三相鼠笼电机气隙对性能的影响分析

三相鼠笼电机气隙对性能的影响分析

王道元

摘要：感应电机的气隙大小直接影响电机运行的各项性能指标，是电机设计和优化过程中最为关注的参数之一。本文以一个三相笼型异步电动机为例，首先在Maxwell

Ansof t 电磁分析软件中建立感应电机有限元仿真模型，然后得出了在不同气隙大小情况下对气隙磁密、相反电动势、功率因数、附加损耗、效率和启动转矩的影响。

关键词：感应电机；气隙大小；功率因数；效率；

The Influence of Air-gap on the Performance Analysis of Induction Motor Abstract:Air-gap of induction motor which directly influences the performance of motor, is one of the most important indexes when design and optimizing motors. This paper sets up a model of three-phase squirrel-cage asynchronous motor，The Ansoft Maxwell software was used to have created a finite element simulation model of induction motor. Under different air-gap length, the air-gap magnetic field, back electromotive force, power factor,supplement losses, power efficiency and starting torque were influenced.

Key words:induction motor; air-gap length; power factor; power efficiency

1 引言

鼠笼电机因其转子绕组形状像一个鼠笼而得其名。由于其结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制等优点，是应用最为广泛的电机之一。而电机的气隙大小则对电机的性能和运行可靠性影响很大。因此，气隙对电机运行的影响研究日益重要。

气隙的大小取决于定子内径、轴的直径和转子铁心的长度。由于电机定、转子冲片的开槽和转子的旋转，气隙磁场并不是我们想要的理想正弦波磁场，所以气隙并不是越小越好或是越大越好，应该有最佳值。因此。电机气隙长度的选取显得极为重要，为此，需要直接进行电机电磁场的数值计算和分析[]31-。本文采用有限元法对三相笼型异步电动机电磁场进行数值计算,分析、计算了三相笼型异步电动机不同的气隙长度与气隙磁密、相反电动势、功率因数、附加损耗、效率和起动转矩的关系。

2 气隙长度的确定[]4

通常气隙δ选取得尽可能地小，以降低空载电流，因为感应电机的功率因数ϕ

cos主要取决于空载电流。但是气隙不能过小，否则除影响机械可靠性外，还会谐波磁场及谐波漏抗增大，导致启动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，进而造成较高温升和较大噪声。

气隙δ的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和转承间的转子长度。因为机座、端盖、铁心等在加工和装配时都有一定偏差；而轴的直径和轴承间的距离决定了轴的挠度；定转子装配在一起后。定子

铁心内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙的不均匀度，其值对电机运行性能有很大影响。

气隙的大小要综合上述两个方面，并根据生产经验和所设计电机的特点加以确定。

对于功率较小的电机，可用经验公式来求δ()m 单位为： ()31i 1074.03.0-⨯+=i l D δ (1) 式中 1i D —定子内经，单位为m ；

i l —铁心长度，单位为m 。

对于大、中型电机。16~22=p ,可用经验公式来求δ()m 单位为： 3110291-⨯⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+≈p D i δ (2) 式中 1i D 单位为m .

3 有限元仿真分析

在仿真分析中，一个完整的分析过程包括：创建模型、赋予材料属性、添加激励与边界条件、网格剖分、求解设置、求解和结果后处理。Ansoft Maxwell 的磁场分析包括静磁场分析、涡流磁场分析、瞬态磁场分析。为了方便对电机各部分损耗进行对比分析， 本文采用Ansoft Maxwell 中的Magnetic/Transient 分析模块。

3.1 电机模型及参数

三相异步电动机的工作原理：三相电源给定子绕组供电，产生以同步转速旋转的磁场，磁场相对于转子绕组转动，在转子绕组中感应电动势。转子绕组闭合，有电流流过，转子电流在磁场中受力并产生

电磁转矩，带动转子和负载旋转。

而本文所采用的是三相单鼠笼异步电动机，模型结构如图1所示。

图1 三相鼠笼异步电动机模型

电机主要参数如表1所示。

表1 电机主要参数

参数单位数值额定功率kW 11

额定电压V 380 相数 3

极对数 2

定子外径mm 260

定子内经mm 170

铁芯长度mm 155

定/转子槽数36/26

额定转速r/min 1462

转子外径mm 169

转子内径mm 60

3.2 仿真结果

本文所设计的是三相笼型异步电机，气定转子间的气隙是非均匀的，通过有限元仿真可求的电机在不同气隙长度下的相反电动势、效率、功率因数和转矩。电机效率曲线如图2所示：

如图2 电机效率曲线

如图2横坐标是电机的输入功率，纵坐标是电机的效率，从图中可以看出，随着气隙的不断变大，电机的效率越低。因为气隙越大，磁阻越大，在磁势一定的情况下，磁通变小，那么电机的效率就会降

低。[]8