多相感應電機通風槽板渦流損耗分析

張 文，齊 奇，吳新振

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多相感應電機通風槽板渦流損耗分析

張 文1，齊 奇2，吳新振1

（1. 青島大學，山東 青島 266071；2. 青島供電公司，山東 青島 266001）

大容量多相感應電機通風槽板渦流損耗是造成鐵心溫升的一個重要原因，也是決定大容量電機安全運行的關鍵因素之一。本文以一臺十二相異步電機為例，分析了通風槽板對電機軸向磁密分布的影響，并做出通風槽板渦流分布三維圖，分析得到通風槽板的渦流分布特點，并對通風槽板結構進行優化，有效的減小了渦流損耗，為工程設計提供理論依據。

十二相異步電動機；通風槽板；渦流損耗；有限元計算；分析和優化

0 前言

多相感應電機具有可靠性高和轉矩密度高等特點，能夠滿足艦船電力推進的要求，現已廣泛應用于電力推進領域[1-3]。大容量感應電機不僅輸出功率高損耗也同樣巨大，為避免溫升過高對電機造成損壞，常常在電機定轉子鐵心中安裝通風槽板，來增加電機的通風散熱能力。當通風槽板采用導磁導電的良性材料時，會在通風槽板中產生渦流，引起附加損耗，如果設計不合理，通風槽板中產生的渦流損耗會很大，造成局部溫度過高，影響電機的性能和壽命，所以，研究大容量感應電機通風槽板渦流損耗的影響因素及優化措施非常重要。

目前，國內外學者對電機的構件引起的渦流附加損耗進行了深入研究，文獻[4]對大型空冷水輪發電機端部齒壓板的渦流損耗進行了分析，文獻[5]對大型充水式潛水電機端部鐵心、定子壓圈、定子端部繞組等構件的渦流損耗進行了分析計算，并提出優化措施。國內外學者對通風槽板的制造工藝及結構做了大量改進優化，提高了電機的散熱能力[6,7]，而對通風槽板渦流損耗方面的研究鮮有報道。

本文對通風槽板上的渦流附加損耗進行研究，以一臺大容量十二相異步電機為樣機，分析影響通風槽板渦流損耗的因素，并提出對通風槽板結構的優化措施，以減小通風槽板的渦流損耗。

1 物理模型及數學模型

1.1 物理模型及基本假定

十二相異步電機定子槽數為168，轉子槽數為210，極對數為7，定子鐵心中安裝22個通風槽板，將定子鐵心分成23段，每段鐵心軸向長度相同。電機采用的通風槽板結構如圖1所示，由通風槽片和通風條構成，且均采用Q235B材料，電導率為3.31×106S/m，其導磁性能較好，定轉子鐵心采用50WW350型號硅鋼片。

圖1 通風槽板結構圖

由于電機磁路具有周期對稱性，為減少計算時間，同時減小計算模型以及有限元剖分，建立周向1/7、軸向1/22模型，如圖2所示。定子繞組分為兩層，由于定子繞組采用整距集中繞組，每槽中上下層繞組的電流大小相等方向相同，故可用一個繞組等效，并做出以下假設：

（1）不計及位移電流，忽略鐵心材料的磁滯效應，鐵心材料各向同性；

（2）所有場量均按正弦規律變化；

（3）不考慮溫度對電導率的影響，假定計算溫度為75℃。

圖2 通風槽板損耗求解區域

1.2 模型計算及邊界條件設置

在三維渦流場求解區域中，渦流區域為定、轉子繞組、通風槽板等導電構件所在區域，非渦流區域為定、轉子鐵心等非導電構件所在區域，采用，-法建立十二相異步電動機渦流場數學模型[8]：

（1）

同時，還存在以下關系：

上式中，為矢量電位，為標量磁位，為源電流密度，為磁場強度，為源電流密度在無界空間中所產生的磁場強度，為磁感應強度，為磁導率，為電導率。為使微分方程（1）和（2）有唯一解，設置1和2為周期性偶對稱邊界條件，其他邊界設為平行邊界條件。

2 模型有限元分析

2.1 磁場分析

首先分析電機的磁場分布，分別對鐵心軸向中心處氣隙磁密和通風槽板軸向中心處氣隙磁密進行傅里葉分解，得到基波和諧波含量分布，如圖3所示。

圖3 氣隙磁密分布

由圖3分析可以看出，鐵心處和通風槽板處氣隙磁密中除基波外23次、25次、29次和31次諧波含量較高，其中23次、25次屬于定子齒諧波，29次和31次屬于轉子齒諧波，通風槽板處相對于鐵心處的磁密有所下降，其中基波和23次諧波減少量較大，25次、29次、31次諧波減少量較小。綜上，基波和齒諧波是造成通風槽板渦流損耗的主要原因。

Q235材料是導磁導電較為良好的材料，做出Q235和50WW350硅鋼片相對磁導率對比圖，如圖4所示，可以發現當磁密大于1.6T時兩種材料的相對磁導率較為接近，由于通風槽板和電機鐵心緊密接觸，所以電機在較為飽和部位會向通風槽板泄露，引起渦流損耗。

圖4 相對磁導率

電機在額定運行狀態下，鐵心和通風槽板的磁密分布如圖5所示，可以發現，鐵心齒部磁密較高且多處位置磁密大于1.6T，會造成磁密泄露，軛部磁密較小，根據通風槽板磁密分布圖可以看出其齒部磁密較高、軛部較小滿足上述分析結果。

(a) 鐵心磁密分布

(b) 通風槽板磁密分布

圖5 磁密分布圖

2.2 通風槽板渦流分布

為分析通風槽板的渦流分布，分別作出通風槽片、齒部通風條、軛部通風條徑向渦流分布，如圖6所示。

由圖6可以得出，通風槽片的平均渦流最大，齒部通風條的渦流次之，軛部通風條的渦流最小，并且軛部的渦流比齒部渦流大，通風槽片齒頂部渦流比齒部其它位置大。

2.3 通風槽板渦流損耗計算

在一個周期內，通風槽板渦流損耗的平均值P可由式（4）得到：

其中，上標表示單元值，為單元格數，下標，，表示渦流在，，軸方向的分量，下標和分別表示復矢量相應分量幅值的實部和虛部。根據式（4）可以求得22個通風槽板總的平均損耗為392.6kW。

3 通風槽板結構優化

通風槽板結構優化的原則是要保證通風槽板的結構強度，同時不能影響其通風散熱能力。根據前文分析可知，通風槽板靠近氣隙的齒頂處磁通密度很大，同時這部分渦流密度也很大，為大幅度減小這部分渦流損耗，提出將齒頂兩個直角改為半徑為11.5mm的兩個1/4圓角的優化措施，圖7給出了一個定子槽距下通風槽板優化前后對比圖。

圖7 通風槽板齒部優化

對通風槽板齒部結構優化后，渦流損耗減小為 269.9kW，相比優化前減小了31.3%，優化效果顯著。

4 結論

以十二相異步電動機為樣機，采用，-法對其進行有限元計算，從磁場分布和渦流分布兩方面進行分析，得出以下結論：

（1）磁場中除基波外，齒諧波含量相對較高；通風槽板處磁密相對于鐵心處磁密明顯減小。

（2）軛部的渦流密度大于齒部的渦流密度，齒部渦流主要集中在齒頂；通過對通風槽板齒部結構優化，通風槽板的渦流附加損耗減小了31.3%。

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Analysis on Eddy Current Loss of Ventilation Slot Board in Multi-phase Induction Motor

ZHANG Wen1, QI Qi2, WU Xinzhen1

(1. Qingdao University, Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Power Supply Company, Qingdao 266001, China)

Eddy current loss of ventilation slot board in large capacity multi-phase induction motor is an important cause for core temperature rise, it is also one of the key factors for safety operation of large capacity motor. This paper, taking a twelve phases asynchronous motor as an example, analyzed the influence of ventilation slot board on the magnetic density distribution, developed a three-dimensional distribution map of eddy current in ventilation slot board. The characteristics of the eddy current distribution of the ventilated slot plate are analyzed, and the structure of ventilation slot board is optimized, thus reducing the eddy current loss effectively, and providing theoretical basis for engineering design.

twelve phases asynchronous motor; ventilation slot board; eddy current loss; finite element calculation; analysis and optimization

TM311

A

1000-3983(2018)05-0016-04

2018-05-23

張文（1993-），現為青島大學電氣工程方向全日制碩士研究生，研究方向為大容量多相感應電機附加損耗的研究。

國家自然科學基金（51677092）