胡 巖，邵珠鑫，李褔益

(1 沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，沈陽 110870；2 壹倍科技(東莞)有限公司，東莞 523000)

0 引 言

感應(yīng)電動機是各類電動機中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。各國以電為動力的機械中，約有90%為感應(yīng)電動機，其中小型感應(yīng)電動機占70%以上。在電力系統(tǒng)的總負荷中，感應(yīng)電動機的用電量占相當大的比重。我國的感應(yīng)電動機用電量約占總負荷的60%多[1-2]。與其它電機相比，感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，質(zhì)量輕，成本低[3]。一般感應(yīng)電動機的起動電流可以達到額定電流的7倍左右，若超出此范圍很多，就會對電機繞組造成嚴重沖擊，甚至燒毀電機，大型電機還有可能對電網(wǎng)造成沖擊[4]。并且，感應(yīng)電動機具有較大的損耗，電機的效率較低，能耗較大。

為了提高電機的工作效率，多電端口或多機械端口的電機逐步進入人們的視野，例如雙定子和雙轉(zhuǎn)子電機[5]。很多學者對這兩種電機的工作原理與優(yōu)化設(shè)計進行了大量研究，開發(fā)出各式各樣的雙定子和雙轉(zhuǎn)子電機，解決了傳統(tǒng)電機功率密度較小的問題，但是此類電機的起動性能仍然不佳，起動電流依舊很大[6-9]。目前對于起動電流過大的處理方式基本為降壓起動，例如串電阻起動和軟起動控制等[10]。這些起動方式雖然能抑制電機的起動電流，但同時也降低了電機的起動轉(zhuǎn)矩[11]。因此，優(yōu)良的起動性能對于感應(yīng)電動機的發(fā)展應(yīng)用具有重大意義。

針對目前感應(yīng)電動機的起動性能不佳和運行效率低下的問題，本文提出了一種具有兩套定轉(zhuǎn)子的新型結(jié)構(gòu)感應(yīng)電動機。此電機在實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機的內(nèi)部套入一個鼠籠型感應(yīng)電動機，形成一種電機套電機的結(jié)構(gòu)。內(nèi)層電機采用兩套繞組的設(shè)計，其中一套為4極的低諧波繞組，也可以說是一種具有諧波磁勢含量較低的繞組。采用這種繞組方式可以減少電機的附加損耗，使得電機效率高于采用雙層疊繞組繞線的電機[12]。由于特殊的電機結(jié)構(gòu)使得這種雙定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機能夠在直接起動的情況下，以較低的起動電流使電機輸出較高的起動轉(zhuǎn)矩，并且起動后可以高效穩(wěn)定運行。

本文基于ANSYS有限元軟件對所設(shè)計電機進行電磁仿真分析，研究了電機的起動與運行性能。仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了該電機的設(shè)計參數(shù)和電機性能滿足技術(shù)指標以及設(shè)計的要求。

1 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究電機的外層實心轉(zhuǎn)子采用10號鋼材料，其與內(nèi)層電機定子部分鑲嵌在一起，定子繞組采用8極單層鏈式繞組。內(nèi)層電機為普通籠型感應(yīng)電機，其定子中鑲嵌了兩套繞組，分別為8極雙層疊繞組和4極雙層同心式正弦繞組。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)示意圖

本文所研究電機的運行過程可分為兩部分。其中內(nèi)外雙層8極繞組同時通電，電機進入起動過程。由于內(nèi)層電機的定子跟隨實心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并達到8極電機的額定轉(zhuǎn)速，所以可使內(nèi)層電機的轉(zhuǎn)子達到4極電機的額定轉(zhuǎn)速后，內(nèi)外雙層8極繞組斷電，內(nèi)層4極繞組通電，電機進入穩(wěn)定運行過程。

1.1 主要性能參數(shù)

表1給出的是外層實心轉(zhuǎn)子電機設(shè)計的技術(shù)要求。

表1 外層電機主要性能參數(shù)

表2給出的是內(nèi)層8極電機設(shè)計的技術(shù)要求。

表2 內(nèi)層8極電機主要性能參數(shù)

表3給出的是內(nèi)層4極電機設(shè)計的技術(shù)要求。

表3 內(nèi)層4極電機主要性能參數(shù)

1.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

表4給出的是電機主要結(jié)構(gòu)尺寸。

表4 電機主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 內(nèi)層4極電機同心式正弦繞組設(shè)計

內(nèi)層4極電機采用了雙層同心式的正弦繞組方式，正弦波驅(qū)動的電機需要正弦磁場勵磁，理想的電流層應(yīng)為余弦分布，由于導體是有限分布，合成的電流層是階梯波。流過導體的電流大小相同，而每個線圈匝數(shù)不同，導致槽內(nèi)導體數(shù)量不同，即安匝數(shù)不同。通過調(diào)整線圈的匝數(shù)就可以消除高次諧波，改善磁勢波形的正弦程度[13]。

本文采用極相組中各線圈匝數(shù)依次為13、18、9的布線方式。每槽導體數(shù)如表5所示。4極電機繞線圖如圖2所示。

表5 每槽導體數(shù)

圖2 4極電機繞線圖

2 電機模型的建立

由于內(nèi)外雙層8極電機作為其起動部分，待轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后切入內(nèi)層4極單獨運行，故需要分別對內(nèi)外雙層8極電機和內(nèi)4極電機進行建模仿真。

2.1 內(nèi)外雙層8極電機

由于內(nèi)外雙層8極結(jié)構(gòu)的特殊性，本文使用ANSYS的RMxprt模塊對內(nèi)外兩層電機進行單獨建模，再將建立的模型分別導進Maxwell中進行合并。模型如圖3所示。

圖3 內(nèi)外雙層8極電機模型

此電機具有兩個運動部件，其中對于外層電機的運動部件需要特殊處理。繪制band面域時應(yīng)把內(nèi)層電機的定子包含在其中，將面域設(shè)置為band面并對其進行運動部件的設(shè)置，這樣就可實現(xiàn)內(nèi)層定子跟隨著實心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而滿足要模擬的工況要求。

2.2 內(nèi)層4極電機

對于內(nèi)層的4極電機，其繞組方式為同心式正弦繞組。在使用RMxprt進行建模時，選擇自定義繞組方式，然后根據(jù)設(shè)計要求對繞組的匝數(shù)以及接線進行設(shè)置。最后將模型導入Maxwell 2D中進行仿真分析。其模型如圖4所示。

圖4 內(nèi)層4極電機模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 內(nèi)外雙層8極模型仿真分析

對于本文所研究的電機，內(nèi)外雙層8極模型主要用于起動過程，因此，主要對雙層8極模型進行起動性能的分析。

3.1.1 磁場分布

由圖5和圖6可以看出，電機的主磁場分布均勻，磁密最大出現(xiàn)在定子齒部，為1.5 T左右，鐵心未飽和。因此，設(shè)計的電機參數(shù)較為合理。

圖5 電機磁力線分布圖

圖6 電機磁密云圖

3.1.2 電機轉(zhuǎn)速

對于內(nèi)外雙層8極電機，其特殊的結(jié)構(gòu)使得內(nèi)層轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以達到4極電機的額定轉(zhuǎn)速。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 內(nèi)層轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

當外層電機反轉(zhuǎn)時，可使雙層8極電機進行低速運行。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如圖8所示。

圖8 內(nèi)層轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)速圖

3.1.3 起動特性

對于電機的起動特性，本文主要研究其起動轉(zhuǎn)矩與起動電流。由圖9和圖10可以看出，內(nèi)外兩層電機的起動轉(zhuǎn)矩分別為68.4 N·m和58.7 N·m，起動轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求。

圖9 外層電機起動轉(zhuǎn)矩

圖10 內(nèi)層電機起動轉(zhuǎn)矩

起動電流過大會引起電機定子線圈溫度升高，導致線圈絕緣降低，造成匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪?，嚴重的會直接燒毀電機。因此，低起動電流對于電機的設(shè)計尤為重要。圖11和圖12分別為外層和內(nèi)層電機的起動電流曲線，電機的起動電流較小，符合絕緣要求。

圖11 外層電機起動電流

圖12 內(nèi)層電機起動電流

3.2 4極模型仿真結(jié)果

當雙層8極電機起動以后會切入4極單獨運行，因此對于4極電機需要其滿足高效穩(wěn)定的運行要求。

為了減小電機運行中的振動，4極電機采用同心式正弦繞組。這種繞線方式可在氣隙中形成趨近于正弦的磁密波形，從而減小了穩(wěn)定運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖13 氣隙磁密曲線

正弦式繞組減小了電機的諧波損耗，從而提高了電機的效率。由圖15可以得出，4極電機負載狀況下的效率可達93.3%左右。

圖15 輸出功率與電磁功率曲線

對氣隙磁場進行諧波分析，結(jié)果如圖16所示。可以看出，使用低諧波繞組使得氣隙磁場中的高次諧波含量較低，驗證了低諧波繞組布線的合理性。

圖16 氣隙磁場FFT分解圖

4 數(shù)據(jù)對比

4.1 仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)設(shè)計方案進行樣機的生產(chǎn)試制，試制完成后對樣機進行性能測試，樣機如圖17所示。

圖17 電機試制樣機

仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比如表6和表7所示。

表6 雙層8極電機數(shù)據(jù)對比

表7 內(nèi)層4級電機數(shù)據(jù)對比

4.2 電機對比

所研究雙層結(jié)構(gòu)電機最終運行目標為4極感應(yīng)電機，雙層8極結(jié)構(gòu)負責電機的起動過程，起動后則可看作為一個4極電機在運行。因此，選擇一臺傳統(tǒng)的Y系列4極電機與所研究新型結(jié)構(gòu)電機進行效果對比。性能對比如表8所示。

表8 優(yōu)勢對比

5 結(jié) 語

通過ANSYS有限元仿真軟件對雙定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機進行電磁場以及電機起動性能的仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)特殊的雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得本文的感應(yīng)電動機起動時的轉(zhuǎn)矩電流比很大，在較小電流的情況下可輸出較大轉(zhuǎn)矩，同時具有多轉(zhuǎn)速運行的特點，適用于頻繁起動且起動轉(zhuǎn)矩較大的工況中。

(2)內(nèi)層電機中采用同心式正弦繞組，恰當?shù)剡x取了每槽導體數(shù)，按正弦規(guī)律分布槽電流。電機在穩(wěn)定運行時的效率較高，符合對于電機高效節(jié)能的設(shè)計要求。