传统电机和新型非晶电机性能的仿真对比

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摘要

针对传统硅钢电机耗电量大，并且在高频运转时因铁损急剧增加、铁芯温度迅速升高导致电机故障的问题，采用非晶合金材料代替硅钢材料制造新型感应电机。阐述运用 Ansoft软件对传统电机和非晶材料电机的定子和转子进行仿真比较，证实非品材料制作的电机具有节能、高效和较高安全性等优点。

电机是能耗很高的设备，传统材料及工艺制作的电机成本高且能耗大。传统硅钢电机在频率高于基频的情况下铁损急剧增加，铁芯温度迅速升高，常导致电机故障，电机能耗也非常高。因此，高效节能新型电机的研发势在必行。非晶合金是一种新型功能材料，它具有高饱和磁感应强度、低损耗及低矫顽力等优点，笔者运用非晶合金材料代替硅钢制造新型电机，并用Ansoft软件对这两种电机进行分析比较。

1 通过 Ansoft/Rmxprt进行电磁计算

Ansoft软件是融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用分析软件，是现代电机设计中的高级CAD工具之一。运用Ansoft/Rmx-prt对传统电机和非晶电机进行电磁计算，在相同尺寸和供电电源的条件下比较两种电机的输出特性，以充分证明两种电机在高效节能方面的差异。把非晶材料的特性加入到软件中进行分析，选取饱和磁感应强度为1.56T的非晶材料。

利用Ansoft软件，在设计定子铁心、定子绕组、转子铁心和转子笼型绕组等关键步骤中输入相关数据后，可以得到电机参数和性能曲线。

1.1 主要设计参数

基于4极感应电机Y132S-4的经典结构设计非晶材料做定子和转子的感应电机，其中定子和转子的冲片有相同的形状和尺寸。两种电机的主要参数如下：

额定输出功率 5.5kW 极数 4 额定电压 380V 绕组联结方式角型电机工作温度 75℃铁心长度 115mm 1.2 主要性能比较分析

非晶电机的输出功率与转速之间的关系特性与传统电机相同，笔者只给出效率与转速的关系特性曲线【1】。50Hz转速下传统电机和非晶电机的性能曲线如图1所示。

60Hz转速下传统电机和非晶电机的性能曲线如图2所示。

100Hz转速下传统电机和非晶电机的性能曲线如图3所示。

通过对非晶电机和传统电机在不同频率下的效率与转速关系曲线的比较可以看出，在最大效率处，非晶电机的效率要比传统电机的效率高10%左右，而且在不同频率最高转速下，非晶电机的效率明显高于传统电机。

1.3 损耗的比较分析

在Ansoft软件中输入不同频率下非晶电机和传统电机的参数，得到两种电机的额定损耗和空载损耗值。不同频率380V额定负载情况下，两种电机的损耗见表1，空载损耗见表2。

由于硅钢片在高频下损耗急剧增加且输出功率很小，所以Ansoft软件对300Hz转速以上传统电机无法进行仿真。因此笔者采用MATLAB对传统电机和非晶电机在高频下运转进行仿真，得到损耗曲线如图4所示。

在不同频率下，通过对两种电机的主要性能曲线、额定负载损耗及空载损耗等的比较分析可知，非晶电机和传统电机在体积相同的情况下，非晶电机有更大的输出功率和更高的效率。

2 运用 Ansoft/Maxwell2D对电机进行分析

2.1运行曲线比较分析

在Maxwell2D中建立电机的几何模型并加载材料以及边界条件，分别输入传统电机和非晶电机瞬态有限元分析所需要的串联总匝数、并联支路数、相电阻、端部漏抗、端环电阻、端环漏抗及转动惯量估计值等数据，得到电机几何模型和电机起动瞬态磁场分布图【2】。运用Ansoft软件对电机额定负载时的瞬态电磁场进行分析，得到非晶电机和传统电机的铁芯损耗随时间变化的运行曲线，如图5所示。