异步电机性能基于有限元分析法的研究
摘 要：本文以自主設计的5.8kW五相异步电机为分析对象，完成关于温度场的仿真模型。实现了对电机稳定情况下的温度场计算，获得了研究对象的温度布局情况，基于此分析了各种温度区域内对感应电机性能的作用情况，为进一步的电机电磁和散热设计提供可行性的参考依据。
关键词：有限元方法；异步电机；顺序电磁热耦合；参数分析
1 异步电机参数及性能与温度变化关系的探究
绕组、鼠笼导条与铁心等电机材料对于能量的传导性能会受到温度影响。从数学角度分析，温度值的不同使方程的参数矩阵发生了数值改变，现从研究温度变化对电机参数的作用情况。
绕组的电阻与温度相关，假设当温度为t时的电阻率为：
其中α为导体电阻的温度系数，ρ15为在15℃时材料的电阻率。
对于感应电机的定子绕组，各相电阻计算公式如下：
式中是每相串联匝数，N是线圈半匝平均长度，A为导体的横截面积，L为相绕组的并联支路数，K为集肤效应引起的电阻增加系数，在电机正常运行时可取等于1，ρ为基准工作温度时导体的电阻率。
因此材料电阻率随定子绕组温度升高而变大，定子绕组的电能消耗因此变大。铁心材料磁导率与温度的变化关系是非线性的，而且还随着磁感应强度的变化而显著改变，这些非线性因素使得分析磁路较之分析电路要复杂得多，无法用简单的数学表达式来描述这些关系。如果将材料属性随温度变化的这些关系曲线列成表格输入计算机，再利用有限元方法能方便的实现分析计算。
铁心材料磁导率μ与温度的变化关系是非线性的，而且μ还随着磁感应强度B的变化而显著改变，这些非线性因素使得分析磁路较之分析电路要复杂得多，无法用简单的数学表达式来描述这些关系。如果将材料属性随温度变化的这些关系曲线列成表格输入计算机，再利用有限元方法能方便的实现分析计算。
2 基于有限元方法分析温度场
将待求量选定为电位，列方程得：
数学运算如下：
关于三维静磁场，列出求解式如式（5）所示：
式中，
3 创建关于五相电机的空间模型
为了进一步研究温度变化对电机性能参数的影响，本文分别建立了五相鼠笼异步电机的电磁场与温度场有限元模型，并且进行了这两个物理场之间的顺序耦合计算，得到电机各部分温度场分布，并以该温度场结果为依据，考察了电机在不同温度下的性能参数变化。
3.1 异步电机电磁场有限元建模
本文所做的电磁场有限元计算为其温度场有限元计算提供了计算依据，计算结果中的铁耗、铜耗等作为热载荷加载到温度场模型中作为输入量。
3.2 异步电机三维温度场有限元建模
由于深入分析的温度与电机工况关系的必要性，创了建关于五相电机的空间模型。针对磁场和电场这两个物理场的耦合关系，推算出温度的布局情况，并基于此，对电机装置的工况变化进行分析。
4 结果与分析
通过温度的布局情况，可以分析各个温度区域下电动机的运行情况。以一般性的温度（27℃）的工作参数为标准，当温度上升 定工况下能够工作的最大限度温度值即为最高温度。
如图1所示，各区域温度下电机额定工况的转速特性曲线呈一定规律。曲线a表示温度达到极限时的特性，这种工况下电机转速只1308rmp，而正常的温度情况如曲线b，额定工况的转速可以有1403rmp。由此可以得出结论，电机的转速会因为温度的增加而降低，除此之外，由开机到正常转速的耗费时间也有所增加。
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