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基于Ansoft RMxprt的三相异步电机设计分析


第2讲 基于Ansoft RMxprt的三 相异步电机设计分析
——电机的磁路设计法

RMxprtTM
RMxprtTM 是旋转电机专业设计软件,能快速计算各 种电机(感应电机、同步电机、电子或机械换向电机 等)的性能指标。RMxprtTM还能快速地对成百上千种 设计方案进行评估,并可对预选方案进行设计优化, 优化设计后的方案可根据模型

的对称性,自动生成合 理的二维 / 三维电磁场有限元分析模型。 RMxprtTM 为 工程人员在产品设计过程中及时地评估和平衡设计方 案提供了有效工具。

RMxprt概述
随着电机应用领域的不断拓展,工程设计人 员在产品小型化、高效率以及高性能方面面 TM 临越来越多的挑战。 RMxprt 帮助电机制造 者,在设计过程的初始阶段制定成百上千种 方案,同时对其性能进行评估,从中优选出 最佳、合理的设计方案。

RMxprt概述
具有Windows风格的桌面环境,采用专业的、模 TM 版化电机设计界面, RMxprt 运用经典电机分 析理论快速、准确地求解电机的转矩-转速特 性、损耗、气隙磁通、以及效率等重要特性曲 线及参数。集成的参数化分析和优化设计功能 使它成为快捷、高效的电机设计专用工具。

RMxprt概述
RMxprtTM 与 Ansoft 的 Maxwell集成在同一设 计环境中,设计者可单独使用 RMxprtTM , 也可将其优选出的设计方案自动生成二维 / 三维有限元分析模型,用Maxwell对电机进 行更精确的电磁场分析设计, 实现电机解析有限元自动设计流程。

特点
-Windows风格介面,模版化参数输入: 工作条件,几何尺 寸, 材料特性等 -基于经典的电机分析理论和等效磁路法的快速解析分析 -提供美国、中国材料库和公制、英制单位 -自动排列多种绕组型式或用户自定义任意绕组连接方式 -无刷电机、开关磁阻电机和永磁同步电动机的驱动线路 类型、控制方式及开关管参数可设定 -直流电机详细的换向器和电刷参数可设定 -输入数据自动验证功能

特点
-提供丰富的预设计电机模型库 -自动设计功能: 槽形尺寸、线圈匝数、线规、起动电容等 -求解时考虑材料非线性B–H特性、三维斜槽和端部效应 -参数化和优化设计功能: -尺寸等参数无需指定,可用一定变化范围的变量表示 -数据、图形、自定义结果输出模式 -多种负载种类

三相异步电机RMxprt设计(1) 项目建立

三相异步电机RMxprt设计(2) 模型建立

或双击项目管理树对应项,在屏幕上弹出 “Properties”窗口,输入模型数据后,点击“确定” 退出。

定子数据输入

Relative Permeability:相对 磁导率

simple: 导磁性能各向同性且 BH关系为线性;Value 值为1 Anisotropic : 导磁性能各向异性材料 需要输入三个方向的导 磁性能 X:T(1,1) Y:T(2,2) Z:T(3,3) Nonlinear: 导磁性能非线性

Bulk Conductivity:电导率 类型: Simple:各向同性 Anisotropic :各向异性

?

Magnetic Coercivity:磁矫顽力

Core Loss Type: 铁芯损耗类型 Electrical Steel:电工钢片

Power Ferrite:功率铁氧体

定子槽形

定子绕组

定子绕组端部数据和绝缘数据

定子绕组类型

转子数据

转 子 槽 类 型

转子槽形数据

转子铸铝绕组

轴材料设定(磁性、非磁性)

仿真设置

求解异步电机

结果查看

设计单

Three-Phase Induction Motor Design File: Setup1.res

GENERAL DATA
Given Output Power (kW): 11 Rated Voltage (V): 380 Winding Connection: Delta Number of Poles: 4 Given Speed (rpm): 1460 Frequency (Hz):50 Stray Loss (W): 110 Frictional Loss (W): 102 Windage Loss (W): 0 Type of Load: Constant Torque Operating Temperature (C): 75

STATOR DATA
Number of Stator Slots: 36 Outer Diameter of Stator (mm): 260 Inner Diameter of Stator (mm): 170 Type of Stator Slot: 2 Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 0.8 hs1 (mm): 0.975 hs2 (mm): 15.83 bs0 (mm): 3.8 bs1 (mm): 7.28 bs2 (mm): 10.05 Top Tooth Width (mm): 7.86988 Bottom Tooth Width (mm): 7.86977

STATOR DATA
Length of Stator Core (mm): 155 Stacking Factor of Stator Core: 0.98 Type of Steel: 50DW470 Number of lamination sectors 0 Press board thickness (mm): 0 Magnetic press board No Number of Parallel Branches: 1 Type of Coils: 11 Coil Pitch: 5 Number of Conductors per Slot: Number of Wires per Conductor: Wire Diameter (mm): 1.291 Wire Wrap Thickness (mm): 0.04

29 2

STATOR DATA
Wedge Thickness (mm): 2 Slot Liner Thickness (mm): 0.3 Layer Insulation (mm): 0 Slot Area (mm^2): 185.272 Net Slot Area (mm^2): 151.148
Slot Fill Factor (%): 67.98 Limited Slot Fill Factor (%): 75 Wire Resistivity (ohm.mm^2/m): 0.0217 Top Free Space in Slot (%): 0 Bottom Free Space in Slot (%): 0 Conductor Length Adjustment (mm): 0 End Length Correction Factor 1 End Leakage Reactance Correction Factor 1

ROTOR DATA Number of Rotor Slots: 26 Air Gap (mm): 0.5 Inner Diameter of Rotor (mm): Type of Rotor Slot: 2 Dimension of Rotor Slot hs0 (mm): 0.5 hs1 (mm): 0.95 hs2 (mm): 25 bs0 (mm): 1 bs1 (mm): 4.8 bs2 (mm): 4.8 Cast Rotor: Yes Half Slot: No

60

ROTOR DATA
Length of Rotor (mm): 155 Stacking Factor of Rotor Core: 0.98 Type of Steel: 50DW470 Skew Width: 1 End Length of Bar (mm): 0 Height of End Ring (mm): 28.5 Width of End Ring (mm): 15 Resistivity of Rotor Bar at 75 Centigrade (ohm.mm^2/m): 0.0263158 Resistivity of Rotor Ring at 75 Centigrade (ohm.mm^2/m): 0.0263158 Magnetic Shaft: No

MATERIAL CONSUMPTION
Armature Copper Density (kg/m^3): Rotor Bar Material Density (kg/m^3): Rotor Ring Material Density (kg/m^3): Armature Core Steel Density (kg/m^3): Rotor Core Steel Density (kg/m^3): 8900 2689 2689 7800 7800

Armature Copper Weight (kg): 7.80991 Rotor Bar Material Weight (kg): 1.43372 Rotor Ring Material Weight (kg): 1.00758 Armature Core Steel Weight (kg): 28.11 Rotor Core Steel Weight (kg): 19.152 Total Net Weight (kg): 57.5132 Armature Core Steel Consumption (kg): Rotor Core Steel Consumption (kg): 55.0598 26.8931

RATED-LOAD OPERATION
? ? ? ? ? ? ? ? ?

Stator Resistance (ohm): 0.926082 Stator Resistance at 20C (ohm): 0.761777 Stator Leakage Reactance (ohm): 2.11611 Rotor Resistance (ohm): 0.530839 Rotor Resistance at 20C (ohm): 0.436658 Rotor Leakage Reactance (ohm): 5.4719 Resistance Corresponding to Iron-Core Loss (ohm): 1918.47 Magnetizing Reactance (ohm): 99.6363

?
? ? ? ?

Stator Phase Current (A): 12.0556 Current Corresponding to Iron-Core Loss (A): 0.186727 Magnetizing Current (A): 3.59539 Rotor Phase Current (A): 10.7566

RATED-LOAD OPERATION
? ? ? ? ? ? ? ?

Copper Loss of Stator Winding (W): Copper Loss of Rotor Winding (W): Iron-Core Loss (W): 200.675 Frictional and Windage Loss (W): Stray Loss (W): 110 Total Loss (W): 1001.82 Input Power (kW): 12.1174 Output Power (kW): 11.1156

403.784 184.262 103.101

?

?
? ? ?

Mechanical Shaft Torque (N.m): 71.9265 Efficiency (%): 91.7324 Power Factor: 0.873688 Rated Slip: 0.0161591 Rated Shaft Speed (rpm): 1475.76

NO-LOAD OPERATION
?
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No-Load Stator Resistance (ohm): 0.926082 No-Load Stator Leakage Reactance (ohm): 2.1167 No-Load Rotor Resistance (ohm): 0.530608 No-Load Rotor Leakage Reactance (ohm): 5.47774
No-Load Stator Phase Current (A): 3.74302 No-Load Iron-Core Loss (W): 216.191 No-Load Input Power (W): 469.962 No-Load Power Factor: 0.0843587 No-Load Slip: 0.000134133 No-Load Shaft Speed (rpm): 1499.8

? ?

?
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BREAK-DOWN OPERATION
? ?

?
?

Break-Down Slip: 0.07 Break-Down Torque (N.m): 155.229 Break-Down Torque Ratio: 2.15816 Break-Down Phase Current (A): 34.6863

LOCKED-ROTOR OPERATION
?

?
? ?

Locked-Rotor Torque (N.m): 51.8262 Locked-Rotor Phase Current (A): 53.1066 Locked-Rotor Torque Ratio: 0.720545 Locked-Rotor Current Ratio: 4.40514
Locked-Rotor Stator Resistance (ohm): Locked-Rotor Stator Leakage Reactance (ohm): 2.11318 Locked-Rotor Rotor Resistance (ohm): Locked-Rotor Rotor Leakage Reactance (ohm): 5.01715 0.926082 1.07639

? ? ? ? ? ?

DETAILED DATA AT RATED OPERATION
?
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?
? ? ?

Stator Slot Leakage Reactance (ohm): 0.83535 Stator End-Winding Leakage Reactance (ohm): 0.523713 Stator Differential Leakage Reactance (ohm): 0.757046 Rotor Slot Leakage Reactance (ohm): 2.12948 Rotor End-Winding Leakage Reactance (ohm): 0.191323 Rotor Differential Leakage Reactance (ohm): 2.17061 Skewing Leakage Reactance (ohm): 0.98048

DETAILED DATA AT RATED OPERATION
?

Stator Winding Factor:

0.959795

? ? ?

?
?

Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 1.39626 Rotor-Teeth Flux Density (Tesla): 1.26883 Stator-Yoke Flux Density (Tesla): 1.32576 Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): 1.20521 Air-Gap Flux Density (Tesla): 0.725873 Stator-Teeth Ampere Turns (A.T): 10.4835 Rotor-Teeth Ampere Turns (A.T): 7.73997 Stator-Yoke Ampere Turns (A.T): 19.3268 Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T): 3.6677 Air-Gap Ampere Turns (A.T): 365.746

?

?
? ? ?

DETAILED DATA AT RATED OPERATION
? ? ?

?
? ? ?

Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Stator Yoke:0.532743 Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Rotor Yoke: 0.45931 Saturation Factor for Teeth: 1.04983 Saturation Factor for Teeth & Yoke: 1.1127 Induced-Voltage Factor: 0.942715

DETAILED DATA AT RATED OPERATION
? ? ?

Stator Current Density (A/mm^2): Specific Electric Loading (A/mm): Stator Thermal Load (A^2/mm^3):

4.60486 23.5663 108.519

? ?

Rotor Bar Current Density (A/mm^2): 3.13337 Rotor Ring Current Density (A/mm^2): 2.02602 Half-Turn Length of Stator Winding (mm): 321.058

? ?

WINDING ARRANGEMENT
?

The 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 18 slots as below: AAAZZZBBBXXXCCCYYY
Average coil pitch is: 7.66667

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? ? ?

Angle per slot (elec. degrees): 20 Phase-A axis (elec. degrees): 110 First slot center (elec. degrees): 0

TRANSIENT FEA INPUT DATA
? ? ? ? ? ? ? ? ?

?
? ? ?

For one phase of the Stator Winding: Number of Turns: 174 Parallel Branches: 1 Terminal Resistance (ohm): 0.926082 End Leakage Inductance (H): 0.00166703 For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side: Equivalent Ring Resistance (ohm): 1.0376e-006 Equivalent Ring Inductance (H): 3.25701e-008 2D Equivalent Value: Equivalent Model Depth (mm): 155 Equivalent Stator Stacking Factor: 0.98 Equivalent Rotor Stacking Factor: 0.98 Estimated Rotor Inertial Moment (kg m^2): 0.0968218

进入2D有限元计算

计算完毕,查看结果

Ansoft LLC
200.00

Torque

Maxwell2DDesign1
Curve Info Moving1.Torque Setup1 : Transient

100.00

Moving1.Torque [NewtonMeter]

0.00

-100.00

-200.00

-300.00

-400.00 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00

Ansoft LLC
150.00

XY Plot 1

Maxwell2DDesign1
Curve Info Current(PhaseA) Setup1 : Transient

100.00

Current(PhaseB) Setup1 : Transient Current(PhaseC) Setup1 : Transient

50.00

Y1 [A]

0.00

-50.00

-100.00

-150.00 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00

Ansoft LLC
3.00

XY Plot 2

Maxwell2DDesign1
Curve Info FluxLinkage(PhaseA) Setup1 : Transient

2.00

FluxLinkage(PhaseB) Setup1 : Transient FluxLinkage(PhaseC) Setup1 : Transient

1.00

Y1 [Wb]

0.00

-1.00

-2.00

-3.00 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00

Ansoft LLC
600.00

XY Plot 3

Maxwell2DDesign1
Curve Info InducedVoltage(PhaseA) Setup1 : Transient

400.00

InducedVoltage(PhaseB) Setup1 : Transient InducedVoltage(PhaseC) Setup1 : Transient

200.00

Y1 [V]

0.00

-200.00

-400.00

-600.00 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00

Ansoft LLC
1378.00

XY Plot 4

Maxwell2DDesign1
Curve Info Moving1.Speed Setup1 : Transient

1377.50

Moving1.Speed [rpm]

1377.00

1376.50

1376.00

1375.50 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00

堵转转矩计算

Ansoft LLC
600.00

Torque
Curve Info

Maxwell2DDesign1

500.00

Moving1.Torque Setup1 : Transient

Moving1.Torque [NewtonMeter]

400.00

300.00

200.00

100.00

0.00

-100.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 Time [ms] 250.00 300.00 350.00


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