低速大转矩永磁电动机电磁场与温度场数值分析吴兴刚

吴兴刚

（浙江省嘉兴市博远机电（嘉兴）有限公司浙江嘉兴314001）

摘要：本文，运用ANSYS软件对低速大转矩电动机在堵转状态时的定、转子整体进行电磁场分析，全面细致的了解电机故障堵转时电磁场分布状况。从电机定、转子电磁场可以看出，由于堵转时电机的定子电流不断上升，电机磁通密度饱和不断加深。这说明所建立的模型和使用方法是可行的。

关键词：低速大转矩；永磁电动机；电磁场与温度场；数值分析

1国内外研究现状

近些年来，国内外许多学者针对电机内电磁场、温度场及祸合场等问题做了大量的研究，并取得了很大的成就，得到了大量符合工程实际的结论。这些成果为本课题进行的永磁同步电机电磁场及温度场的数值计算提供了工程数据和理论依据。

在电磁场计算方面，1873年麦克斯韦在前人的基础上，总结出了麦克斯韦方程组，建立了电磁场理论。但由于电机内部由不同介质如铜、铝、铁、空气和水等组成，而且交界面形状复杂以及材料具有非线性的特性，导致开始阶段仅有几种问题能用麦克斯韦方程组求解。这方面的文章主要是在1900年Carter利用解析法中的保角变换的方法分析了电机气隙及槽部磁场，提出了著名的气隙系数。文中提出了计算凸极电机气隙磁场的几个系数，对这类电机的设计做出了很大贡献。由于实心转子电机结构简单，适合用解析法求解，因此国内外学者在这方面也做了很多研究，发表了一批这方面的文章。

随着大转矩电机的广泛应用，低速大转矩永磁电动机也逐渐成为该行业的发展的必然趋势。当电机发生短时堵转时，电机内部温度分布以及局部温度高的问题也是需要分析解决的必然问题，对短时堵转的电机内部温度分布进行分析可提高电机的过载能力，提高电机运行的可靠性。因此分析电机在堵转运行时温度分布情况是十分重要的。要了解这种状态下的温度分布首先要分析此时的电磁场分布的情况。本文以一台3相10极低速大转矩电动机机为例，分析该电机堵转时的电磁场及温度场。为了更全面的考虑电机非线性及结构的复杂性，本文首先采用场路耦合的方法计算电机的二维电磁场，只有在准确电机电磁场的基础上，才能准确计算电机的各种损耗，进而求解此时电机三维温度分布。

2堵转时的电磁场分布

2.1场路耦合分析

本文采用场路耦合法对电机堵转时的电磁场进行分析，电机的直线部分和端部分开研究。在永磁电机等效电路中阻抗不改变的前提下,来模拟电机端部的漏磁，同时为了计及谐波的影响，采用电感模拟定子谐波漏抗。其中定子线圈端部相电阻计算公式为：

由图3、图4可以看出，电机负载运行时磁力线分布规律，磁力线垂直通过气隙，当堵转时磁力线扭曲相当严重。这种现象产生的主要原因是电机绕组电流比额定电流大很多，导致铁心饱和严重，磁力线发生扭曲变形。定子铁心的过饱和导致磁通密度的急剧增加，而铁心损耗与磁通密度的平方成正比，致使铁心温度升高进而降低铁心的磁导率，进一步导致磁力线的变形，堵转时间越长磁力线变形越严重，致使电机发热。然而绕组的发热又与电流的平方成正比，致使绕组的温度升高。同时永磁体随温度的升高磁性能降低，这将导致定子电流的增加。因而在堵转时的磁力线分布是一个瞬时值，它会随着电机的堵转时间的变化而变化，直至电机绕组烧毁。

3结论

众所周知,除少数高速轻载机械外,大部分的重载机械都必须先经过减速,才能满足各种特定的技术条件,这就势必在动力源与执行机构之间添加一个中间环节,即减速器。但这将使整机体积增大、噪声增多、机械效率降低、制造成本提高,给生产带来很多不利因素。因此,低速大转矩直接驱动电动机作为传统电动机和减速机的替代产品受到很大的重视,特别是在数控机床及自动控制等领域得到了广泛应用。

低速大扭矩直驱电机需很大的起动转矩才能满足工况的运行条件，为降低低速大扭矩直驱电动机的起动电流，采用变频起动是未来发展的方向。

参考文献：

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