5 7 5 v ，频率是6 0 h z ) ，也影响到离心 开关的工作可靠性，在国内可以正常工作的开关在不同电源条件下就有可能误 动作。近年来出现的电子式离心开关比较全面的解决了这一系列的问题，但同 时又使得电机的整体生产成本上升，生产工艺复杂化，影响了这一技术的推广 应用。 对于离心开关的可靠性，相关部门制定了专门的规定，要求每一台电机的 离心开关都必须经过严格的测试。而实际上，在不投入巨额资金并影响生产效 率的情况下，这种测试的效率永远无法赶上电机的生产速度。这一系列的问题， 加上自身性能优劣，使得没有离心开关存在电容运转式单相异步电机相对于其 他三种单相电机，有着更明显的市场优势。 单相电容运转式异步电机的结构如图1 1 所示。 麓麓 图卜l 单相电容运转式异步电机结构 4 珍娃诊雅 近年来，国内外电机行业对于电容运转异步电机的性能提升方法进行了一 系列卓有成效的研究，这罩列举一些比较有代表性的研究工作。 美国学者e f f u c h s 通过对电容运转式单相电机损耗的研究提出，此类电 机在定子两相绕组电流密度基本相等时达到效率最高口1 。 日本东京大学研制的单相电机，在采用定子槽面积不等的异型槽设计基础 上，以轭部磁密变化不大为原则，将定子冲片外轮廓设计成近似方形h 引。既 节省了有效材料使用量，又减小了电机的安装体积。 江苏省海门县微型电机厂徐卫星等，在研究电容起动绕组在起动过程中的 电容故障问题时，结合电阻起动和电容运转两种单相异步电机的特点，用串电 阻的副相绕组代替串电容的副相绕组。依据单相绕组的工作原理，将电容起动 副绕组电容运转主绕组改为电阻起动副绕组电容运转主绕组，在双电容单相异 步电机基础上设计出了一种有较高起动力矩和运行性能的单相电阻起动电容运 转单相电动机，解决了在电机起动冲击电流下副相电容易烧毁的问题，并分析 了这种电机的一般设计方法1 。 浙江大学陈永校教授通过对电机齿谐波的研究，在分析电机振动产生噪声 的原理，计算电机定子转子两方面在不同斜槽条件径向轴向力矩波的大小及频 率，及其对于不同容量电机的共振影响，提出了双斜槽的概念，有效削弱了异 步电机的径向窜动，从而显著减小了噪声和附加损耗。并且推导出了完整的不 同条件下双斜槽的选用及设计方法。这种方法不仅对于异步电机转子斜槽效果 有较大的提升，还可以推广到同步电机、永磁电机的斜极处理上哺3 。 湖南大学周莜珍、邓菊初对正弦绕组槽满率、绕组系数进行研究，在c o ，单 相异步电机上采用一种新型随意相带正弦绕组，既有正弦绕组谐波含量低的特 点，又解决了正弦绕组槽空问利用率低的问题。与采用一般正弦绕组单相电机 相比，效率提高了6 1 0 ，起转转矩倍数提高大约o 卜0 7 ，最大转矩倍数上升 o 7 1 5 1 。 安徽机电学院张云霞等在双值电容单相电机的两个电容的容值、工作条件 的研究中，根据电容器的有效电容值在电容器被周期性短接的条件下将会大于 它的设计值的分析，采用电子电路控制电容工作的方式，以一个双值电容在启 动过程中由电子开关周期性短接，起动后转为固定容值使用的方法，代替单相 电容起动与运转异步电机的两个不同容量电容器。方面使得电容个数减少了 一个，降低了双电容带来的附加成本，想用的减小了电机的体积，另方面用电 子电路控制的方法替换了离心开关控制电路，降低了电机的故障率，提高了可 靠性及使用寿命- 。 另有许多其他的高校及企业在异步电机的优化设计方面做出了卓越的努 力。 1 2 单相电容电机的设计及优化概述 单相异步电动机的设计与笼型三相异步电动机的设计在转子侧没有太大区 别，区别在于定子两相绕组的设计。由表卜1 可见，与对称三相电机每相相差 1 2 0 。电角度不同，单相电机的两相j 下弦规律分布的绕组空间上相差9 0 。电角 度，理论上电流相位也相差9 0 。空间上的差角容易实现，关键在于主相与副 相绕组由于往往串接不同特性的元器件，并且自身的电阻电抗特性不同，要使 接入同一单相电源的主副相绕组中的电流相角差也达到9 0 。，就有一定的问 题。实际上，单相异步电机两相绕组形成的气隙旋转磁势轨迹往往是椭圆形的， 并可以分解成两个转向相反的旋转磁势，一个对转子旋转起促进作用，反向的 起阻碍作用，这一点将在第二章中详细介绍。单相电机的设计就要想办法削弱 这个反向的旋转磁势，使得气隙磁场形状尽可能呈圆形，椭圆度尽可能低。另 外，在启动与额定运转时，电容电机的磁场椭圆程度是不同的，在设计时要注 意兼顾启动、额定运转性能的均衡。再一点，由于单相电机的绕组分布特点， 采用传统定子槽型时的槽满率是不同的，设计时可以最大槽满率为准设计，不 同位置的槽采用不同的槽深、轭高，减小部分的定子外径，这样可以提高材料 的有效利用率，节省硅钢片材料。 电机设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的参数非常多，要考 虑到电机的技术指标及经济效益，还要注意理论与实际、设计与工艺的结合， 必须全面考虑各方因素，提出尽可能多的方案进行筛选，这就成倍增加了设计 人员的计算工作量。目前，电机设计的一般方法是首先进行电机本体设计，以 电磁能为中介，利用电机的电磁能、机电能之间转换的电磁计算，并进行大量 的简化近似处理，要得出较精确的分析还要在电机本体设计确定后进行瞬态的 局部二维或三维的分析，若某部分发现不满足设计要求还要重新进行电机本体 的设计，这样的设计往往要进行多次的试探性设计才能完成，并且实际制 作过程中可能还会出现新的问题。 随着计算机及计算机辅助设计技术的发展，繁杂的电机设计工作的效率得 到有效提升。近年来，专业的电机设计应用软件大量出现，如中山大学电机设 计软件、浙江大学e m c a d 软件、上科所的电机设计软件、上海工业大学的电机 设计软件、西北工业大学的电机设计软件、还有国内和国外的一些软件等，这 些软件，输入所有必要的电机结构参数，软件可以自动计算出所设计电机的电 磁性能，并给出相应的性能曲线。另外，依据电机瞬态要求出现的专业电磁分 析软件也有许多，如a n s o f t 、a n s y s 、m a g n e t 等。一些电机设计软件，还在电 机设计的基础上，内嵌了电机参数分析或优化设计算法，可以一次性给出多种 电机设计方案供用户选择，或输出一个最优的设计方案，大大简化了电机设计 工作。 电机的设计过程中，往往很难在第一次计算就得出符合目标要求的设计方 6 案，需要经过反复的调整参数选择，经过多次的迭代计算，才能得到一个比较 满意的设计方案。另外，电机结构中有的参数的选择是不唯一的，可以有多种 选择方案，由于许多参数之间存在着关联性，不同方案的设计出来的电机在都 满足设计指标的同时彼此之间会有不同的特点，例如某一种设计就可以在效率 不低于其他方案的同时输出更大的转速，另一种设计可能得到更大的峰值转矩， 这就要求设计人员对电机设计方案依据实际应用进行取舍。当然最佳的方案是 使得电机的性能得到全面的提升，而不是顾此失彼。电机中每一个参数对电机 的影响都是复杂、非线性的，单个参数的作用还可以比较直观、清晰的显示出 来，若干个参数的共同作用下的影响就是错综复杂的了。设计人员根据自己的 经验取舍很难找出性能全面提升的方案，更难以得到最佳的方案，这就提出了 电机的最优化设计问题。 电机最优化属于一种有约束、多目标、多变量、多峰值、复杂非线性的最 优化问题，其目标函数很难用几个数学解析式来表达。若将每一种方案都进行 分析测算，其多个约束条件、多个优化目标、目标之间的复杂关联使得优化的 工作量庞大到几乎无法完成。运用搜索的方法，可以解决随机法漫无目的的寻 优的工作量问题，但自身也存在许多缺陷，最关键的问题在于如何避免传统搜 索方法容易陷入局部最优解、偏离全局最优的问题。 近年来，电机优化设计随着最优化理论的不断创新有了极大的发展，从最 初的模式搜索法、单纯性法到虎克一杰夫斯法，再到混沌算法、粒子群算法，最 优化的方法越来越成熟，有效解决了局部最优问题，缩短了计算时间。可以预 见电机最优化算法还将有巨大的发展。 1 3 本文的主要内容 本论文在浙江省重大科技专项“高效和特高效异步电动机的研制” ( 2 0 0 8 c 0 1 0 1 1 1 ) 的资助下，在分析电容运转式单相异步电机的工作原理、结 构参数特点的基础上，设计一台2 5 0 w 的电容运转异步机。具体各章工作如下： 第一章简要说明单相异步电机的研究及发展现状，并介绍了单相异步电机 设计方法和研究方向。 第二章叙述电容电机的基本理论，分析了单相电容电机对称运行条件，及 由此带来的设计上的特点。之后简要介绍了单相电机正弦绕组与新型绕组的设 计，为下一步单相电机的设计做好了准备。 第三章首先按照传统设计方法，初步设计出一台2 极2 5 0 w 的单相电容运转 式异步电机，并计算其初步电磁性能。在简要说明电机的计算机辅助设计方法 后，编写c + + 程序，运用遗传算法对设计出的电机进行全局优化设计，得出此 型号电机的最优设计方案。 第四章运用有限元分析软件a n s o f t 计算分析了所设计电机的稳态瞬态性 能。 第五章对全文工作进行总结，提出进一步的工作方向。 本章小结 本章主要对异步电机特别是单相异步电机的发展现状进行了简要介绍，并 说明了本课题的主要内容及意义。 第二章电容运转式单相异步电机的研究 2 1 单相电容电机运行原理 与三相异步电机相比，单相异步电机的主要特点是产生气隙旋转磁场方式 的不同，这种产生磁场的方式使得单相异步电机的气隙旋转磁场具有一定的椭 圆形特点，对电机的效率、振动噪声等运行性能有不同性质的影响哺3 。 所谓单相电机是指其使用的电源是单相交流电，而不是指只有一相绕组， 否则电机是无法启动的，或者启动也无法判定转向。单相电容电机的定子上有 两组绕组，两者的线圈轴线在空间上存在一个差角。其定子绕组结构如图2 一l 所示： ( a ) i 主绕组 l 0 1 1i ；j 乜 ，一“、 ia ( b ) 图2 1 单相电容电机定子两相绕组结构 首先，对于定子槽内主副相线圈，接入同一交流电源，相当于分别通入正 弦交流电f ，= 2 ，。c o s f a t ，f 。= 4 2 1 。c o s o t ，会产生两个脉振磁势： f m = 0 9 既i 。c o s t c o s a ，c = o 9 睨i 。c o s t c o s ( a 一卢) ，其中a 指空间相对于磁 势轴线电角度，p 指两相绕组空间差角， m 、即a 分别为主副相绕组有效匝数。 若这两相绕组简单接到单相电源上，产生两个同相位的脉振磁势，其合成磁势 仍是一个脉振的磁势。可见，两相绕组仅在空问上正交还不足以产生一个旋转 的磁势。要在气隙中产生一个类似于三相电机的旋转磁场，两相绕组不仅在空 间分布上有一定的差角，其中的电流在相位上还要有足够的相角差。 2 1 1 对称两相绕组磁场 对主相绕组的脉振磁势l 积化和差处理得： 巴= 0 9 4 , i 。c o s c o s a ，、 = 0 4 5 i 。c o s ( a + 0 9 t ) + o 4 5 i 。c o s ( a c o t ) = 露+ 其物理意义就是：将一个脉振磁势分解为了两个幅值只有原磁势一半、以 角速度反向旋转的两个磁势分量。i 一样的方法分析电容电机另一相绕组。 假设a 相电流为屯= 2 i 。c o s ( o t + 0 ) ，即超前m 电流0 电角度，两相轴线相差 卢，则： 9 f d = 0 9 w a idc o s ( c o t + 0 ) c o s ( a 一$ 、) = 0 4 5 睨，。c o s c o s ( a 一卢) + ( c o t + 臼) 】+ 0 4 5 睨，。c o s c o s ( a 一卢) 一( c o t + 9 ) 】( 2 - 2 ) = f ：+ f ： 式2 1 和式2 2 中，c 是一个幅值为f m 一半，向a 方向以c o 速度旋转的 磁势波；，m 是一个幅值为，m 一半，向a 反方向以速度旋转的磁势波；，a 是 一个幅值为c 一半，向 一卢) 方向以速度旋转的磁势波；巧是一个幅值为c 一半，向旧一卢j 反方向以速度旋转的磁势波。这四个磁势波分量的大小和方 向，决定了气隙当中磁势波的形状。 规定a = 0 ，先假设两相绕组的空间差角为卢= 9 0 。，电流的相角也相差9 0 0 ， 并且其安匝数也相等，即儿、，a 幅值相等，就构成对称两相绕组。两相绕组 产生的四个磁势分量为： 现选取c o t = 0 ，c o t = 9 0 0 ， 关系： ，。 ，。 a ；l = 0 一廿f f ：= f m c o s 6 0 t 巧= 巴c 。s ( - - c o t ) ( 2 3 ) f ：= f dc o s ( 9 0 0 + ( o l 、) f ：= f ，c o s ( 9 0 一c o t ) 耐= 1 8 0 0 ，o g t = 2 7 0 0 四个时刻研究它们的位置方向 删鬻9 0 柚棚 、删旺j ，一，一。、，、 i 一一皇鳓。 i _ 一呈兰二张o + 擎? 擎：| 、 l 巧 、， l 一， _ 、一一， 打f = ，7 l | 口 图2 1 对称绕组不同时刻磁势分量 r?+r?4- 从上图可以看出，理想情况下，四个磁势分量中两个正向分量，m 和，a 始终 是保持同相位同方向旋转，称为正序分量。称为两个负序分量的，m 和f a 转向 同为反向，且相位上一直保持相反。实际上后两个分量的效果始终相互抵消， 气隙中磁势就是r m 和，a 相合成并正向旋转的磁势，它的速度为同步转速，运 行轨迹是一个正圆形。这个磁势波和转子导条之间存在相对运动，使导条感生 电流，由此电机在此磁势作用下按照异步电机原理做异步运行。 上面分析可知，要改变单相电容电机的转向，只要改变两相绕组电流的相 角领先关系或者绕组空间位置关系即可，由于绕组位置的改变不太现实，一般 采用变电流相位的方法改变单相电容电机的转向。 1 0 不等时，使两相磁势不等( 则各磁势分量的位置转向关 ? 澈! - 奠? ? j 二4 。_- 。一， ， ， 、 z ： ： ? -； 1 1 j | 譬。 f 一： ： 一 硝：? j 葛磊专乏；笛 f j 吒 ! ? fl ：。j t l 以呢l 既，。为例) ， 系如下图所示： 图2 2 两相磁势幅值不等情况卜磁势分量 两个正向分量仍保持同相位、正方向旋转。但两个负向分量虽保持相位相 反，但由于，a ，m ，两者已不能相互抵消，而是产生了一个幅值很小的负序磁 势。两个正序分量合成一个正向旋转的磁场f + ，两个负序分量合成一个反向旋 转的磁场f 一，这样气隙当中就存在两个作用相反的磁势波，转速均为同步转速， 方向相反。负序磁势在耐= 0 、c o t = 18 0 ”时与正序磁势同向，在c o t = 9 0 。、耐= 2 7 0 ” 时与正序磁势反向，使得总磁场的形状呈现椭圆形。这个椭圆磁场总体上还是 正向旋转的，但不再是匀速旋转。不匀速旋转的磁场会使电机运行产生较大震 动和噪声，并加大电机损耗。 另一种不对称运行的状态是：两相绕组的磁势相等，但电流相角不能保证 正交，则各磁势分量的位置转向关系如下图所示： 耐二1 0 矗= 9 0 0 二二1 8 分 j 1 7 ： f易 ；，； = 气 二 j f j； ? i ? 1 、 ，一 倒2 7 0 0 图2 3 两相磁势不正交情况卜磁势分量 由于两个负序分量的位置不再反向而不能相互抵消，将仍有负序磁场存在。 同时两个正序分量不再方向一致，合成的j 下序磁场分量将与对称运行条件下应 有的方向有一定夹角。负序磁场和正序磁场合成后仍是一个椭圆形磁场。 实际上，从不对称状态的一般分析方法分析可见，两相对称条件是不对称 运行的一种特殊状态，其中也存在正向负向两个磁势波，只是负向磁势的幅值 为零而已。这种分析方法，称为双旋转磁场理论。 在正向磁场和负相磁场的分别作用下，单相电机的电路参数是不同的，使 得电机的性能表现也不同。 单独考察正序负序两个磁势的作用，在转子以转速胛旋转时，相对于正序磁 场转子的转差率为s + ：业，相对于负序磁场则j 一：二竖：2 一s + 。s + 是异 胛o一疗o 步电机在电动运转状态下的特征转差率，即正序磁场驱动转子旋转；s 是异步 电机在制动状态下的特征转差率，说明负序磁场对转子起到的是制动作用，对 电机的运转，特别是启动是非常不利的。由于单相电机的正负序磁场的转差率 性质不同，对于j 下负序磁场的等效电路需要分开处理，电机的实际性能也是又 这两个磁场的共同作用合成得到的。 单相电容电机主副相正负序等效电路如图2 4 、图2 5 所示。 ”r 一：，争 图2 4 单相电容电机主副相正序等效电路 矗矗置m 鲁 。，曲r 曲+ r - 。曲拿鸶 图2 5 单相电容电机主副相负序等效电路 图中下标f 、b 表示“正向”、“负向”。 单相电机的谐波磁势情况比较复杂。对于三次谐波磁势，a 相的三次谐波磁 势比m 相的三次谐波磁势先达到幅值位置，说明三次谐波磁势的旋转方向是由 a 相转向m 相，即是反向旋转的，转速是基波磁势的。同样的方法分析可知， ，j 五次谐波正向旋转，转速为基波的联，七次谐波反向旋转，转速为基波的形， 世 1 6 口o 2 2 单相电容电机的对称运行条件 当“绕组空间正交”与“电流时间相位j 下交”两个条件的任何一个不能满 足时，就将产生一个正向旋转一个反向旋转的两个磁场，通常合成的是一个椭 圆形的磁场，极端情况下，若负序磁场幅值等于正序磁场幅值，合成磁势就会 变成脉振的磁势。所以，单相电容电机的设计要注意控制两相绕组的空间位置 与电流相位关系，使合成磁场尽可能呈现圆形，减小椭圆度，以提高电机的性 能，减小振动。 磁势的相位、幅值与产生它的电流的性质直接相关，“绕组空间正交”与“电 流时间相位正交”两个条件只是一种具有代表性但比较极端的例子，实际上即 使绕组空间位置不正交，只要两者的电流时间相位也相应变化，仍然有可能使 产生的两相磁势正交。由单相电机原理，产生圆形磁场的条件为旧1 0 3 ： 既，m = 睨，a ( 2 - 4 1 【e + 妒= 7 r 7 其中日为两相绕组空间电角度，妒为两相电流时间相位差。对于电流大小及 相位的控制，要通过两相绕组阻抗的分配来完成。 设匝比口= 形彩，为满足( 2 4 ) 第一式，副相电流l = 么，相应的副相 绕组的线径s 。= 5 形，这样两相绕组的电流密度相近，温升基本相同。 电容器是单相电容电机电流分相实现对称运行的重要元件。由于电容运转 电机的电容器在电机的启动运行过程中保持长时间工作