小型单线圈罩极感应电动机2D和3D分析

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1全长文章单相罩极异步电动机Adem Dalcalia，*，Mehmet Akbababa土耳其Karabük，Karabük大学电子电气工程系b土耳其卡拉比克卡拉比克大学计算机工程系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：2015年2月19日收到2015年4月15日收到修订版，2015年2015年6月26日在线发布保留字：罩极式感应电动机2D和3D有限元分析性能一直以来，人们对小型电机的二维分析的准确性存有疑问。为了研究这种怀疑的有效性，在本工作中的小型单线圈罩极感应电动机进行了分析，在2D和3D的结果进行了比较。为了保持纸张尺寸紧凑，分析仅限于气隙磁通密度分布、主绕组电感对电流的变化据发现，虽然3D分析消耗几倍的计算时间和存储空间，通过使用3D分析实现的性能改善不是很显著。两种情况之间的% rms差异对于主绕组电感为0.76%，对于作用在转子体上的力为0.59%。此外，从两种类型的分析得到的气隙中的电子束密度分布被发现是非常接近彼此。因此，可以得出结论，尽管在3D分析的情况下，更多的计算时间，更多的存储要求和更多的人力，但改进的程度不是成比例地有益的，因此，2D分析对于小型机器的分析是足够的© 2015 ， Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍尽管单相罩极感应电动机（SPSPIM）的效率低、起动转矩小，但由于其需要较少的维护、结构简单和成本低，所以它们被广泛地应用于小功率应用，例如家用电器[1，2]。虽然它们结构简单，制造容易，但它们的数学分析和性能评估是所有电机中 使用FEM，可以以非常高的精度计算一些重要的性能参数，如气隙磁通密度分布、铁损、感应电压、绕组电感和电磁转矩[4文献调查显示，已进行了许多尝试，在不同操作条件下使用FEM分析2D SPSPIM[8Sarac和Cundev[12]在2D中研究了不同软磁材料对0 Hz和50 Hz下SPSPIM性能的影响。Petkovska等人[13]通过单独和一起激励绕组，研究了电机2D横截面上的电子束密度分布，* 通讯作者。联系电话：+9 05418264063。电子邮件地址：ademdalcali@karabuk.edu.tr（A.Dalcali）。由Karabuk大学负责进行同行审查声称倾斜转子条增加了气隙磁通密度。Sarac和Cvetkovski[14]使用遗传算法优化技术获得了额定负载下3种不同电机模型的电机2D横截面上的磁通密度分布。Özçelik等人[15]在他们的研究中比较了抽油烟机应用中单相分相电容感应电机、无刷永磁直流电机和罩极电机的性能。罩极式电动机可以承受所需的负载转矩，并且比分相电容式感应电动机便宜，但其效率不如分相电容式感应电动机。在二维分析中，估计SPSPIM的各种性能参数的误差水平是很重要的。研究人员普遍认为，与3D分析相比，电机尺寸最小但没有任何具体的证据证明这一说法，而不是知道使用2D分析所产生的误差水平。因此，为了提供一个更可靠的答案，在这项调查中，静电有限元分析选定的SPSPIM已在2D和3D和结果进行了比较。结果表明，与3D分析相比，因此，建议不需要经历由于使用3D分析而产生的总结了本研究中使用的电机规格 表1中http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.04.0132215-0986/© 2015，Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch2A. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1 表1设计参数。参数值铁芯长度（mm）100倾斜角0极数2槽数18芯材M270主线圈励磁1000AT屏蔽线圈励磁5AT2. 2D分析的结果电机的设计本质上是复杂的为了获得满意的设计，需要综合考虑电磁、热和机械现象及其各自的约束。为了处理这样一个复杂的问题，有效的数学工具已经被开发成软件包。其中最有效的方法之一是有限元法计算机软件包（FEM）。如今，通过使用商业有限元程序，可以高精度地实现电机的设计及其性能分析[3]。通过二维或三维电磁建模和有限元分析，可以确定电机的铁损、绕组电感、感应然而，这样的分析需要大量的计算工作并且是耗时的。建模类型、计算量和精度之间有密切关系。例如，粗网格需要较少的计算负担和较少的计算时间，但以牺牲精度为代价另一方面，预计通过Ansys Maxwell的网格生成程序自动生成网格。该网格由总共16，541个元素组成。为了提高精度，网格在气隙和拐角处做得更细。对于所研究的电动机，在三种不同的激励条件下计算了f = 0 Hz时的2D分析的磁脉冲密度分布，如下所示：• 仅定子主绕组励磁。• 只有阴影环被激发。• 主绕组和屏蔽环一起励磁。结果示于图 2a-2c。表1中给出了这些计算中使用的所有激励值。所用钢板为M270型。在图2a和图2b中，最大X射线密度值为1.881 T。在图2c中，只有阴影线圈用5AT激励，获得的最大X射线密度值为0.1T。在所施加的激发条件下，核心没有饱和到属于M270的BH特性。因此，该激励值被认为是合适的。在磁超声波路径狭窄的区域，应注意超声波密度的值。图1所示为X射线密度分布。使用以下等式[8，9，18]获得2：A.A.（1）第一章：第一次见面其中，A是磁矢势，J是电流密度，对于钢和空气部件，J等于零。根据等式1，在x轴和y轴方向上的磁致X射线密度分量Bx和By如下所述：主要是对于小型机器，与2D分析相比，3D分析将以更多的计算负担为代价得到更好的准确性。因此，设计者必须在精度和计算负担之间做出决定。对于初始设计，以牺牲精度为代价的计算速度可能更有利于对所考虑的机器性能有一个粗略的了解[16，17]。在这项调查中，2D和3D分析的单相单线圈罩极感应电动机（SFUCSPIM）将进行比较，并探讨任何需要的3D分析。图1显示了正在调查的机器的结构和FEM网格B AX射线B Ayx磁磁光密度B由公式3计算。B组3. 3D分析结果（二）（三）Fig. 1. 电机的2D网格模型可以进行被设计为2D并且通过初始设计阶段的对应模型的更详细的建模和分析以用于制造。在2D建模中，端部绕组和边缘效应未被正确考虑。看看2D和3D分析之间的性能差异会很有趣。3D分析的结果如下所示。虽然在二维设计和分析中，利用周期性边界条件处理对称几何的一部分是足够的，但在几何结构不对称的电机的三维设计和分析中，必须采用完整的结构。3D模型和3D网格如图所示。3.第三章。同样，对于所研究的电动机，针对不同的激励条件计算f = 0 Hz（静磁）时的3D超声波密度分布，如下所示：• 仅定子主绕组励磁。• 只有阴影环被激发。• 主绕组和屏蔽环一起励磁。结果示于图如图4a-4c所示。所有激励值与表1中给出的值相同。B2 B2X yA. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）13图二. 电机横截面上的磁通密度分布：（a）两个绕组都被激励，（b）只有主绕组被激励，（c）只有屏蔽环被激励。图三. （a）电机的3D模型，（b）电机的网格模型。4A. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1见图4。用于3D计算的电机横截面上的磁通密度分布：（a）两个绕组都被激励，（b）仅主绕组被激励，（c）仅屏蔽环被激励。在图4a和图4b中，最大X射线密度值为1.8824 T。 在图4c中，只有阴影线圈用5AT激励，获得的最大X射线密度值为0.1T。 从图4a和图4b可以看出，机器核心的大部分工作在1.29 T至1.54 T范围内的100ux密度值。只有在某些狭窄的部分，在1000倍的路径是1000倍的密度值达到1.8T.从该值与所使用的芯材料M270的BH特性（其具有约2T的饱和X射线密度值）的比较中，可以说，利用所选择的电流密度值，机器可以舒适地操作而不会被引入芯饱和。另一方面，很明显，从3D分析中获得的结果与从2D分析中获得的结果非常一致，如图11所示。2a和2b，因此这些也支持2D分析对小型机器的适用性。图5显示了3D的单色光密度分布。图1A和图1B中显示了X射线密度分布。图4和图5使用以下等式获得：（4）第一次见面，第二次见面，第三次见面。x x y y z z磁致伸缩器密度由等式5计算。图五. 三维分析中的通量密度分布。A. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）15表2仅主绕组在1000 AT下励磁时的结果。参数2D3D%误差主绕组电感3.5931 μH3.6203 μH0.76作用在转子体上的力5.0984牛顿5.0686牛顿0.59解决方案中使用的元素数量文件总大小16,54130.6 MB440,416381 MBB组4. 2D和3D分析（五）2D和3D的分析均使用具有4 GB RAM的PC进行，结果比较见表2。当仅激励主绕组时，作用在转子体上的力对于2D分析为5.0984 N，对于3D分析为5.00986 N从表2中可以看出，在2D分析中使用的单元的数量是16，541个三角形单元，而在3D分析中使用440，416个棱镜单元这种差异自然反映在计算机存储空间和计算时间上。以从3D分析获得的绕组电感为基础，从2D分析获得的表2中出现的绕组电感的误差如等式6中给出的那样公式化。%误差绝对值±3D±2D100（6）2D打印机图6中展示了2D和3D分析的气隙飞秒脉冲密度分布。所研究的电机为2极电机，图6显示了每个极下的气隙电子束密度分布。对该图的检查表明，从2D和3D分析获得的气隙电子束密度分布之间的差异相当小。这表明从2D分析获得的结果是可接受的，因此没有必要涉及非常复杂的3D分析。为了观察磁饱和对主绕组电感的影响，主绕组励磁AT以50 AT的增量从50AT变化到1450 AT，并计算相应的电感值用于2D和3D分析。 图 7图六、从2D和3D分析中获得的气隙超声波密度分布的比较。见图7。主绕组电感随主绕组励磁安匝数的变化。显示了计算的绕组电感与主绕组AT的关系图。此外，还计算了用于2D和3D分析的气隙磁通密度，用于计算上述主绕组电感的激励AT值，结果如图所示。8.第八条。百分比误差允许人们检查所需解决方案的准确性在自适应过程的每一步，计算能量和能量误差，并获得最新的解决方案[19]。在本研究的所有分析中，选择1%的灵敏度。在所进行的分析中，总文件大小和解决时间在图中比较给出。9.第九条。3D分析的文件大小约为2D分析的10倍。当观察解决时间时，可以看出，与2D分析相比，3D分析持续非常长的时间（大约100倍）。5. 结论在设计电机时，必须在精度和计算负担之间做出选择，这反过来又意味着在第一次尝试时，最好是获得一个更快的模型，这将导致粗略的场分布和性能分析。一旦在这个初始阶段获得有希望的结果，然后搜索更准确的模型。但在某些情况下，改进的努力并没有带来更大的优势。在这种情况下，耗时的额外工作和付费的计算负担并不重要。本文对单相罩极式电动机进行了三维和二维分析，并对分析结果进行了比较。通常情况下，特别是对于较小的机器，与从2D分析获得的结果相比，3D分析应该产生更准确的结果。尽管3D分析需要付出额外的努力并大大增加了计算负担，但观察到与2D分析获得的结果相比因此，它的结论是，2D分析可以被接受为单相罩极电机的分析时，额外的努力和计算负担相比，从使用的3D分析实现的改进水平的最佳解决方案同样的思想可以推广到所有的小型机器，就像大型机器一样。B2 B2 B2x y z6A. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）1图8.第八条。气隙双光子密度分布与激励值（a）二维情况，（b）三维情况。见图9。（a）总文件大小;（b）解决方案时间。参比品[1] A. 卡尔马卡尔峰Saha，G.K.潘达，罩极感应电动机的D-Q轴建模分析和非线性行为的研究，国际电力、能源和控制会议，页。596[2] F. Parasiliti，M.维拉尼湾高效率家用电器用外转子永磁无刷直流电机，国际电机会议，页。623-628，柏林，2014年。[3] 诉Sarac，G.Stefanov，用有限单元法计算电机中的电磁场，国际电工委员会。J.Eng. 印第安纳26（1）（2011）21[4] S.L.何文宁傅，有限元素法在感应电动机中的回顾和未来应用，电子。马赫电力系统26（1998）111[5] S.-联合张，应用隐式边界有限元法的磁弹性耦合分析，博士学位，佛罗里达大学研究生院，2010年。[6] A.赛根角Ocak，A.达尔卡勒岛居尔达尔角阿兰塔尔岛Tarhan，无 刷 直 流电 机 的 场极弧偏移和输出参数的影响，电子和电气工程未来趋势国际会议论文集（FTEE），pp. 16 -20，泰国曼谷，2013年7月。A. Dalcali，M.Akbaba/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）17[7] W.N.傅，电机的通用有限元模型，Elec。动力组件31（10）（2010）941-966。[8] M. Akbaba，S.Q. Fakhro，一种使用有限元素法的磁阻增强罩极电机电感参数的改进计算技术，IEEE Trans.能量转换。7（2）（1992）308 - 314。[9] M. Akbaba，S.Q. Fakhro，使用有限元素法计算磁阻增强罩极电动机的磁场分布和铁损，IEEETrans. Energy Convers。7（2）（1992）302-307。[10] D. Zhou，C.B. Rajanathan，A.T. 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