多相感应电机场路耦合时步有限元分析

第30卷第24期中国电机工程学报V ol.30 No.24 Aug.25, 2010

2010年8月25日Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 75 文章编号：0258-8013 (2010) 24-0075-06 中图分类号：TM 346 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40

多相感应电机场路耦合时步有限元分析

乔鸣忠，梁京辉，张晓锋，李珺

(海军工程大学电气与信息工程学院，湖北省武汉市 430033)

Field-circuit Coupled Time-stepping Finite Element Analysis for

Multi-phase Induction Motors

QIAO Ming-zhong, LIANG Jing-hui, ZHANG Xiao-feng, LI Jun (College of Electric and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei Province, China)

ABSTRACT: A field-circuit-motion coupled time-stepping finite element analysis (FEA) model was presented for analyzing the multi-phase induction motor especially for solving the problem induced by non-sinusoidal power supply. The high order harmonics was taken into account when the motor was driven by SPWM strategy. The finite element analysis involving control circuit and electromagnetic field was provided, and a moving air-gap boundary method combining motor motion equation was adopted to simulate the transient process of motor. The performance of a five-phase induction motor drive system is analyzed using the proposed model. It was proved that calculation results are very close to the measurement results. Compared with analytical and experimental results, the effectiveness of this method is testified which indicated that proposed method has considered the slot effect and the influence of ferromagnetic non-linearity, and it can also be used in the analysis on other types of inverter-driven multi-phase motors.

KEY WORDS: multi-phase induction motor; field-circuit coupled; time-stepping finite element; moving air-gap boundary method; inverter-driven

摘要：为解决多相感应电动机在非标准正弦供电时的场路耦

合分析问题，提出一种用于多相感应电动机的场路耦合运动

时步有限元分析方法。考虑变频器供电时SPWM波中的高

次谐波，给出控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元分析

方法，采用运动气隙边界法解决转子运动问题，与机械运动

方程相结合，可对电机的瞬态过程进行仿真。应用上述模型

对1台五相感应电动机及其调速系统进行分析，计算结果与

样机实验结果吻合较好。将解析法、场路耦合法的计算结果

与实验结果比较，表明场路耦合法能充分考虑电机齿槽效应

以及铁磁材料的非线性影响，与实验结果更接近。该方法也

可用于其他类型的多相电机逆变器供电的场路耦合分析。

关键词：多相感应电动机；场路耦合；时步有限元；运动气隙边界法；逆变器供电

0 引言

最初发展多相电机的目的是为了解决三相电机输出转矩低频脉动问题和提高系统可靠性[1]。19世纪90年代中期，船舶电力推进技术加速了多相电机及其驱动系统的发展[2-5]。由于多相感应电机需要由变频器供电，其输入电压或电流为一系列的PWM 波，其中含有大量的高次谐波，会影响电动机的性能，如导致转矩产生脉动，随之产生高次谐波损耗以及振动噪声等，故需对其进行场路耦合分析。

对多相感应电动机的分析方法有：T型等效电路法、电磁场解析法和有限元数值计算法。由于在结构和运行原理上与变压器有很多相似之处，通常可将感应电机看作是“旋转的变压器”，故有些文献将变压器的等效电路稍作修改后得到感应电机的T型等效电路；但这类模型不能真实反映多相感应电机的运行机理，其分析结果与实测相比存在较大误差。文献[6-9]采用电磁场解析法以及状态变量法对多相感应电机进行分析，该方法最大的缺点是无法准确计及铁磁材料磁导率非线性的影响。场路耦合法可考虑铁磁材料非线性以及电压和转矩中的高次谐波，该方法的分析结果更接近于实际情况。文献[10-11]对标准正弦供电下交流电机的场路耦合问题进行了分析，但这些方法并不适用于逆变器供电时的情况。文献[12]提出了一种耦合计算处理方法，但因其增加了一些变量使问题变得更复杂，且没有考虑多相电机由变频器供电时的高次谐波问题，其分析结果与实测结果相比存在较大误差。文献[13]提出了一种新型场路耦合运动时步有