實心轉子感應電機研究與發展概況(下)

王培欣,司紀凱,封海潮,劉 巍,曹文平

(1.河南理工大學,焦作454003;2.Aston University,Birmingham,UK B47ET)

0 引 言

實心轉子感應(以下簡稱SRIM)電機研究與發展概況(上)一文中,總結分析了高速實心轉子感應電機電磁特性,實心動子旋轉直線感應電機以及多自由度平面感應電機的拓撲結構與工作原理,討論了實心轉子感應電機未來的研究熱點與發展趨勢。

實心轉子結構簡單,機械強度與平衡性高,適合頻繁重載起動或者長時間工作在制動狀態[1-3],但是實心轉子造成電機較軟的機械特性,額定工作狀態滑差大,嚴重的轉子損耗會造成電機效率過低,極大地影響了SRIM的應用與發展。

針對SRIM的特點與缺陷,為改善SRIM輸出性能,提高SRIM工業應用能力,國內外的研究學者對SRIM做出大量的研究工作。在應用范圍方面,提出的起重用實心轉子感應電機、高速實心轉子感應電機與實心動子多自由度感應電機等都具有極高的應用與研究價值;在SRIM性能改良方面,提出的多層(組合式)實心轉子、轉子兩端加銅端環、光滑實心轉子表面開槽以及開槽鑄良性導電體等轉子優化結構,對改良提升電機性能具有較高的幫助;在SRIM解析計算方面,提出多層理論、透入深度法、等效磁路法、等效電路法以及時步有限元計算等解析計算方法有利于SRIM電磁場以及電機參數等方面的研究;在SRIM控制與建模方面,提出矢量控制、智能控制、直接轉矩控制等控制系統,為SRIM的控制系統研究做出巨大的貢獻。文獻[4]針對SRIM運行性能較差的情況,采用轉子開槽以及槽內設置合金材料鑄鋁等方式改進電機性能,并分析了轉子槽型和所用合金材料對電機性能的影響。文獻[5]總結了實心轉子異步電動機二維等效電路參數的解析計算方法,并在此基礎上對集中解析計算方法進行改良,提高解析計算方法的計算精度。文獻[6]針對SRIM的控制方法,提出一種基于Kalman濾波的無位置傳感器伺服控制系統,采用Kalman進行位置轉速觀測,提高控制系統的精度。

本文針對SRIM轉子結構對電機性能的改善作用,參考了國內外研究學者數十篇針對SRIM轉子結構的研究成果,總結了現有SRIM轉子開槽、表面覆銅等拓撲結構以及其派生轉子拓撲結構,分析了不同轉子結構對SRIM輸出性能的改善作用,最后介紹了SRIM的解析計算方法,為SRIM的進一步研究與發展提供參考。

1 實心轉子結構研究

由于SRIM的機械特性較軟,過大的轉子損耗造成電機效率與力能指標過低,嚴重影響了SRIM的應用。為了改良SRIM的機電性能,各國的研究工作者提出了采用多層(組合式)實心轉子,復合型轉子,轉子兩端加銅端環,光滑實心轉子表面開槽以及開槽鑄良性導電體(一般為鋁籠或銅籠結構)等實心轉子結構[2],并對此作出大量的研究工作。通過改進的轉子結構,降低SRIM的轉子阻抗,抑制轉子渦流,減小轉子損耗,提高電機性能以及抑制轉子高頻諧波的影響等方面具有顯著的作用。

1.1 實心轉子軸向開槽

上世紀20年代,前蘇聯學者就設想在SRIM轉子表面均勻銑出軸向槽,用以改善SRIM的運行性能。原華中工學院傅豐禮教授采用有限元法與等效磁路法就SRIM轉子開軸向槽進行系統的研究與計算[7-8]。SRIM轉子開軸向槽后的磁力線分布如圖1所示。由圖1可見,SRIM轉子開軸向槽后使電機的磁場分布更加復雜。

圖1 齒槽區域磁力線分布

SRIM轉子開軸向槽后的齒槽區域的磁力線分布的基本特點:(1)大部分磁力線沿著齒槽輪廓線閉合;(2)有一定量的磁力線穿過槽部,其值與轉差率s有關,轉差率越大,穿過槽部的磁力線越多;(3)鐵軛區域的磁力線密度低于齒部。

通過對SRIM轉子開軸向槽的分析計算,轉子開軸向槽在電機整個轉速范圍內存在一定的影響,特別是小轉差率運行時能夠較大地改善電機性能。轉子開槽性能的改善還依賴于選取合理的槽參數,包括槽型、槽數、槽深以及槽寬。在相同轉差率下,開槽實心轉子表面的有效區域增加,降低了轉子阻抗,提高電機的出力,同時,由于開槽實心轉子內部漏抗的增加,使得阻抗角增大。

文獻[9]分析了不同轉子槽型對電機附加轉矩的影響,找出適合研究實心轉子感應電機的最優轉子槽型。針對轉子槽造成的附加轉矩降低電機整體性能的現象,通過改變轉子槽型的方法能夠有效的降低轉子槽波動,并采用ANSYS對梨形槽、梯形槽與圓形槽轉子的氣隙磁通密度進行了分析。轉子槽型如圖2所示。

圖2 轉子槽型

根據對不同槽型轉子時的氣隙磁通密度傅里葉分解發現,轉子開梨形槽時,氣隙磁通密度所含諧波最少,相比于梯形槽與圓形槽,梨形槽引起的附加轉矩最小。

1.2 實心轉子開槽鑄良性導電體

由于實心轉子阻抗與阻抗角較大,使得SRIM的出力較小,功率因數較低。影響轉子阻抗的主要因素是因為實心轉子中感應的渦流,在轉子內部閉合,存在著強烈的切向感應電流分量。采用實心轉子開槽鑄良性導電體后,轉子渦流通過槽內導電體及其端環閉合,使得轉子端部電抗大大減小,阻抗下降,提高了電機的功能指標。

文獻[10-11]對實心轉子感應電機轉子開槽鑄鋁進行了研究,對其進行二維與三維的求解,確定了電機的端部系數公式,并對影響端部系數的各種因素進行了研究和討論。光滑實心轉子感應電機的力能指標較低,在光滑實心轉子上開槽鑄鋁能夠提高其力能指標,改善電機的性能。轉子結構如圖3所示,當轉子開槽槽型為矩形,假定無鑄鋁端環的條件下,開槽鑄鋁層等效為各向異性的介質,設沿坐標軸方向的磁導率分別為 μx,μy,μz;電導率為 σx,σy,σz。

圖3 開槽實心轉子示意圖

由麥克斯韋方程可以得出開槽鑄鋁層的三維求解方程:

二維求解方程:

端部系數公式:

通過對開槽鑄鋁實心轉子感應電機的開槽鑄鋁層的二維與三維電磁場計算,導出其端部系數公式,分析了影響端部系數的因素:(1)端環的寬度與端部系數成反比。(2)槽深d與端部系數成正比。(3)槽寬bn與軸向等效電導率成正相關,與端部系數呈負相關。(4)鑄鋁的電導率σAL與開槽鑄鋁層的軸向等效電導率成正相關,與端部系數成負相關。(5)齒槽區的鐵磁物質的磁導率μt對端部系數的影響很小。

文獻[12-14]利用有限元解析的方法分析實心轉子感應電機轉子槽型為半閉口槽與開口槽在高頻與基頻旋轉電壓載波輸入的條件下,選出對于無速度傳感器控制的最優轉子開槽檢測效果。建立了考慮轉子開槽影響的適用于低頻與高頻的感應電機空間向量模型,并對3種轉子開槽形式:轉子開斜槽、轉子開半閉口槽與轉子開口槽進行了實驗,驗證了所建模型的優勢。轉子開槽模型如圖4所示。

圖4 轉子槽型示意圖

根據載波頻率與轉子磁鏈對轉子槽對定子電感的影響結果,開口槽電機的閾值載波頻率要高于半閉口槽,同時在減少轉子磁鏈時,開口槽會放大轉子開槽的影響。

1.3 雙層式轉子

雙層轉子結構能夠使SRIM在保持良好的起動品質的同時具有較高的力能指標。雙層轉子是由兩層鐵心組成的,包括外層的具有合適相對磁導率的鐵磁體圓筒,內層是由普通硅鋼片疊成的圓柱體。雙層轉子結構感應電機在起動時,具有較大的轉差率,進入轉子的電磁波透入深度小于外層的鐵磁體厚度,主磁通并沒有進入硅鋼疊片的圓柱體內,起動時主磁通分布如圖5(a)所示,此時電機的電磁過程與工作特性與光滑實心轉子感應電機相同,具有良好的起動性能。電機進入穩定運行時,轉差率降低,電磁波的透入深度大于鐵磁體厚度,主磁通進入硅鋼疊片中,使轉子中的感應電動勢增大,轉矩與出力提高,其穩定運行時的主磁通分布如圖5(b)所示。

圖5 雙層轉子主磁通

雙層轉子的外層鐵磁材料圓筒的厚度與相對磁導率對于雙層轉子感應電機的性能來說非常重要,一般根據式(4)選取合適的實心筒厚度[15]。

若厚度選擇過大,超出穩定運行時電磁波的透入深度,則電機特性與光滑實心轉子感應電機相同;若厚度選擇過小,則轉子磁阻增大,電機電磁轉矩降低,出力減小。

1.4 復合型轉子

復合型轉子類似于雙層式轉子,外層為實心鐵磁體圓筒,內層為安置有普通籠型繞組的硅鋼疊片鐵心。它既有光滑實心轉子優良的起動性能,又有籠型轉子感應電機小轉差率運行時較高的力能指標,與雙層式轉子感應電機相比,由于硅鋼疊片開槽嵌有籠型繞組,具有更好的小轉差率運行性能和更高的出力。復合型轉子感應電機的工作性能類似于雙層式轉子感應電機,外層鐵磁體圓筒厚度對于電機的性能影響很大,選取合適的鐵磁體圓筒厚度至關重要。

文獻[16]對具有環形槽的復合型轉子感應電機的三維電磁場進行分析并計算其端部系數。復合型轉子由于諧波磁通的透入深度小,導致諧波渦流損耗較大,電機效率因此降低。通過復合型轉子外層鐵磁體圓筒表面開環形槽,抑制諧波渦流,提高電機效率。具有環形槽的復合型轉子結構如圖6所示。

圖6 復合型轉子示意圖

通過解析計算和實驗驗證得出,復合型轉子表面開環形槽后,有效地降低了轉子諧波渦流損耗,提高了電機的效率。

1.5 其他轉子結構

除上述實心轉子結構以外,還有鍍銅實心轉子,轉子開槽加銅端環等以及一些針對具體情況復合多種以上轉子結構的改進結構。

文獻[17-18]研究一種高速實心轉子感應電機,其轉子結構采用軸向開槽兩端加銅端環結構,如圖7(a)所示。高速電機高頻諧波的存在,造成轉子損耗過高,電機溫升大,嚴重影響了高速電機的安全運行與使用壽命。通過在轉子表面開徑向槽的方式,切斷轉子高頻諧波路徑,降低轉子損耗。開槽后轉子結構如圖7(b)所示。

圖7 轉子開槽示意圖

仿真與實驗研究表明,轉子表面開徑向槽,切斷轉子高頻諧波路徑,降低轉子渦流損耗的同時,增大定轉子之間氣隙,提高電機的效率。除此之外,轉子開徑向槽后電機的溫升大大降低。

轉子結構的改進很大程度上提高了實心轉子電機性能,除此之外,選用合適的材料以及新材料的應用也是一種有效的途徑。例如,對于同一臺SRIM,轉子改用鐵銅合金后,電機的出力能夠提高20%左右。對于SRIM最佳的鐵磁材料應具有以下特性,再起動與大轉差率運行條件下,材料磁導率μr=20～30,相對較小;在穩定小轉差率運行時,材料磁導率μr=50～80,電導率σ=(1.5～2)σFe。

2 SRIM解析方法

國內外對于SRIM的解析計算研究具有數十年的歷史,并對此作出巨大的貢獻,提出許多行之有效的解析計算方法。SRIM的電磁參數計算與性能分析的方法有透入深度法、多層理論、單位磁阻抗法、等效磁路法、等效電路法等二維解析計算方法,其中透入深度法與多層理論應用廣泛,除此之外還有三維解析法以及時步有限元法。

2.1 透入深度法

透入深度法的基本原理是認為SRIM的轉子渦流集中均勻分布在轉子表面的透入深度層Δ內,而且渦流僅沿軸向流動沒有切向與徑向渦流分量。SRIM透入深度如圖8所示。

圖8 轉子透入深度示意圖

其中,透入深度Δ:

SRIM的轉子電阻與電抗都與轉差率s有著密切的關系,因此,在給定具體的轉差率s下,初步選取轉子電流,計算出轉子磁導率,在直角坐標系下,根據透入深度與電阻表達式R=ρL/A,求得折算到定子側的轉子電阻:

若考慮磁滯、渦流反應、端部效應等影響因素,則需要引入相對應的修正系數Kr,Ke等對轉子電阻進行修正。

2.2 多層理論

多層理論對實心轉子的研究時將二維轉子求解域沿圓周方向展開,沿徑向分層,如圖9所示,將轉子沿Y軸方向分為N層。在以下假設條件下:(1)定子繞組三相對稱,外施對稱的三相電壓,基波磁動勢等效為由沿定子內表面分布的基波正弦面電流產生,定子開槽用氣隙系數考慮。(2)定轉子軸向無限長,端部效應以端部系數考慮。(3)定子鐵心不飽和,磁導率無窮大,電導率為零。(4)不考慮鐵心材料的磁滯,也不考慮定轉子曲率。

則各層都滿足以下的矢量磁位方程:

式中:n表示第n層的厚度;τ為極距,μn為第n層的磁導率;第一層滿足邊界條件 Hx1=η1By1。

根據以上轉子層間傳遞矩陣,以轉子電流作為收斂依據,通過迭代計算求解轉子電磁場,由轉子表面第N層ByN和HxN可求得折算到定自側的轉子等效阻抗:

圖9 轉子二維分層法示意圖

式(7)求解得到轉子分層后層間的傳遞矩陣:

上述SRIM的解析計算方法在針對具體的研究對象具有一定的適用性,同時也有其局限性。例如:透入深度法僅適用于光滑實心轉子電機,而且轉子阻抗角假定為常數,計算時會引入一定的誤差;多層理論適用范圍較廣,可應用于結構更為復雜的實心轉子電機,但是在多層復合實心轉子感應電機的解析計算上,改進場量傳遞矩陣表達為級連阻抗表達(分層阻抗理論),具有更高的優越性;隨著計算機技術的發展,時步有限元法對實心轉子感應電機的解析計算具有更高的精度,但是其耗時太長。

3 結 語

實心轉子感應電機以其結構強度高等優點在高速電機領域/多自由度電機領域被廣泛應用,有著不可取代的價值。但是實心轉子造成電機效率低下、力能指標低等問題,是影響SRIM現實生產應用的重要原因。本文總結了SRIM轉子開槽、表面覆銅等轉子結構以及在此基礎上的派生轉子結構,分析了不同轉子結構對SRIM輸出性能的改善作用,最后介紹了實心轉子感應電機的解析計算方法。