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
如图3 电机功率因数曲线
如图3所示是电机功率因数曲线，横坐标是电机的输入功率，纵坐标是电机的功率因数。

从图中可以看出，随着气隙的逐渐变大，电机的功率因数逐渐减小[]7。

因为随着气隙增大，损耗变大，从而导致功率因数减小。

如图4 相反电动势计算波形
如图4所示是相反电动势计算波形，横坐标表示时间，纵坐标表示相反电动势。

在电机启动初期，气隙越大相反电动势逐渐减小，但是随着逐渐趋于稳定时，相反电动势不再随气隙大小而变化[]6。

如图5 气隙长度为1mm
如图6 气息长度为1.5mm
如图7 气隙长度为2mm
如图5、图6、图7所示是启动转矩曲线，从图形可以看出，随着时间的推移，转矩逐渐趋于稳定，由于转矩与转速成反比，当转速达到额定值时，电机的启动转矩也就将趋于稳定。

所以转矩最后趋于稳定。

然而随着气隙的逐渐增大，转矩变小，转速增大[]5。

从计算结果可以看出，气息对转矩和反电动势有影响，同时对效率和功率因数均有较大的影响。

气隙长度越小，反电动势越大，效率和功率因数也得到提高[]9。

但是气隙越小也会影响启动转矩，使启动转矩下降，从而影响电机性能。

因此气隙长度的选择需要综合考虑，
本文三相鼠笼异步电动机所选择的定转子气隙长度是1mm。

4 结束语
本文采用有限元法对三相鼠笼异步电动机电磁场进行数值计算,计算了电机在不同气隙长度下的相反电动势、功率因数、效率和起动转矩;并对本文设计的三相11 kW三相鼠笼异步电动机的空载相反电动势进行了数值计算和实验研究,结果表明气隙长度的选取对自起动实心转子永磁同步电动机的起动转矩、效率、功率因数等参数具有较大的影响,电机设计时应综合考虑各方因素来选择合适的电机气隙长度[]4。

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