张宝文，罗玲

（长安大学，陕西 西安 710129）

三相鼠笼式异步电机设计

Design of three-phase squirrel cage induction motor

张宝文，罗玲

（长安大学，陕西 西安 710129）

异步电动机发展趋势主要是高效率化、变频调速化、集成化和智能化、低噪声化，发展前景广阔。本文设计出一台1 100 W三相异步电动机，并进行了有限元软件的电磁场仿真和运动仿真，并进行了样机的空载与负载实验。从而验证，该直线电机电磁设计具有可行性。

异步电动机；设计；仿真；实验

异步电动机的发展趋势主要有四个方向，即高效率化［1～2］、变频调速化［3］、集成化和智能化［4～5］、低噪声化。本论文设计一台1 100 W三相异步电动机，采用等效磁路法对电动机进行电磁设计；应用MagNet电磁场仿真软件对设计方案的磁场和性能进行仿真分析；最后对样机进行实验，将电磁设计、仿真和实验结果进行对比分析。

1 主要尺寸设计

1.1 电机主要尺寸确定

电机的主要尺寸定子内径Di1

其中，P为极对数，V为电机有效体积，λ为主要尺寸比。

铁心有效长度ιef

气隙δ

图1 绕组连接图

定子绕组采用单层整距绕组，交叉式，节距1～7，2～8。如图1所示。因定子绕组为圆导线散嵌，故采用梨形槽，齿部平行。转子为获得较好的起动性能，采用平行槽。

1.2 磁路计算

其中，Fδ是波幅系数，φ是每极磁通，Aδ是一极下空气隙截面积。

每极磁势F0

其中，Fδ是气隙磁势，Fj2、Fj1分别是转子、定子轭部磁势，Ft1、Ft2分别是定子、转子齿部磁势。

满载磁化电流Im

气隙磁密Bδ

其中，m1是电机相数，N1是每相串联匝数，Kdp1是绕组系数。

1.3 参数计算

线圈平均半匝长ι0

其中， lB是直线部分长度， K 0是经验系数， τv是定子线圈节距。

空载时每极磁势F00

其中，Fδ是空载气隙磁势，Fj2、Fj1分别是转子、定子空载轭部磁势，Ft1、Ft2分别是定子、转子空载齿部磁势。

满载磁化电流Im0

1.4 设计结果

减少每槽导体数，使漏抗减小，起动总阻抗减小，就可以提高起动转矩；但这样的改动结果会使起动电流有所增加，功率因数略有降低，调整后满载电势标幺值偏差小于0.5%，起动电流倍数偏差小于3%，而且起动转矩倍数与最大转矩倍数均增加，但仍在误差范围内，即改变每槽导体数调整后，电磁参数达到了设计指标的要求。将样机1 100 W三相鼠笼式异步电动机的主要性能指标作为标准值，与电磁设计计算结果作一比较，如表1所示。

表1 主要性能指标与计算结果比较

最后方案的电机尺寸如表2所示。

表2 电机尺寸表

2 电机有限元仿真

几何模型在Auto CAD里面建立。通过画线、圆弧、圆或者它们之间的组合，生成封闭区域，形成2D几何模型，定子24个梨形槽，转子22个平底槽。将2维模型导入Magnet电磁场仿真软件里，进行纵向拉伸，转子和定子的轭部填充硅钢片DW310—35，导体处填充铜，然后设置默认边界条件，用空气包包住模型。用静态二维仿真来求解电机的电磁场，得到的图形如图2所示。

图2 生成实体后的截面图

2.1 定子齿中磁密

齿中磁密最大为1.5 T左右，一对极下，有2/3磁密比较大，为1.2 T，有1/6齿中磁密比较小，为0.2 T，平均为1.08 T左右；磁路计算时齿中磁密为1.05 T。

2.2 定子轭中磁密

轭中有1/3处磁密为1.66 T左右，另外1/3为1.2 T左右，剩下1/3为0.5 T，平均为1.12 T左右；磁路计算中轭部磁密为1.2 T。

2.3 转子齿中磁密

转子磁极处有2/5处为1.66 T，2/5处为1.15 T，1/5处为0.3 T，平均为1.18 T；磁路计算时转子齿部磁密为1.35 T。

2.4 转子轭中磁密

轭中有1/5处磁密为1.54 T左右，另外1/5为1.28 T左右，剩下3/5为1.4 T，平均为1.4 T左右；磁路计算中轭部磁密为1.41 T。

综上分析，发现仿真中的磁场强度和磁路计算中的磁场强度大致吻合。

对于有运动部件的模型，比如电机的转子，要有“Motion”特性。在Object窗口选择参与运动的实体，选择接近转子的一层气隙，转子，转轴，转子铸铝22个槽，再点击“Model^ Make Motion Componen”生成“Motion#1”。可以编辑运动部件的参数，如负载驱动/速度驱动，旋转运动/直线运动，负载大小或者转动惯量等参数。这里设置电压为220 V。转速最后稳定于9 000 deg/S，即1 500 r/min；电磁转矩为0 Nm。加载为7.29 N。额定负载转速为8 640 deg/S，即为1 440 r/min；电磁转矩为7.29 Nm。

3 样机实验

其中，P1为电源输入功率，∑P为电机总损耗。效率满足设计方案要求。用损耗分析法求出额定负载时的效率η

4 结语

本文设计了一台三相鼠笼式异步电机，并用有限元仿真软件Magnet进行了运动仿真，做了样机的实验，通过对比三种结果可知三者相吻合，设计结果可以满足规定的技术指标，从而证明了电磁设计的合理性和可行性。

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1009-797X（2016）04-0094-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.037

张宝文（1988-），女，硕士研究生学历，助理工程师，就职于长安大学现代工程训练中心，研究方向为电机与电器。

2015-12-30