大中型异步电动机定子模态的仿真分析_王荀
鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分析
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鼠笼 异 步 电动机 电磁 噪声 的仿 真 分 析
王 荀，邱 阿瑞
（ 清华大 学 电机工程与应用 电子技术 系 ，北 京 １０ ８ ） ０ ０ ４ 摘 要 ：依据 鼠笼异步 电动机 电磁 噪声产 生的机理 ，该文从 电磁力 、机械振 动和声辐射 特性三个 方面进行仿 真得到 电磁 噪声 。利用电压作为输入 的场 路耦 合时 步有 限元模 型计 算 电流 、磁 场和径 向电磁力 ，并 分析 径 向电磁力 的谐 波 ；基于机械有 限元模 型研究定子振动模态 以及在电磁力激励下 的振动 响应 ；利 用声学边 界元模 型计算 电动机 的辐 射声场 。试验 测量结果验证 了电磁 噪声仿 真计 算的有效性 。基于该文 电磁 噪声仿 真方法 可在设计 阶段对 电磁 噪声进 行定量预估 ，有助于低噪声 电动机 的设计研 发。 关键 词 ：异步电动机 ；电磁噪声 ；振动模 态 ；有 限元法 ；边界元法
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异步电动机的仿真
异步电动机的仿真在课本中介绍的四种方式的状态方程，都是对异步电动机的数学描述，在进行异步电动机仿真时，没有必要对四种状态方程逐一进行，只要以其中一种作为内核，在外围加上坐标变换和状态变换，就可以得到在不同的坐标系下、不同状态量的仿真结果。
因此，以异步电动机在αβ坐标系中ω−i s−ψr为状态变量的状态方程结构为核心，构建异步电动机仿真模型。
一、异步电动机仿真框图与参数在αβ坐标系，状态变量为ω−i s−ψr的动态结构图如下图：仿真电动机参数为：R s=1.85Ω，R r=2.658Ω，L s=0.2941H，L r=0.2898H，L m=0.2838H，J=0.1284Nm∙s2，n p=2，U n=380V，f N=50Hz。
其中电动机漏磁系数σ=1−L m 2L s L r =1−0.283820.2941×0.2898=0.0550转自电磁时间常数T r=L rR r=0.28982.658=0.1090L m L r T r =0.28380.2898×0.1090=8.9819 L mL r=0.28380.2898=0.97931σL s =10.0550×0.2941=61.8219R s L r2+R r L m2L r2=1.85×0.28982+2.658×0.283820.28982=4.3991 L mT r=0.28380.1090=2.60371T r=9.1718n p L mL r=2×0.28380.2898=1.9586n pJ=20.1284=15.5763二、异步电动机的仿真模型用MATLAB/SIMULINK基本模块建立在αβ坐标系中异步电动机仿真模型如下图所示，其中将异步电动机仿真模型进行封装成AC Motor，三相正弦对称电压u A、u B和u C经过3/2变换模块得到两相电压u sα和u sβ，送入αβ坐标系中的异步电动机仿真模型，输出两相电流i sα和i sβ，经过2/3变换模块，得到三相电流i A、i B和i C。
异步电机模型仿真及故障分析研究
异步电机模型仿真及故障分析研究吕曙东【摘要】根据异步电机的非线性多变量动态数学模型,利用LabVIEW基于数学模型对异步电机进行了仿真研究.通过分析转子断条后电机的等效电路图,得到了故障模型,并将故障诊断方法中的信号处理方法应用于电机故障诊断实例中,对正常电机模型和故障电机模型中的定子电流信号进行处理,且给出了两种信号处理方法的分析结果.仿真表明,此方法对电机故障诊断有一定实效.【期刊名称】《南通职业大学学报》【年(卷),期】2010(024)004【总页数】4页(P90-93)【关键词】异步电机;故障诊断;信号处理;计算机仿真【作者】吕曙东【作者单位】盐城工学院实验教学部,江苏盐城224051【正文语种】中文【中图分类】TM343三相异步电机以其结构简单、价格低廉、运行可靠而在传动领域占有极其重要的地位，在电力系统中的用电量占整个系统总用电量的60%以上。
因此，通过仿真技术研究电机故障诊断方法，对电机的常见故障进行分析及诊断，可以有效地降低故障率，减少突发事故造成的停产损失，降低维修成本，消除对人员和设备的安全威胁。
1 异步电机模型及仿真结果1.1 三相异步电机动态模型的仿真为能得到异步电机的定子电流，进而计算出电机的转矩与转速，必须先进行矩阵变换，将电压矩阵方程转换成状态方程形式，然后用LabVIEW实现。
异步电机坐标系上的ω—Ψs—is状态方程为：其中，状态变量为输入变量为利用LabVIEW的数学运算模版可以把五阶状态方程式（1）表示为异步电机动态数学模型[1]，它是利用LabVIEW对异步电机进行仿真的核心。
在仿真时，只要将异步电机的各种实际参数传送给输入端口，并对仿真参数进行设置，如仿真起止时间、仿真步长等，就可以在虚拟示波器中得到相应的参数。
利用上述电机模型，对正常异步电机进行了仿真。
电机参数为Rs=0.435 Ω，Lls=0.002 H，Rr=0.816 Ω，Llr=0.002 H，Lms=0.093 3 H，np=2，J=20 kg·m2；仿真输入220 V、50 Hz的三相对称交流电，仿真时间为45 s，仿真步长为0.005 s，仿真结果如图1所示。
运动控制课程设计--异步电机仿真模型建立、仿真及SVPWM的研究与MATLAB仿真
运动控制综合实验异步电机仿真模型建立、仿真及SVPWM的研究与MATLAB仿真摘要对异步电动机的数学模型进行综合分析，分析异步电动机按两相静止和转子磁场定向分解的数学模型，然后用Matlab/Simulink 仿真软件包括建立异步电动机仿真模型，并给出仿真结果。
以电机基础理论为出发点，针对SPWM电压利用率低，谐波多和一般空间电压矢量SVPWM（space vector pulse width modulation）结构模糊复杂的缺点，本文通过用MATLAB/simulink平台自行设计的模块，搭建了整套SVPWM系统，并且通过仿真验证了整套系统的正确性和简单易行。
关键词：Matlab/Simulink 异步电动机状态方程空间电压矢量 SVPWM SPWM目录摘要 (II)目录 (III)引言.......................................................错误！未定义书签。
1 异步电动机动态数学模型....................................-2 -1.1电压方程..............................................-2-1.2磁链方程..............................................-3-1.3转矩方程..............................................-5-1.4运动方程..............................................-6-2 坐标变化和变换矩阵........................................ - 7 -2.1三相--两相变换（3/2变换）.............................-7 -3 异步电动机仿真............................................ - 8 -3.1异步电机仿真框图.......................................-8-3.2异步电动机的仿真模型 (8)4 异步电机仿真模型仿真结果................................. - 17 -5 SVPWM技术原理 (19)5.1 SVPWM调制技术原理 (19)5.2 SVPWM算法实现 (21)6 SVPWM建模与仿真 (24)6.1 SVPWM仿真模块图 (24)6.2仿真结果 (34)参考文献 (37)引言随着电力电子技术与交流电动机的调速和控制理论的迅速发展,使得异步电动机越来越广泛地应用于各个领域的工业生产。
异步电机驱动系统实时仿真
异步电机驱动系统实时仿真
卢子广;柴建云;王祥珩
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2003(030)003
【摘要】研制复杂大功率的电力驱动系统的过程中，采用实时仿真器对实际控制器进行前期闭环测试可降低技术风险和开发费用。
本文基于方框图建模工具Simulink构造异步电机驱动系统实时模型，采用dSPACE实时仿真环境自动生成控制器和被控对象实时代码，基于两定时器任务实现异步电机驱动系统15μs步长实时仿真。
实时仿真系统具有与实际系统的硬件接口，可以与实际控制器或实际的逆变器-电机系统直接相连，构成硬件在回路仿真测试或快速控制原型系统，以加快电力驱动系统的开发进程。
【总页数】5页(P25-29)
【作者】卢子广;柴建云;王祥珩
【作者单位】清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市,100084;清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市,100084;清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TM343
【相关文献】
1.基于嵌入式系统的异步电机半实物实时仿真平台 [J], 陈众;余思维;罗通;张丰鸣;文亮
2.基于FPGA的虚拟异步电机系统的半实物实时仿真 [J], 黄苏融;黄艳;高瑾;李益峰;元约平
3.电力驱动系统逆变器实时仿真 [J], 卢子广;柴建云;王祥珩
4.NPC三电平容错逆变器异步电机驱动系统FCS-MPTC [J], 张磊; 王思明; 梁运华
5.电动汽车无刷直流电机驱动系统实时仿真 [J], 卢子广;柴建云;王祥珩;邱阿瑞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大中型异步电动机定子模态的仿真分析
中型异 步电动机定子 的模态振型和 固有频 率 ，重点讨 论 了成 型绕组 、径向通风道 、肋 、压 圈和机座对定子铁 心振 动的影响 。研究 表明 ，成型绕组对定 子模态有 重要 的影 响，不考 虑绕组 固有频率 会明显减小 ；径 向通风 道 、肋 和压 圈对 高阶模态 的固有频率影 响较 大 ；机座 的约束使得定子 铁心 的模 态振型发生变化 。 Ｄ 键词 】 大中型异步 电动机 ；模态分析 ；围有频率 ；有 限元法 ；电磁噪声
ｔ ｉ ａｉ ｎ ｍ ｏ ａ ｆｔ ｔ ｔ ｒ Ｉ ｈｉ ｐｅ ， ｈｅｖ ｂｒ ｔｏ ｄ ｌ ｈ ｓａ ｏ ． ｎｔ ｓｐａ ｒ ＡＮＳＹＳ ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｏ ｔ ｒ ｓｕｓ ｄ ｔ ｔ ｙ ｍｏ ｅ ｏ ｅ ｉｅｅ ｅ ｎｔｓ ｆｗａ ｅｉ ｅ ｏ ｓｕｄ ｄ ｉ
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大型异步电动机定子振动与模态分析
大型异步电动机定子振动与模态分析
王天煜;王凤翔
【期刊名称】《中国电机工程学报》
【年(卷),期】2007(27)12
【摘要】预测电机的振动和噪声需准确计算电机定子结构的固有频率及定子的响应特性。
文中利用3D有限元软件研究了定子模态和固有频率,分析了定子叠片结构、绕组对大型异步电机定子固有频率和振动模态的影响;用有限元分析和实验测量确定正交各向异性叠片结构和绕组的材料属性,并与实测结果进行了比较。
研究表明,对于大型异步电机,定子绕组对固有频率影响很大,其弹性模量远低于实体铜,有效部分绕组和端部绕组不能简单地以附加质量形式计算固有频率;端部绕组质量和刚度对固有频率的影响大体相互抵消,所以端部绕组对固有频率的影响相对很小。
【总页数】5页(P41-45)
【关键词】大型异步电机;振动;固有频率;绕组;弹性模量;有限元
【作者】王天煜;王凤翔
【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM306
【相关文献】
1.大型发电机定子绕组端部振动故障原因分析及端部振型模态试验的运用 [J], 郑志勇;谢明;罗祥辉;夏侯斐
2.大型汽轮发电机定子绕组端部振动模态测试 [J], 刘锐
3.大型发电机定子绕组振动监测模态试验 [J], 汪昌廉
4.高效率三相异步电动机定子铁心模态分析 [J], 张中超;王立名
5.异步电动机定子铁心模态及振动响应分析 [J], 郭宏伟
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毕业设计异步电动机的仿真研究开题
中北大学信息商务学院毕业论文开题报告学生姓名：王则乾学号：07050442X16 系别：信息与通信工程系专业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：异步电动机的仿真研究指导教师:孙惠民2011年 3月 7日毕业论文开题报告毕业论文开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、问题研究课题要求在了解异步电动机的工作原理、结构、基本电磁关系的基础上，对三相异步电动机的人为机械特性进行绘制，并且通过运用不同的起动和制动、调速方法对异步电动机的暂态过程进行仿真研究。
从而更好的理解异步电动机的的控制特性、控制规律、和工作特性。
二、具体工作内容及研究手段1学习并掌握交流电机的基本理论，理解异步电动机的基本工作原理与特性。
理解交流调速系统的基本控制特性、控制规律、及其工作特性。
2通过减低异步电动机的定子电压、改变磁极对数、调节频率、定子串电阻或电抗器、或转子串电阻等方法获得各种人为机械特性，并通过仿真得出结果。
3异步电动机的起动运用直接起动或减压起动等方式，制动运用回馈制动、反接制动、能耗制动等方式对三相异步电动机的起动和制动进行仿真分析，建立仿真模型同时给出仿真结果。
4 建立异步电动机正反转、调速控制的简单的仿真模型。
调速控制可采用调压调速、变频调速实现。
5熟练掌握Matlab的simulink和Power system工具箱，以调速系统的电气原理结构图为基础，弄清楚系统的构成，并在模块库中找出相应的模块，完成对各个组成环节的元件参数配置，对系统进行仿真，并给出结论。
参考文献[1] 周立求,沈记全. 基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机建模与仿真[J]. 电机电器技术, 2003,(04) .[2] 刘文良,孙振环,王杰. MATLAB环境下异步电动机建模与仿真[J]. 天津轻工业学院学报, 2001,(01) .[3] 孙笑辉,韩曾晋. 异步电动机直接转矩控制启动方法仿真研究[J]. 电气传动, 2000,(02) .[4]刁红泉,颜钢锋. 异步电机软启动节能控制器设计[J]. 工程设计学报, 2004,(03) .[5] 张庆新,常丽东. 异步电机功率因数控制器的研究[J]. 沈阳航空工业学院学报, 2000,(03) .[6] 贺益康,夏劲雄. 异步电机轻载调压节能控制策略的仿真研究[J]. 电机与控制学报, 1997,(03) .[7] 徐甫荣. 交流异步电动机起动调速节能保护控制综述[J]. 电工技术杂志, 2003,(04) .[8]张庆新,常丽东. 异步电机功率因数控制器的研究[J]. 沈阳航空工业学院学报, 2000,(03) .[9]邓隐北. 异步电动机等效电路参数的试验确定[J]. 中小型电机, 1995,(06)[10]祁文哲. 交流三相异步电机功率因数的测量[J]. 兰州铁道学院学报, 2002,(04) .[11]高景德,张麟征,黄立培. 异步电机起动过程的研究[J]. 电工技术杂志, 1984,(01) .[12]佟科,孙树微,田利民,麻鸿儒. 用向量分析确定三相异步电动机单相运行的最佳电容[J]. 东北电力学院学报, 1998,(03) .[13] Ayyub, Mohammad, Murthy, S.S, Singh, B.P. Energy Conservation Through Improved Design of Induction Motor .1996, .[14] Ian Rennie. Improving motor efficiency for abetterenvironment .ABB Review. 2000, (1) :20~27 .[15] Z.Q.Zhu,G.W.Jewell,and D.Howe. Finite Element a-nalysis in the Design of Permanent Magnet Machines[J] .IEESeminar on Current Trends in the Use of Finite Elements(FE)inElectromechanical Design and Analysis. 2000, :7 .毕业论文开题报告指导教师意见：指导教师：年月日所在系审查意见：教学主任：年月日。
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2
大中型异步电动机定子模态的仿真分析
2011.№1
元软件研究大中型异步电动机定子振动的模态振型和 视具体情况而定。
固有频率，重点讨论径向通风道、通风槽钢、肋和压
圈对定子铁心自由振动特性的影响，将定子铁心与机
座的连接按照实际装配方式建模以研究机座对定子铁
心受约束振动特性的影响。
0阶
1阶
2阶
ห้องสมุดไป่ตู้3阶
4阶
2 振动模态分析的有限元数学模型
程（每个独立方程只包含一个独立的模态坐标），从而
解出系统的各阶模态参数（主要是模态频率和模态向
量）。由于坐标变换是线性变换，系统任意一点对激励
的物理响应可表示为各阶模态响应的线性组合，而各
阶模态对物理响应存在不同的贡献量或权系数。
根据 Hamilton 原理和应力－应变、应变－位移的
关系，可得有限元离散后电机结构的拉格朗日运动方
和绕组外，还包含径向通风道、通风槽钢、肋和压圈 等，此外定子铁心和箱式机座的连接固定方式也存在 多种情况。文献[5]利用解析法研究大中型异步电机箱 式结构定子振动的固有频率，解析法是对复杂结构进 行简化后再分析计算，无法细致分析径向通风道、通 风槽钢、肋、压圈和定子铁心与机座的具体连接方式 带来的影响。文献[6]基于有限元法研究大中型异步电 机叠片铁心的材料属性和绕组对定子铁心振动模态的 影响，但没有将铁心分段，压圈也被忽略。文献[7]分 析了机座、端盖和安装固定等对大中型异步电机定子 振动模态的影响，该文将定子铁心与机座的连接方式 模拟为所有定子铁心上的肋直接与机座相连接，没有 考虑径向通风道和压圈的影响。本文基于 ANSYS 有限
程为：
Ku + Ru + Mu = F
（1）
式中： K 为刚度矩阵； R 为阻尼矩阵； M 为质量矩
阵； u 为节点的位移矢量； F 为外部激励节点力矢量。
点上标表示对时间的微分。
电机模态分析问题属于无阻尼自由振动问题，即
R = 0 和 F = 0 ，且由谐波分析 d / dt = jω 可知式(1)的
1 引言
大中型异步电动机的噪声比较高，目前仍然是电 机设计的一大难题。电磁噪声与激振电磁力和机械振 动模态均息息相关，当电磁力波和定子模态的阶次一 致且频率相接近时，会导致定子共振从而引起大的电 磁噪声。为了避免共振以降低电磁噪声需要详细地研 究激振电磁力和机械振动模态，本文探讨定子机械振 动模态问题。文献[1-3]研究了几何尺寸对开关磁阻电 机定子振动模态的影响，文献[4]利用有限元法研究小 型异步电动机定子振动的模态振型和固有频率，主要 讨论了叠片铁心和绕组的影响。同小型电机相比，大 中型异步电机的定子结构复杂，定子铁心除叠片铁心
本文基于商用有限元软件 ANSYS 对定子振动模 态 进 行 分 析 计 算 ， 参 考 文 献 [1,2,4,6] 的 研 究 表 明 ANSYS 对振动模态的计算是有效的。振动模态分析的 准确度取决于两个因素，一是几何建模的合理性，二 是材料属性取值的合理性。定子中一般有三种材料， 即叠片式铁心、成型绕组和钢，钢的材料属性是确定 的，以下重点探讨铁心和绕组的材料属性。由于铁心 是明显的叠片式结构，在叠片平面和轴向这两个方向 上弹性模量不一致，可将铁心看作各向正交异性的弹 性体材料来处理，即叠片平面上是各相同性，其弹性 模量相同，而垂直于叠片平面上的弹性模量则小得多。 铁心弹性模量的取值目前学术界还没有形成一个明确 的结论[1-7]，叠片平面内的弹性模量一般在 1.36×1011 N/m2~2.15×1011 N/m2 范围内取值。叠片式铁心轴向弹 性模量的研究是比较困难的，它的取值与铁心是整片 冲制还是分片冲制以及叠压系数有关，此外还与硅钢 片是否涂漆也有关。根据参考文献[8]的研究，本文将 垂直于叠片平面上弹性模量取为叠片平面弹性模量的 2%。大中型高压异步电机的绕组为成型绕组，铜导线 外包绝缘带材料，且要浸漆处理，绕组与铁心之间非 刚性联接而存在间隙，可将定子铁心和绕组之间的节 点位移用耦合来处理。由于绕组端部的刚度对模态影 响很小[6]，本文将铁心长度范围内的绕组按实际尺寸建 模，忽略端部绕组刚度，端部绕组质量以附加质量均 匀分布在铁心长度范围内的绕组上。各种材料属性的
模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把
原物理坐标系统中描述的相应向量转换到模态坐标系
统中来描述。具体作法是利用线性系统固有模态的正
交性，以系统的各阶模态振型向量所组成的模态矩阵
作为变换矩阵，对选取的物理坐标作线性变换，使得
振动系统以物理坐标和物理参数所描述的、相互耦合
的振动微分方程组能够解耦为一组彼此独立的模态方
图 1 周向模态的阶次和振型
3 定子铁心振动模态的有限元分析
本文以 YKK500-10 型为例，电机基本数据如下： 额定功率 450kW，额定电压为 6kV，相数为 3，极数 为 10，定子 90 槽，转子 76 槽，定转子均直槽。定子 铁心数据如下：定子外径为 850mm，定子内径为 630mm，槽宽为 10.9mm，齿高为 61mm，铁心长度为 590mm，铁心的段数为 10，径向通风道数量为 9，通 风槽钢的轴向厚度为 10mm，肋的数量为 8 且均布， 肋高为 45mm，肋宽为 30mm，压圈数量为 2，压圈的 轴向厚度为 30mm，压圈的内径和外径分别为 765mm 和 940mm。
Simulation Analysis of Stator Modal of Large-sized and Medium-sized Asynchronous Motors WANG Xun, QIU A-rui
(State Key Laboratory of Security Control and Simulation of Power Systems and Large Scale Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
特征值问题为：
(K −ω2M)u = 0
（2）
( ) 解特征值方程 det K − ω2M = 0 可得固有频率，将
每一个频率代入特征值问题方程(2)可得特征值矢量， 选择一定方法进行归一化可得主振型，即为固有振型。
电磁噪声主要取决于径向振动，即周向模态振型
是研究的重点，一般而言，周向阶次低且轴向为 0 阶 和 1 阶的模态对电磁噪声影响较大。周向模态阶次是 指周向节点数除以 2，如图 1 所示。轴向阶次指轴向节 点数。对于小型异步电机的电磁噪声而言，只研究周 向阶次小于 5 的模态就足够了，但对于大中型异步电 机，由于定子内径较大，高阶模态也会有影响。一般 而言，定子内径越大对电磁振动和噪声有影响的模态 阶次就越高。根据设计和制造的经验，对于大型异步 电机，周向 8 阶的模态也可能会对电磁噪声有影响，
Abstract: In order to reduce electromagnetic noise of motors, it is essential to analyze and calculate the vibration modal of the stator. In this paper, ANSYS finite element software is used to study mode shapes and natural frequencies of the stator of medium-sized and large-sized asynchronous motors. The influence of performed winding, radial ventilating dust, rib, pressing ring and frame on the vibration of the stator core is investigated. The study shows that the performed winding has the important effect on the stator modal and natural frequencies are reduced if the winding is neglected. The influence of radial ventilating dust, rib and pressing ring on natural frequencies of high-order modal is remarkable. The mode shapes of the stator core are modified by the constraint condition of the frame. Key words: large-sized and medium-sized asynchronous motor；modal analysis；natural frequency； finite element method；electromagnetic noise
2011.№1
大电机技术
3
取值如表 1 所示，表中铁心材料密度为铁心质量与铁 心体积之比，绕组密度为绕组总质量与铁心长度范围
内绕组体积之比。
表 1 材料属性
属性 密度/(kg/m3) 叠片平面上的弹性模型/Pa 轴向上的弹性模型/Pa
泊松比
叠片实体
5629 1.7×1011 3.4×109
0.3
绕组实体
6251 1.0×1011 1.0×1011
0.3
钢实体
7800 2.058×1011 2.058×1011
0.3
以下建立 5 种模型研究绕组、径向通风道、通风 槽钢、肋和压圈对定子铁心自由振动特性的影响，它 们分别为
模型 I : 不考虑绕组，模型包括各段铁心、径向通 风道、通风槽钢、肋和压圈；