RMxprt在三相异步电动机中的应用.doc

电机电器的电磁场The electromagnetic field of electric machines and appliances研究生课程（论文类）试卷2 0 13 / 2 0 14 学年第 1 学期课程名称： 电机电器的电磁场 课程代码： 12000419 论文题目：RMxprt在三相异步电动机中的应用 学生姓名： 徐镇乾 专业学号： 132440294 学院： 光电信息与计算机工程学院 课程（论文）成绩：（ ）课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期：2014年1月13日 3 DOI: 10.7500/AEPS20xxxxxxxxxRMxprt在三相异步电动机中的应用徐镇乾 （光电信息与计算机工程学院，上海理工大学，上海 200093）摘要: 本文主要介绍AnsoftV12版本中的RMxprt电机模块在实际电机设计中的使用方法。RMxprt是基于电机等效电路和磁路的设计理念来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的设计精度和可靠性，此外又为进一步的二维和三维有限元求解奠定了基础。因此，熟悉使用RMxprt模块，可在电机设计上事半功倍。提高在工程上相关电机设计的熟练度和准确性。关键词: RMxprt; 电机; 磁路; 有限元求解0 引言 收稿日期: 2014-1-1；修回日期: 2014-1-3上海理工基金资助项目(基金编号);电机研究项目(项目编号)。三相异步电动机是应用最为广泛的电机类型之一，其被广泛应用在冶金、煤炭、矿山、机械和油田等各个工业生产领域。其民用三相异步电动机从建国初仿苏联设计的JO系列、JO2系列演变到后来的Y系列、Y2系列，并逐步走到了今天的Y3系列。该类型的电机在体积上逐渐减小，效率不断提高。1 工程模型的描述在本例中采用国标的Y系列作为计算样机，先在RMxprt模块中建立基本电机模型，再送入Maxwell2D中进行有限元分析。选取的三相异步电机型号为Y160M-4，其基本尺寸及绕组参数如图1所示。(a)定子槽形尺寸 (b)转子槽形尺寸图1 Y160M-4电机定转子槽形尺寸Figure 1 Y160M - 4 stator rotor slot size该电机的定子和转子铁心轴向长度为155mm，铁心材料采用热轧硅钢片D23。定子绕组采用三相60相带，线规为1.3mm铜线，2股并绕作为一匝，每槽28匝，单层绕组，节距为1-9。定子绕组采用三角形接法。电机额定功率为11kW，4极，同步转速为1500rpm，三相电压源为380V，50Hz。转轴采用不锈钢材料，机座采用铸铁材料，两者均不导磁，不作为电机的主磁路部分。2 Y160M-4电机的参数设定2.1 Machine项设置过程对改Y160M-4三相异步电动机，设置Nuber of Poles（电机的极数）为4；Stray Loss Factor（电机杂散损耗百分比）取0.02；Fictional Loss（电机的机械摩擦损耗）取估算为130W；Windage Loss（电机的风磨损耗）给定为30瓦；Reference Speed（计算时的初始转速）在这里该值不能大1500rpm。2.2 Stator项设置过程设置Outer Dimeter（电机定子铁心外径）为260mm；Inner Dimeter（电机定子铁心内径）设定为170mm；Length（电机定子铁心实际轴向长度）设定为155mm；Stacking Factor（电机定子铁心叠压系数）设定为0.95；Steel Type（电机定子铁心冲片材料）设定为D23-50；Number of Slots（电机定子槽数）设定为定子36槽；Slot Type（定子槽形代号）设定为2号梨型槽。该槽详细形尺寸如下:Lamination Sectors为定子冲片的扇形分瓣数，这里设定为1，即定子冲片是一个整体。在大型异步电动机中，有时为了提高硅钢片冲压定子冲片时的材料利用率，往往将定子冲片分为几个等尺寸的扇形瓣，该值描述的就是分瓣的瓣数。Press Board Thickness为定子端部压板厚度，这里设定为0，即不考虑定子端部压板的导磁性对电机端部漏抗的影响。在较大型异步电动机中，为了防止定子铁心散花、端部冲片反翘，往往都采用较厚的端部压板进行端部固定。端部压板的使用，对电机端部漏抗有一定的影响。该值描述的就是假如采用了导磁的压板，将计算其对电机性能改变。如果未采用端板或采用非导磁端板，该值可设定为0。Skew Width 为定子的斜槽数，在这里设定为0，即定子不斜槽。Y系列三相异步电动机均采用定子直槽而转子斜槽的设计，因而该值为0。若使用定子斜槽，则需输入该参数，该斜槽度是以定子槽数为计量单位，即斜过了几个定子槽，该值可以为小数。然后进行Slot项和Winding项设置过程，设置过程如图2A和图2B所示。图2B 定子绕组和导线设置对话框Figure 2B stator windings and leads Settings dialog box图2B 定子绕组和导线设置对话框Figure 2B stator windings and leads Settings dialog box至此，有关定子铁心及三相绕组的设置全部完毕。选中工程树中的Stator项，再单击主界面中部的Main按钮，会出现已设置好的定子冲片横截面图，如图3所示。图3 定子冲片图Figure 3 stator lamination2.3 Rotor项设置过程Rotor电机转子各项参数如图4所示。图4 Rotor项中的参数设定对话框Figure 4 Rotor entry in the Preferences dialog box在前面，我们已经选定了2号转子槽型，在RMxprt异步电动机设定中，我们选择软件提供的4种转子槽型中的第2种，参照本节的Y160M-4电机转子槽型数据，可以直接输入的各项参数。如图5所示。图5 Slot项中的参数设定Figure 5 Slot key parameter settings在Slot设置中，软件提供了转子闭口槽结构，体现在Hs01这个参数上，该参数描述的就是槽口距转子外径的距离，样机为开口槽结构，故该值等于0。输入所有槽型参数后点击确定按钮退出，同时可以按照察看定子冲片外形的方法察看转子冲片外形，转子冲片如图6所示。 图6 定子冲片图Figure 6 stator lamination3 Y160M-4电机的仿真设定及计算结果我们已将Y160M-4样机的系统参数、定子参数、转子参数及转轴参数全部设定完毕。仿真参数的设定至关重要，这意味着将要计算前面输入的电机模型在该状态下的工况，一般是将额定工作状态设定为分析对象。完成以上操作以后，求解之前，我们要先检查模型是否正确无误，软件提供了自动检测模型是否正确的功能，当所有检测结果均为对号时，我们就可以检查计算结果。转速与相电流关系如表1所示，转速与机械转矩关系如表2所示。表1 转速与相电流数据关系Table 1 the relationship between speed and phase current dataSpeed(rpm)050010001500Input Current（A）69.866585表2 转速与机械转矩数据关系Table 2 the relationship between speed and TorqueSpeed(rpm)050010001500Torque（Nm）10511413624 RMxprt模块与Maxwell2d/3d的耦合4.1 RMxprt导入至Maxwell2D有限元模快上述各个参数检查完毕后，简单设定RMxprt菜单项后就可以直接输出至Maxwell有限元分析中。将RMxprt模型采用一键式直接导入到2D界面中，就可以自动完成几何模型绘制、材料定义、激励源添加、边界条件给定、网格剖分和求解参数设置等前处理项，我们只需要简单进行求解和后处理即可。这种键式导入方式仅限于2D的瞬态场，若要进行其它场分析需要用户自己更改设置。2D图形如图9所示。图9 额定转速点最后计算时刻的磁力线和磁密分布图Figure 9-point final calculation of the rated speed of the magnetic field lines and magnetic moment density tribtion4.2 RMxprt导入至Maxwell3D有限元模块RMxprt模块计算后的模型也可以直接导入至Maxwell3D三维电磁场计算模块中，其导入的方法与导入至Maxwell2D模块相类似。从所生成的电机周期模型来看，由RMxprt模块所形成的Maxwell3D电机非常贴近于真实电机模型，散下线绕组端部非常逼真，而斜槽的鼠笼绕组也与真实Y系列电机极为近似，仅鼠笼端环上没有转子风扇、平衡柱，同时转子端环未采用拔模，但这对三维电磁场计算精度几乎没有影响。3D图形如图10所示。图10 3D图像Figure 10 3D image of Fig5 结语本文介绍RMxprt旋转电机分析专家模块，设计了一台实际中的三相异步电动机，详细介绍了RMxprt电机模块中异步电动机模块的使用方法。了介绍了整套计算流程，还继续介绍了如何由RMxprt模型导入至Maxwell 2D和Maxwell 3D模块进行下一步的有限元计算。其中，还重点介绍了在RMxprt下的参数分析，通过参数化计算可获得较高性能下的电机结构尺寸。RMxprt模块下包含了十余种电机，三相异步电动机是比较典型的案例，其他类型的电机计算流程与之似，可以结合软件自带的帮助文档自学，希望本文起到以点带面的效果，对大家学习设计电机有帮助。参 考 文 献1 赵博, 等. Ansoft 12在工程电磁场中的应用M. 中国水利水电出版社, 2013-4-1.2 杨尔滨, 杨欢红, 刘蓉晖, 等. 工程电磁场基础与应用（第二版）M.中国电力出版社, 2009-9-1.3 李发海, 王岩, 等. 电机与拖动基础（第4版）M.清华大学出版社, 2012-6-1.作者(1988)，男，硕士研究生，主要研究方向：电机与电器。E-mail：570666955RMxprt application of three-phase asynchronous motorsXU Zhen Qian(Optoelectronic Information and Computer Engineering, Shanghai University, Shanghai 200093)Abstract: This paper describes AnsoftV12 versions RMxprt motor module in the actual use of the motor design. RMxprt is based on the equivalent circuit and magnetic motor design to calculate a variety of motor simulation model, with the establishment of the model is simple and quick and easy parameter adjustment, along with a certain degree of accuracy and reliability of the design, but also for the addition of two further and thre