maxwell软件--三相感应电机

8三相感应电动机本章我们将简化RMxprt一些基本操作的介绍，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。8.1基本理论三相感应电机的定子绕组通常连接到对称的三相电源上。定子绕组由p对极组成，在空间成正弦分布，定子电流产生旋转磁场。转子绕组一般为鼠笼型，其极数与定子绕组保持一致。转子导条中感应的电流反过来又产生一个旋转磁场，这两个旋转磁场在电机气隙中相互作用产生合成磁场。气隙合成磁场与转子导条电流相互作用产生电磁转矩，使转子按磁场旋转的方向旋转，同时有一个大小相同方向相反的转矩反作用于定子上。定子绕组分为p组线圈，每一组都按三相对称分布，在电机中占据πD/2p空间，此处D为气隙直径。因而气隙磁场有p个周期，定子绕组具有p对极。三相感应电动机的特性是基于等效电路进行分析的。电机三相对称，其中一相的等效电路如图8.1所示。R1X1X2RFeXmR2/sU1I1I2图8.1一相的等效电路图8.1中，R1和R2分别为定子电阻和转子电阻；X1为定子漏电抗包括槽漏抗、端部漏抗和谐波漏抗；X2为转子漏电抗，包括槽漏抗、端部漏抗、谐波漏抗和斜槽漏抗。由于漏磁场有饱和现象，X1和X2为非线性参数。等效电路中的各项参数均与定子电流、转子电流有关。由于集肤效应R2和X2均为由图8.2所示的分布参数等效电路导出的等效值，且随转子滑差s变化。所有转子参数都折算到定子侧。R1X1X20RFeXmR20/sU1I1I2XsTopXsBotRsTop/sRsBot/s图8.2一相的分布参数等效电路在激磁回路中，Xm为激磁电抗，RFe为铁心损耗所对应的电阻。Xm是经过线性化处理的非线性参数，其数值随主磁场的饱和程度而变化。外施相电压U1时，可方便地由电路分析得出定子电流I1和折算到定子侧的转子电流I2。电磁功率Pm可由下式确定：sRI3P222m(8.1)电磁转矩Tm为mmPT(8.2)式中ω为同步转速，单位：rad/s轴端输出机械转矩为fwm2TTT(8.3)式中Tfw为风阻和摩擦转矩输出功率为222TP(8.4)式中ω2=ω(1–s)为转子转速，单位：rad/s输入功率为s1CuFe2Cufw21PPPPPPP(8.5)式中，Pfw为风摩损耗，PCu2为转子铜损耗，PFe为铁心损耗，PCu1为定子铜损耗，Ps为杂散损耗。功率因数由下式确定：111ImUPcos(8.6)效率由下式确定：%100PP12(8.7)8.2主要特点8.2.1线圈和绕组的排列优化设计几乎所有常用的三相和单相，单层和双层，整数槽和分数槽交流绕组都能自动设计。用户不需要一个接一个的自己定义线圈。当设计者采用全极式单层绕组时，RMxprt将自动对绕组进行排列，以减少绕组端部长度。当使用不对称三相绕组时，绕组排列按照最少负序和零序进行优化。8.2.2支持任何单、双层绕组设计的绕组编辑器除了利用RMxprt中的绕组自动排列功能，用户也能通过WindingEditor来指定特殊形式的绕组排列。在WindingEditor（绕组编辑器）中，通过改变每个线圈的相属Phase、匝数Turns、入槽号InSlot和出槽号OutSlot，可排列出任意所需的单、双层绕组分布形式。8.2.3支持二十多种单鼠笼转子和双笼转子设计鼠笼转子槽一般分为以下4种：1.圆肩梨形槽2.斜肩梨形槽3.斜肩梯形槽4.圆肩梯形槽如何配和双笼式（上笼Top、下笼Bottom）和半槽式(HalfSlot)槽型，感应电机可设计出二十多种槽型，例如：1.圆形双笼：如图8.3a所示，可由Top1圆肩梨形+Bottom1圆肩梨形构成。2.刀型槽：如图8.3b所示，可由Top4圆肩梯形+Bottom3斜肩梯形+HalfSlot半槽式构成。a.圆形双笼b.刀型槽图8.3鼠笼结构的槽型8.2.4任何运行工况下都能考虑非线性参数和分布参数的影响由于主磁场存在饱和现象，激磁电抗Xm为非线性参数。漏磁场亦有饱和现象，定、转子漏电抗X1和X2也为非线性参数。由于集肤效应，R2和X2均为由分布参数电路导出的等效值，且随转子滑差s变化。RMxprt对电机的任何运行工况都考虑了饱和与集肤效应的影响，因而非线性参数计算和分布参数计算准确度高。8.3三相感应电动机设计这一节，我们将演示三相感应电动机设计的一般流程。点击StartProgramsAnsoftMaxwell12Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。从RMxprt主菜单条中点击FileNew新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。从RMxprt主菜单栏中点击ProjectInsertRMxprtDesign。在SelectMachineType会话框中选择Three-PhaseInductionMotor，然后点击OK返回RMxprt主窗口。这样就添加一个新的RMxprt设计。从RMxprt菜单栏中点击FileSave。如果想把项目另存为IndM3_6p50Hz11kW.mxwl，可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。(参见3.2.6设置默认的项目路径)分析这个算例，需要做以下几项设置：1.设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位)：2.配置RMxprt材料库(参考章节3.4.1配置材料库)：3.编辑线规库(参考章节3.3.2到3.3.6)：当选择Three-PhaseInductionMotor做为电机模型时,必须输入如下几项：1.Generaldata.（基本性能数据）2.Statordata.（定子数据）3.Rotordata.（转子数据）4.Solutiondata.（解算数据）可在定子和转子中选择添加或去掉通风孔。8.3.1基本性能设计在项目树下双击Machine图标，可显示Properties.对话框。在如图8.4所示的Machine列表下定义基本性能数据。1.MachineType：电机类型。2.NumberofPoles：电机极数。其值为定子极数的总和（或极对数×2）。3.StrayLossFactor：杂散损耗系数，杂散损耗与额定输出功率的比值。杂散损耗有两部分构成，一部分是由铜线中电流分布不均匀引起的损耗；另一部分是由于负载电流使磁通发生改变，导致的附加铜损。IEEE标准中对2500hp以下交流电动机的杂散损耗分成3个参考等级：1)1-125HP=1.8%的额定输出功率2)126-500HP=1.5%的额定输出功率3)501-2499HP=1.2%的额定输出功率4.FrictionalLoss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生）5.WindLoss：参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生）6.ReferenceSpeed：所给的参考转速。点击OK关闭Properties对话框。图8.4基本性能参数8.3.2定子设计定子由冲片叠压制成，三相交流绕组安放其中。双击项目树中的MachineStator图标，显示Properties对话框。在如图8.5所示的Stator列表中输入定子数据。1.OuterDiameter：定子外径。2.InnerDiameter：定子内径。3.Length：定子铁心的轴向长度。4.StackingFactor：定子的迭压系数5.SteelType：定子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）6.NumberofSlot：定子槽数7.SlotType：定子槽型（参考7.1.1节槽型）1)点击SlotType显示SelectSlotType对话框。2)选择一种槽型（有6种类型可用）3)点击OK关闭SelectSlotType对话框。8.LaminationSectors：迭片分区数。对于大型感应电动机，一个迭片可能由如图8.6所示的几个扇形组合而成，而不是一个整体的圆形迭片。迭片分区数表示一个迭片由几个这样的扇区组成。9.PressboardThickness：导磁隔板的厚度。键入0表示为一个非导磁的隔板10.SkewWidth：斜槽（以定子槽数计）点击OK关闭Properties对话框。图8.5定子数据图8.6一个定子迭片扇区8.3.2.1定子槽型设计双击项目树中的MachineStatorSlot图标，显示Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。在如图8.7所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。点击OK关闭Properties对话框。图8.7定子槽型尺寸8.3.2.2设计定子绕组双击项目树中的MachineStatorWinding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：Winding和End/Insulation。8.3.2.2.1定义导线、导体和定子绕组在如图8.8所示的Winding列表中定义导线、导体和定子绕组1.WindingLayers：绕组层数。从下拉菜单中选择绕组层数（可选1和2）2.WindingType：绕组类型（参考7.5.1节的设置交流绕组类型）1)点击WindingType显示WINDINGType对话框。2)从以下3种绕组类型中选择一种：a.Editorb.WholeCoiledc.HalfCoiled3)点击OK关闭WINDINGType对话框。3.ParallelBranches：定子一相绕组的并联支路数4.ConductorsperSlot：每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。输入0，RMxprt会进行自动设计。5.CoilPitch：以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。6.NumberofStrands：每个导体中导线的并绕根数。输入0，RMxprt会自动设计根数。图8.8导线、导体和定子绕组数据7.WireWrap：漆包线的双边漆皮厚度。输入0后能从导线库中自动获得8.WireSize：定子绕组导线的直径（输入0，RMxprt会自动设计）。用户可选择圆导线或扁导线两种型号。当槽型为1到4时，圆形导线可用（参考7.4.1节设置圆导线）。当槽型为5或6时，扁导线可用（参考7.4.2节设置扁导线）。8.3.2.2.2定义端部绕组和槽绝缘数据可参考7.5.3节端部绕组和槽绝缘中的详细介绍。在如图8.9所示的End/Insulation列表中定义绕组端部和槽绝缘。1.InputHalf-turnLength：选择或取消该选项框以指定是否想要键入半匝长度。选中该选项，用户下次打开Properties对话框会出现HalfTurnLength。如未被选中，会有EndAdjustment替代其位置。2.Half-turnLength：电枢绕组的半匝长度。当InputHalf-turnLength被选中时，其可用。3.EndAdjustment：定子绕组的端部长度调节项，及导线伸出定子的垂直距离。当InputHalf-turnLength未被选中时，其可用。4.BaseInnerRadius：底角半径5.TipInnerDiameter：线圈外弧半径6.EndClearance：两临近线圈的间隔7.SlotLiner：槽绝缘的厚度8.WedgeThickness：槽楔的厚度9.LayerInsulation：层绝缘的厚度10.LimitedFillFactor：设计槽满率的上限。点击OK返回RMxprt的主窗口。图8.9绕组端部和绝缘数据8.3.2.2.3绕组编辑器对于三相感应电动机，用户可以利用绕组编辑器为每个槽定义不同的导体数。为了使用绕组编辑器，用户必须在WindingProperty中选择WindingType为Editor(参考3.5编辑交流绕组)。8.3.2.3定义定子通风沟数据用户可以选择在三相感应电动机中添加通风孔。在三相感应电动机的定子上添加通风孔：1.右键点击项目树中的MachineStator图标。2.在弹出的右键菜单中选择InsertVent，向项目树中添加MachineStatorVent。3.在项目树中双击Mac