DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2011.04.020 ·83· 煤 矿 机 电 2011 年第 4 期 三相感应电动机的有限元分析 袁星 ( 河南理工大学 电气学院，河南 焦作 ) 454000 摘 要: 构建三相感应电动机模型，分析电磁场的数学模型，提出了基于有限元分析软件 MagNet 对三相感应电动机的仿真建模方法。利用 MagNet 软件建立三相感应电动机 2D 仿真模型，对电磁 场分布进行 2D 瞬态磁场仿真，对电动机的起动性能进行 2D 动态仿真，仿真曲线表明三相感应电 动机起动速度快运行平稳，分析结果表明该电动机设计是切实可行的。 关键词: 中图分类号: MagNet 软件; 有限元分析; 文献标识码: 文章编号: 1001 － 0874( 2011) 04 － 0038 － 03 2D 瞬态仿真; A 2D 动态仿真 TM154 Finite Element Analysis of Three-Phase Induction Motor ( : ， College of Electrical and Automation Engineering Henan Polytechnic University YUAN Xing ， ， Jiaozuo 454000 ， China ) Abstract Building three-phase induction motor model and analyzing the mathematical model of electromagnetic field the simulation modeling method of three-phase induction motor is proposed based on finite element analysis MagNet software． The 2D simulation model of three-phase induction motor is established by MagNet software and carries on 2D transient magnetic field for electromagnetic field distribution． The starting performance of motor process 2D dynamic simulation the simulation curve shows that the starting speed of three-phase induction motor ， runs smoothly and the analysis results indicates that the motor design is feasible． ; : ; ; finite element analysis 2D transient simulation MagNet software Keywords 2D dynamic simulation 1 三相感应电动机的模型构建 1． 1 电动机模型 利用 Autocad 其输出功率选取 7． 5 kW 软件，构建了图 的电动机模型， 1 ，具体设计参数见表 相数 极对数 表 1 三相感应电动机设计参数 定子 槽数 转子 槽数 定子外径 额定转速 / r·min － 1 / mm / mm 转子外径 3 4 36 26 1 500 260 170 1。  × H = T + D t 式中: 图 1 电动机模型 E——— B——— D——— H——— 1． 2 电场分析的数学模型 电磁场内在规律由麦克斯韦方程组表达如下: J——— ρ——— － B  × E = t  × B = 0  × D = ρ ; 电场强度， V / m 磁感应强度， ; T 电位移矢量， C / m2; 磁场强度， 电流密度， 电荷密度， ; A / m A / m2; C / m3 。 铁心长度 / mm 130 ( ) 1 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 4 期 煤 矿 机 电 ·93· 2D 采用 电磁场分析模型，其矢量场位近似认 为只有轴向分量，只研究与电动机轴垂直的横截面 一般电流被认为是已知的并恒定不变，无感 磁场 应的涡流，电磁场方程为: 。 ( ) = － J ( ) 2 ( ) ν ν +  y A y   A x x  磁阻率; 电流密度; 矢量磁位的轴向分量 式中: ν——— J——— A——— 有限元法与式( ( ) A W 式中: B——— 2 。 ) 相应的泛函数为: [ = Ω ∫ 磁通密度; 磁场区域 Hd ] 0 ν B － JA dΩ + ∫t1 H1 Ads ( ) 3 Ω——— 利用 。 导入由 。 MagNet MagNet Autocad 画的电动机模型， 在电动机模型中添加相应的材料，以及完成参数设 定和绕组的连接，构造三相感应电机 有限元 仿真模型 有限元法的基本思想是将问题的求解区 域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点连接; 单 元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数 关系插值求得，然后将各个单元的方程组合在一起 形成总的代数方程组，记入边界条件后即可对方程 单元划分越细，计算结果就越精确，花费的 组求解 为了求解的精确性，区域划分 计算时间也就越长 网格需更加细致，电动机模型有限元网格图见图 。 。 2。 大致可以分为: 转子内的磁场，铁心中的磁场，极 间漏磁场与槽内漏磁场，绕组端部漏磁场以及气隙 铁心和气隙磁场为主磁场，其它为 磁场 。 、 漏磁场 仿真工具对电动 机电磁场进行瞬态仿真，等磁势分布见图 其中转子 软件瞬态 MagNet 利用 2D 。 3。 图 3 三相四极感应电机等磁势分布图 由图 可见，电磁场分布无明显磁场涡流和漏 3 磁，电磁损耗低，效率高，有利于电动机稳定运行 。 2． 2 电动机 在原来的电动机仿真模型中添加动子进行 动态分析 2D 4 。 看出，在电动机空载起动时， 电动机空载时的电磁转矩见图 2D 动态仿真，主要对电动机起动时的电磁转矩和速度 进行性能分析 4。 以后电磁 由图 转矩幅值基本趋于 仿真 结果表明，该电动机空载起动时电磁转矩响应快，电 动机空载稳定，运行时所需时间短 为电动机 空载时每秒转的角度，电动机起动时要考虑机械参 数的变化，由于是模拟起动过程，故将初始角速度设 置为零 ，无明显电磁转矩脉动 电动机的转速为: 0． 3 s 图 。 。 0 5 。 每秒转的角度 n = 360° × 60 观察曲线可知，该电动机大约在 0． 2 s 达到平稳，起动结束，故分析时间段设定在 完全模拟起动过程 了额定转速 快，并在 左右转速 ，可 电动机速度已经上升到 0． 2 s 左右，可见电动机起动速度 以后，电动机以恒定速度稳定运行 1 500 r / min 0． 4 s 在 。 0． 2 s 。 图 2 三相感应电机有限元网格图 2 仿真及动态分析 3 结语 2． 1 电磁场的瞬态仿真 当电动机运行时，内部空间包括铜和铁所占的 空间区域，此时的电磁场是有定 转子电流共同产 生 电动机中电磁场在不同介质中的分布﹑变化以 及与电流的交链情况，决定了电动机的运行状况与 从电动机内的电磁场分布区域以及其作用， 性能 。 、 。 Autocad 通过利用 软件构建了电动机模型，利用 软件对电动机模型进行有限元仿真，不仅有效 MagNet 地仿真了三相感应电动机的电磁转矩和转速空载起动 时的变化情况，得到仿真结果数据，而且通过仿真结果 的分析，实现了对三相感应电动机的性能优化 。 ( 下转第 页) 42 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·24· 煤 矿 机 电 2011 年第 4 期 图 3 基于改进型模糊神经网络的主蒸汽温系统 。 多变量系统控制规则优化，以及智能控制 系统辨识 、 该算法具有可扩展性，可以与各种控 参数优化等 文献［ ］ 制相结合形成互补取得更好的控制效果 。 9 将遗传算法与模糊控制结合起来，利用遗传算法对 模糊子集进行划分，并根据隶属度函数的特点，提出 一种经过改进的编码方式和交叉算子，加快了其收 敛速度，实现对模糊控制的优化，使系统具有优良的 用该方法对锅炉过热汽温进行仿真，结 控制性能 果表明基于遗传算法的模糊控制优化方法是行之有 效的 。 。 3 结语 本文分析了电厂主蒸汽温度的应用现状，介绍 了模糊控制，神经网络，模糊神经网络，遗传算法等 实际情况表明，智能控制策略 各种智能控制方法 在主蒸汽温度控制中具有很大的应用潜力 目前各 种控制技术大部分仍处于实验仿真阶段，如何将这 些方法推广应用于实际工程控制中，已成为今后的 工作重点 。 。 。 参考文献: ［ ］ 刘红波，李少远 1 科学出版社， 2005． 火电机组先进智能控制及其应用［ ］ ． M ． 北京: ］ 吴吕斌，罗自学，周怀春，等 ［ 2 电站系统工程， ］ 研究［ J ． ［ ］ 陈立军，周正兴，赵丽丽 3 ． ． 主汽温控制现状及其新方法应用 ( 2009 先进控制策略在火电厂热工控制中 1 ) ． ］ 的应用［ J ． 东北电力大学学报， ( ) 2009 1 ． ［ ］ 张洁琦，刘弘 4 ． 神经 ］ 控制在电厂主汽温控制中的应用［ J ． PID 计算机工程与应用， 2006 ［ ］ 曾光奇，胡均安，王东，等 5 ． ( 汉: 华中科技大学出版社， ) ［ ］ 李建军，姜东娇，马志杰 6 ． 2006． 模糊 ． 30 模糊控制理论与工程应用［ ］ ． M 武 控制在主汽温控制系统中 ) PID ( ］ 的应用［ J ． 东北电力技术， 2008 10 ． ［ ］ 荣雅君，窦春霞，袁石文 7 ． 过热汽温模糊神经网络预测控制器 ］ 的设计［ J ． 中国电机工程 学报， ( ) 1 ． 2003 ［ ］ 平玉环，于希宁，孙剑 8 ． 模糊神经网络在主汽温控制系统中的 ］ 应用［ J ． 工程控制技术， ( ) 8 ． 2010 ［ ］ 顾峻，沈炯，陈来九 9 ． 东南大学学报， ］ ［ J ． 作者简介: 刘璐璐( 为智能控制与信息处理技术。 1985 － 遗传算法对模糊控制的优化及其应用 ( ) ． 11 1998 ) ，女，在读硕士研究生。主要研究方向 ( 收稿日期: 2011 － 04 － 04 ; 责任编辑: 姚克 ) 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接第 页) 39 图 4 空载时电磁转矩曲线 参考文献: ［ ］ 李刚，刘兴斌，王景辉 1 仿真方法［ ］ ． J 基于 防爆电机， ． ( ) 6 ． 2009 Maxwell2D 三相异步电动机有限元 ． ［ ］ 贺建忠 2 ［ ］ 叶光辉 3 作者简介: 袁星( 应电动机性能分析。 ． ］ 三相感应电动机有限元分析［ ( 2009 J ． ］ 多相感应电机的设计研究［ 长沙: 湖南大学， D ． 电机技术， 2007． ) ，男，在读硕士研究生。研究方向为三相感 1985 － ) 6 ． 图 5 空载时速度曲线 ( 收稿日期: 2011 － 02 － 18 ; 责任编辑: 姚克) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net