三相鼠笼异步电机热磁耦合分析及效率优化设计

论文摘要

提高效率是我国未来电机发展的必然趋势。但在提高效率的同时必须要保证电机的寿命和运行可靠性。电机运行时的温度对电机的寿命和运行可靠性有着直接而显著的影响,提高电机效率和对电机温度场的研究具有重要的工程意义。本文根据电磁场理论建立了三相鼠笼异步电机的场路耦合模型,对异步电机瞬态二维电磁场进行了计算,得到了电机的工作特性结果,并对启动过程中电机整体的磁场分布以及转子导条的电流密度变化进行了分析。当电机稳定运行时,磁力线较均匀的分布在定转子铁心内部,转子绕组电流密度分布均匀。而当电机启动时磁力线主要集中在临近转子表面较薄的一层内,定、转子齿端磁通密度很高,转子绕组电流密度沿径向逐渐变大,有明显的集肤效应。根据温度场理论建立了三相鼠笼异步电机定转子全域瞬态温度场模型,计算了电机在额定负载情况下的瞬态三维温度场变化,也对电机不同负载运行时的温度场以及影响温度场分布的因素进行了计算和分析。在电机启动开始阶段,定转子温度迅速升高,随后温升幅度逐渐减小直至达到稳定状态,整个过程中,转子导条温度始终高于定子绕组温度,最高温度出现在转子导条的轴向中心。当电机温升达到稳定后,定子区域的整体温度低于转子区域,而机壳表面的温度是最低的。转子铁心的轴向温差要大于定子铁心,而定子铁心的径向温差要大于转子铁心。电机整体的温度随着电机功率的增大而升高,但并不成线性增长的关系。散热翅的高度对电机温度场有较大的影响。用铸铜代替铸铝作为转子导条及端环可以有效降低转子区域的温度。对电机结构进行改进来提高效率,分析了相关改进措施对电机工作特性的影响,并对电机效率进行了优化。在槽满率允许的情况下,增大导线直径可以有效减少定子绕组铜损耗,提高电机效率。剪短定子绕组端部可调长度和减小气隙厚度也可以提高电机效率,同时减小气隙厚度有利于电机功率因数的提高,但会导致启动电流倍数的增大。适当增加铁心长度可以有效提高电机效率和功率因数,但会导致启动转矩倍数和最大转矩倍数减小。用遗传算法对电机进行效率优化,并结合模式搜索法再次进行效率优化,进一步提高了电机效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 电机电磁场研究现状
• 1.2.2 电机温度场研究现状
• 1.2.3 电机优化设计研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 三相鼠笼异步电机的电磁场有限元模型
• 2.1 正弦时变电磁场的微分方程
• 2.1.1 时变电磁场的方程
• 2.1.2 矢量磁位的方程
• 2.2 正弦时变电磁场的有限元分析
• 2.2.1 时变电磁场的变分
• 2.2.2 单元的剖分插值
• 2.2.3 单元分析
• 2.2.4 总体合成
• 2.2.5 边界条件
• 2.2.6 总体方程求解
• 2.3 本章小结
• 第3章 三相鼠笼异步电机的电磁场有限元计算
• 3.1 电机电磁场的场路耦合模型
• 3.1.1 电压方程和端部参数计算
• 3.1.2 电机的物理模型和基本参数
• 3.1.3 边界条件和假设
• 3.2 计算结果及分析
• 3.2.1 工作特性结果分析
• 3.2.2 磁场分布结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 三相鼠笼异步电机的温度场有限元分析
• 4.1 温度场计算的传热学基础
• 4.1.1 传热学的基本定律和导热微分方程
• 4.1.2 导热微分方程的边界条件
• 4.2 电机三维温度场物理模型
• 4.3 电机内的发热源
• 4.4 气隙处理及散热系数的确定
• 4.5 温度场计算结果及分析
• 4.5.1 电机额定负载稳态运行时的温度场
• 4.5.2 电机额定负载运行瞬态启动过程的温度变化
• 4.5.3 电机不同负载稳态运行时的温度场
• 4.5.4 电机温度场影响因素分析
• 4.5.4.1 机壳散热翅高度对电机温度场的影响
• 4.5.4.2 用铸铜作为转子导条及端环后电机的温度场
• 4.6 本章小结
• 第5章 三相鼠笼异步电机效率的改进及优化
• 5.1 效率提高措施
• 5.1.1 减少铁心损耗
• 5.1.2 减少定子绕组铜损耗
• 5.1.2.1 增大导线的直径
• 5.1.2.2 减短定子绕组端部可调长度
• 5.1.2.3 减小气隙厚度
• 5.1.2.4 增加定子铁心长度
• 5.1.3 减少转子导条铜损耗
• 5.1.3.1 用铸铜代替铸铝作为转子导条及端环
• 5.2 三相鼠笼异步电机效率的优化设计
• 5.2.1 电机的优化设计简介
• 5.2.2 优化设计的常用方法
• 5.2.2.1 无约束非线性优化问题的直接搜索法
• 5.2.2.2 有约束非线性优化问题的求解方法
• 5.2.2.3 近年来新的优化算法
• 5.2.3 用遗传算法对三相鼠笼异步电机进行效率优化
• 5.2.3.1 目标函数的选择
• 5.2.3.2 优化变量的选取
• 5.2.3.3 约束条件的处理
• 5.2.3.4 增广目标函数的构建
• 5.2.3.5 优化结果分析
• 5.2.4 采用混合遗传算法对三相鼠笼异步电机进行效率优化
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢