maxwell软件-三相同步电机设计
10 三相同步电机
本章我们将简化RMxprt ⼀些基本介绍，以便介绍⼀些更⾼级的使⽤。有关RMxprt 基本操作的详细介绍请参考第⼀部分的章节。
10.1 分析⽅法
三相凸极同步电机有发电机和电动机之分，两者的结构基本相同。三相同步发电机是⼯业、商业以及民⽤的主要电能来源，它将机械能转化为电能，其转⼦上装有由直流电励磁的多级绕组，定⼦上装有三相正弦分布绕组，转⼦旋转在⽓隙中产⽣旋转磁场。定⼦上感应出电压，频率为：
60pn f /= (10.1) 其中p 是极对数, n 是转⼦的机械转速，单位rpm ，⼜称为同步转速，电机可以根据负载需要来产⽣有功功率和⽆功功率。
通常采⽤频域⽮量图来对电机进⾏分析，发电机和电动机的⽮量图如图10.1所⽰。
a. 发电机
b. 电动机图10.1 同步电机⽮量图
图中R 1和X 1分别为电枢绕组电阻和漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢电抗和q 轴电枢电抗。相量图中X ad 是经过线性化处理的⾮线性参数。
以输⼊电压U 为参考相量，则电流相量为：
-∠=I I
(10.2) 设功率因数⾓为φ, 是电压相量U 与电流相量I 的夹⾓，
图中OM 所代表的相量可表⽰为
++-+++=motor for X X R generator for X X R OM aq 11aq 11)j j ()j j (I U I U (10.3) 设E 0与U 的夹⾓为θ,（对于发电机θ称为功率⾓，对于电动机θ，称为⼒矩⾓），则E 0与I 的夹⾓为
θ?ψ+= (10.4)
d 轴和q 轴电流可分别按下式求出
==ψψcos sin I I I q d I (10.5)
图中ON 相量代表由d 轴磁链所产⽣的d 轴反电势。由磁路空载特性曲线，可确定E 0，X ad 和励磁电流I f
1. 对于发电机：
输出电功率：
cos UI 3P 2=
(10.6) 输⼊功率(机械功率) ：
ex Cuf add Fe Cua fw 21P P P P P P P P ++++++= (10.7) 式中：P fw ， P Cua ，P Fe ，P add ，P cuf 和P ex 分别为风摩损耗、电枢铜损、铁⼼损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗
输⼊机械转矩：
ω1
1P T = (10.8)
式中ω为同步⾓速度，单位：rad/s
2. 对于电动机：
输⼊电功率：
cos UI 3P 1=
(10.9) 输出机械功率：
()ex Cuf add Fe Cua fw 12P P P P P P P P +++++-= (10.10) 式中：P fw ， P Cua ，P Fe ，P add ，P cuf 和P ex 分别为风摩损耗、电枢铜损、铁⼼损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗
输出机械转矩：
ω22P T =
(10.11) 电机效率：
%100P P 12?=η
(10.12) 10.2 主要特点
10.2.1 适⽤于同步电动机和同步发电机
凸极同步电动机和发电机结构基本相同，相量关系和计算⽅法有些差别，输出性能数据也有所不同。故RMxprt 将同步电机分为两个设计模块：同步电动机和同步发电机。
10.2.2 三相绕组的⾃动排布
⼏乎所有常⽤的三相和单相，单层和双层，整数槽和分数槽交流绕组都能⾃动设计。⽤户不需要⼀个接⼀个的⾃⼰定义线圈。
当设计者采⽤全极式单层绕组时，RMxprt将⾃动对绕组进⾏排列，以减少绕组端部长度。当使⽤不对称三相绕组时，绕组排列按照最少负序和零序进⾏优化。
10.2.3 绕组编辑器⽀持任何单、双层绕组的设计
除了利⽤RMxprt中的绕组⾃动排列功能，⽤户也能通过Winding Editor来指定特殊形式的绕组排列。
在Winding Editor（绕组编辑器）中，通过改变每个线圈的相属Phase、匝数Turns、⼊槽号In Slot和出槽号Out Slot，可排列出任意所需的单、双层绕组分布形式。
10.2.4 ⽓隙磁场分析
对于均匀⽓隙和⾮均匀⽓隙（磁极偏⼼），都能通过许克变换求解⽓隙磁场的分布。
10.2.5 电势波形和总谐波畸变（THD）分析radius软件
以⽓隙磁场波形分析为基础，综合考虑绕组短距、绕组分布、斜槽、绕组联结⽅式以及负载影响等诸多因数，对线圈和绕组电势波形进⾏分析，求解电势波形畸变率。
10.2.6 阻尼绕组的瞬态参数分析
与感应电机的⿏笼绕组不同，凸极同步电机阻尼绕组处于d轴和q轴差别很⼤的⾮均匀磁场中。因此，阻尼条的联结有多种形式，有每极连接（极间不连接）、全部连接和端板式连接。
1.每极连接（极间不连接）
2.全部连接
3.端板式连接
所有这些复杂情况RMxprt都能进⾏分析处理，并给出阻尼绕组的动态参数。
10.3 设计三相同步电机
这⼀节, 我们将演⽰三相同步电动机设计的⼀般流程。
点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell 12>Maxwell 12从桌⾯进⼊Maxwell界⾯。
从RMxprt主菜单条中点击File>New新建⼀个空⽩的Maxwell⼯程⽂件Project1。
从RMxprt主菜单栏中点击Project>Insert RMxprt Design。在Select Machine Type 会话框中选择Three-Phase Synchronous Machine，然后点击OK返回RMxprt主窗⼝。这样就添加⼀个新的RMxprt设计。
从RMxprt菜单栏中点击File>Save。如果想把项⽬另存为wl，可从下拉菜单选择Save As然后点击Save返回RMxprt 主窗⼝。(参见3.2.6设置默认的项⽬路径)
分析这个算例，需要做以下⼏项设置：
1. 设置模型单位(参考章节
2.
3.2.7设置模型单位)：
2. 配置RMxprt 材料库(参考章节
3.
4.1配置材料库)：
3. 编辑线规库(参考章节3.3.2 到3.3.6)：
当选择Three-Phase Synchronous Machine做为电机模型时，必须输⼊如下⼏项：
1. General data. （基本性能数据）
2. Stator data. （定⼦数据）
3. Rotor data. （转⼦数据）
4. Solution data. （解算数据）
可选项：
1. 定⼦和转⼦中选择添加或去掉阻尼
2. 定⼦和转⼦中选择添加或去掉通风孔
10.3.1 主要性能数据
在项⽬树下双击Machine图标，可显⽰Properties.对话框。
在如图10.2所⽰的Machine列表下定义基本性能数据。
1. Machine Type：电机类型。
2. Number of Poles：电机极数。其值为定⼦极数的总和（或极对数×2）。
图10.2 基本性能参数
3. Frictional Loss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产⽣）
4. Wind Loss：参考转速下测得的风阻损耗（由空⽓阻⼒产⽣）
5 .Reference Speed：所给的参考转速。
点击OK关闭Properties对话框。
10.3.2 定⼦设计
双击项⽬树中的Machine>Stator图标，显⽰Properties对话框。
在如图10.3所⽰的Stator列表中输⼊定⼦数据。
图10.3 定⼦数据
1. Outer Diameter：定⼦外径。
2. Inner Diameter：定⼦内径。
3. Length：定⼦铁⼼的轴向长度。
4. Stacking Factor：定⼦的迭压系数
5. Steel Type：定⼦铁⼼材料类型（参考7.3节设置材料类型）
6. Number of Slot：定⼦槽数
7. Slot Type：定⼦槽型（参考7.1.1节槽型）
1) 点击Slot Type显⽰Select Slot Type对话框。
2) 选择⼀种槽型（有6种类型可⽤）
3) 点击OK关闭Select Slot Type对话框。
8. Lamination Sectors：迭⽚分区数。对于⼤型感应电动机，⼀个迭⽚可能由如图10.4所⽰的⼏个扇形组合⽽成，⽽不是⼀个整体的圆形迭⽚。迭⽚分区数表⽰⼀个迭⽚由⼏个这样的扇区组成。
9. Pressboard Thickness：导磁隔板的厚度。键⼊0表⽰为⼀个⾮导磁的隔板
10. Skew Width：⽤槽数度量的斜槽宽度
点击OK关闭Properties对话框。
图10.4 定⼦叠⽚扇形
10.3.2.1设计定⼦槽型
双击项⽬树中的Machine>Stator>Slot图标，显⽰Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。
在如图10.5所⽰的Slot卷标中定义定⼦槽型的⼏何数据。
点击OK关闭Properties对话框。
图10.5 定⼦槽尺⼨
10.3.2.2 设计定⼦绕组
双击项⽬树中的Machine>Stator>Winding图标，显⽰Properties对话框，其中包含两个列表：Winding和End/Insulation。10.3.2.2.1 设计定⼦绕组的线径及材料
在如图10.6所⽰的Winding列表中定义导线、导体和定⼦绕组
1. Winding Layers：绕组层数。从下拉菜单中选择绕组层数（可选1和2）
2. Winding Type：绕组类型（参考7.5.1节的设置交流绕组类型）
1) 点击Winding Type显⽰WINDING Type对话框。
2) 从以下3种绕组类型中选择⼀种：
a. Editor
b. Whole Coiled