摘要 RMxprt是基於電機等效電路和磁路的設計理念來計算、仿真各種電機模型，具有建立模型簡單快捷、參數調整方便等優點，同時具備一定的設計精度和可靠性。針對如何才能更好地計算仿真三相異步電動機，求解二維和三維有限元件這一問題。文中以一臺三相異步電動機為藍本，分析RMxprt模塊在三相異步電動機的2D電磁場的應用。將實驗計算結果與有限元結果進行橫向對比，誤差僅0.366 2%，符合工程需要。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306590.htm電機設計有近百年的歷史，在電機性能和指標不斷提高的同時，電機設計手段也有了較大幅度的改進，這其中一直秉承電機設計傳統的是基於電機等效電路和磁路法的設計方法。等效電路和磁路法設計，簡單快捷，且具備一定的設計精度，至今仍是電機領域的主要設計方法之一。
AnsoftV12版本中，除了二維、三維電磁場計算外，還嵌入了RMxprt電機分析模塊，該模塊正是基於等效電路和磁路的計算方法。
電場計算在一些高壓領域、絕緣材料領域、電機變壓器領域等都受到重視。電場作為電磁場的一個統一整體，相對於磁場計算來講，其發展稍顯緩慢。在新版 AnsoftV12中，電場計算模塊仍無法進行非線性材料的計算，而對於磁場，非線性材料中的磁場分布已較為成熟。對電場計算的研究不僅是理論層面的深入需求，也是實際應用的需要。
1 RMxprt在三相異步電動機中的應用
1.1 工程模型描述
本文選取的三相異步電機型號為Y160M-4，先在RMxprt模塊中建立基本電機模型，再送入Maxwell2D中進行有限元分析，其基本尺寸及繞組參數如圖1所示。
該電機的定子和轉子鐵心軸向長度為155 mm，鐵心材料採用熱軋矽鋼片D23。定子繞組採用三相60°相帶，線規為φ1.3 mm銅線，2股並繞作為一匝，每槽28匝，單層繞組，節距為1.9，定子繞組採用三角形接法。電機額定功率為11 kW，4極，同步轉速為1 500 r·min-1，三相電壓源為380 V，50 Hz。轉軸採用不鏽鋼材料，機座採用鑄鐵材料，兩者均不導磁，不作為電機的主磁路部分。
現利用RMxprt電機分析模塊對Y160M-4電機進行建模和基於T型等效電路的性能分析。
1.2 三相異步電機數學模型
(1)按照派克方程，靜止α、β坐標系下交流電機數學模型如下定子電壓方程
(2)按轉子磁場控制，以定子α、β軸相電流，轉子α、β軸磁鏈和轉子電氣角速度ωr為狀態變量，得到如下數學模型
式中，P為微分算子;isα、isβ分別為α、β軸相電流;ψrα、ψrβ分別為α、β軸相磁鏈;urα、urβ為經三相/兩相坐標系變換後的定子兩相輸入電壓;σ為電機漏感係數;Ls、Lr、Lm分別為定子電感、轉子電感、定子與轉子之間的互感;Rs、Rr分別為定子電阻、轉子電阻。
轉矩方程
式中，ω，為轉子電氣角速度;Tc為交流電機電磁轉矩;np為負載轉矩;為交流電機極對數;J為轉動慣量。
(3)對電流方程式(4)進行變換，結果如下
2 三相異步電動機仿真
2.1 Y160M-4電機的仿真設定
在菜單欄中選擇RMxprt/Analysis Setup/Add Solution Setup選項，輸入全部電機仿真狀態參數開始仿真。仿真參數的設定至關重要，這意味著將要計算前面輸入的電機模型在該狀態下的工況，通常是將額定工作狀態設定為分析對象。表1中為三相異步電機的具體仿真參數設置。
2.2 三相異步電機的仿真結果
從圖2中可以看到整個電機的起動過程和主要參數隨轉速的變化規律。
3 RMxprt模塊與Maxwell2d的耦合
運行Y160M-4的RMxprt項目文件，單擊RMxprt/Analysis Setup/Creat Maxwell Design。
電機自動生成了模型、邊界條件、激勵源、網格剖分和仿真設置等選項。轉子在額定轉速時，即1 462.9 r·min-1下的恆速運行，模擬額定速度下三相繞組電流和轉子上的電磁轉矩。圖3給出的是電磁轉矩曲線，圖4給出的是三相電流曲線。
在轉矩曲線中可明顯地看到計算開始的瞬間，電磁轉矩有一個負向的極大轉矩衝擊，這在正常的電機運行中是不會出現的，因轉子為恆轉速運行，故軟體所給的工況是轉子在0時刻前已經被拖至額定轉速，然後在0時刻突然加電。實際中的電機均為從0轉速升速至額定轉速。所以該計算方法僅取穩定後的轉矩數值作參考，前半段計算無真實工況與之對應。需要說明的是採用該計算方法電機穩定時間短，所需計算時間也較少，所以在計算瞬態工作點時經常被使用。
圖5給出的是最後時刻的電機磁力線和磁密分布圖，為了對比明顯，在此將磁力線顏色調至單色調。
在計算瞬態過程前，需要設置計算時間及步長，可設定計算時間為0.2 s，計算步長為0.000 2 s。網格剖分軟體已自動給出，周期邊界條件也相應給出。
4 結束語
將有限元結果與RMxprt的磁路計算結果作橫向對比，在RMxprt中額定工作點下，電機的輸出機械轉矩71.807 1 N·m。在Maxwell2D中取轉矩曲線最後一個電周期，可得電磁轉矩為74.363 N·m。與RMxprt相比較，電磁轉矩要高於實際機械轉矩，若扣除風磨損耗和機械耗，則有限元算法的機械轉矩為72.071 N·m，與RMxprt的計算結果極為接近，誤差僅為0.366 2%，完全滿足工程需要。
將電流也作橫向對比，RMxprt計算的三相額定電流的有效值為12.516 3 A，對於有限元結果，同樣取最後一個電周期內的電流，在此取最後一個電周期中的A相電流，B、C相認為與A相的有效值完全相同。將一個周期內的A相電流按照有效值計算方法計算可得A相電流有效值為12.674 9 A，電流誤差為1.3%，比轉矩誤差小。
通過電機轉矩和相電流的橫向對比可看出，RMxprt模塊與Maxwell2D模塊的計算結果接近，即得以相互印證。