不同轉子槽形對感應電機性能影響的對比分析

2019-11-25 06:29:24應凱文趙朝會

微特電機 2019年11期

應凱文，趙朝會

(上海電機學院電氣學院,上海 201306)

0 引言

轉子槽形的變化對于電機性能參數有較大影響，例如電機的起動性能、損耗特性、效率及溫升等。

就轉子槽形而言，采用鑄鋁轉子的中小型電動機，一般采用平底槽、凸形槽、閉口槽、雙籠槽、刀形槽等。其中平底槽強度較高，主要用于功率較大的電機；平行槽的集膚效應比平底槽的槽形顯著，對改善電機起動性能有利；凸形槽的集膚效應顯著，能降低電機起動電流，改善起動性能，但是形狀復雜，沖模加工困難；閉口槽可減少電機的附加損耗，但是增加了轉子的槽漏抗；雙籠槽可以得到較好的起動和運行特性；刀形槽保留了凸形槽的優點，也方便了沖模加工[1]。

在硅鋼片有優良的導磁性能基礎上，槽形的選擇需考慮齒部和軛部的磁密大小，磁部機械強度，以及軛部機械強度等參數[2]。

目前，國內外已有學者針對電機槽形進行了性能分析并做了改進優化。文獻[3]改進了內嵌式永磁電機的轉子結構，使諧波鐵耗降低了近一半；文獻[4]通過對電機槽形改進提高了電機的效率；文獻[5]制定了關于鼠籠式異步電機的轉子閉口槽結構優化流程，以達到最高效率；文獻[2]以一臺5.5 kW的異步電機為例，優化了定子槽形，使電機空載損耗降低了7%；文獻[6]針對籠型感應電機，對轉子槽尺寸進行了優化，在不改變穩態性能的條件下，獲得了最大起動轉矩；文獻[7]在考慮轉子槽形的情況下，提出了一種新的仿真方法并進行了瞬態分析；文獻[8-9]對定轉子槽形進行優化，有效降低了電機損耗；文獻[10]通過田口算法計算出了電機槽形變量對優化目標的影響權重，并指出轉子槽寬和轉子槽高等對電機效率、電機起動轉矩倍數及電機起動電流倍數影響權重較大。

本文以一臺容量為11 kW的三相感應電動機為例，建立了Maxwell有限元電機模型，選取了平底槽與刀形槽兩種槽形，當電機轉子采用平底槽和轉子刀形槽時，對比分析了電機定轉子銅耗、鐵耗、起動轉矩及起動轉矩電流，并進行了實驗驗證，驗證了分析結果的正確性。

1 電動機的主要結構參數及對比槽形

1.1 電動機的主要結構參數

本文針對一臺11 kW三相異步電動機進行研究，該電動機的主要結構參數如表1所示。

表1 電動機的主要結構參數

1.2 供選擇的槽形

供選擇的槽形如圖1所示，其中圖1(a)為轉子平底槽，圖1(b)為轉子刀形槽。需要說明的是，兩種槽形的槽深度和槽面積相等，且均采用半開口槽，槽口寬度相等。兩種槽形的尺寸參數如表2、表3所示。

(a) 轉子平底槽

(b)轉子刀型槽圖1 槽形表2 轉子平底槽結構參數

參數名稱數值參數名稱數值Bs0/mm1Hs0/mm0.5Bs1/mm3.8Hs1/mm1.6Bs2/mm3.73 Hs2/mm19.4

表3 轉子刀形槽結構參數

2 基于有限元的電機性能計算方法

感應電機的定轉子磁路飽和情況以及電機轉子集膚效應會隨著電機轉速的變化而變化。可利用轉子電阻和電感在起動過程中的集膚效應隨頻率變化的規律，實現降低起動電流的同時，提高起動轉矩，從而改善起動性能。

電氣和電子工程師協會(IEEE)和美國國家電氣制造業協會(NEMA)嚴格規定了各種損耗，其中通常需要考慮的損耗有歐姆損耗、機械損耗、空載鐵心損耗、負載雜散損耗[10]。其中，定轉子銅耗組成了歐姆損耗，且在一般情況下，在實驗過程中得到機械損耗后，在損耗分析中可認為其為恒定。

2.1 歐姆損耗計算

2.1.1 考慮諧波電流影響的定子銅耗計算

定子銅耗是繞組的電阻損耗，主要由通過繞組的電流大小決定，由于電網供電，繞組中會存在各次諧波電流。通過Maxwell軟件分析得到定子繞組電流，并對其波形進行傅里葉分解，即可得到各次諧波電流的有效值。計算出定子基波電流的諧波電流所產生銅耗，定子銅耗可表示[11-12]：

(1)

式中：pcus為定子總銅耗；Ipk為功率繞組的第k次諧波相電流的有效值；N為諧波次數；Rp為定子每相繞組電阻。

2.1.2 考慮導條內高頻電流的轉子銅耗計算

由于定子諧波磁場與轉子相對運動，轉子導條內會產生高次諧波感應電流，因此必須考慮集膚效應導致轉子導條電流分布不均勻對轉子銅耗的影響。計算公式如下[2]:

(2)

式中：pCur為轉子總銅耗；Lef為轉子有效軸長；S△為導條區域單元面積；J△為電流密度；σ為導條電導率。

2.2 鐵耗

1988年BertottiG提出了三項式常系數鐵耗計算模型，由磁滯損耗、經典渦流損耗和異常鐵耗三項組成，其公式可表示[13-15]:

pFe=khfB2+kef2B2+kaf1.5B1.5

(3)

2.3 起動電流計算方法

起動瞬間，電機處于短路運行狀態，定子電流很大，其公式可表示：

(4)

式中：Rst表示起動時的總電阻，包括起動時轉子電阻的折算值；Xst表示起動時的總電抗，包括起動時轉子電抗的折算值。

2.4 起動轉矩計算方法

起動時轉差率s=1，參照文獻[10,17]中的改進麥克斯韋應力法，把原本二維場中對氣隙內單元的線積分改為對氣隙內所有單元的面積分，即可獲得起動轉矩的實際值，可表示如下：

(5)

3 電機起動性能有限元分析及其對比

利用前述介紹的電機參數，建立了11kW感應電動機的有限元模型，在平底轉子槽電機模型后，僅改變轉子槽形結構，其他各項參數與前者保持一致，并在轉子槽面積保持不變的情況下，得到一個新的有限元模型。

隨后對電機堵轉情況進行仿真，并將模型的運動設置轉速設為零。但是電機在不同位置堵轉時，堵轉轉矩和堵轉電流會出現較大偏差，為了能更準確計算電機的堵轉性能，參照文獻[18]方法，對其進行參數化分析。具體方法：選取轉子d軸與定子A相繞組軸線重合，然后以電機初始角為變量，對該變量進行參數化分析，因為該電機為6極，故在0～24°角度范圍里取6個點，步長為4°。參數化分析結束后，取堵轉轉矩結果中的最小值作為電機的堵轉轉矩；取堵轉電流有效值的最大值作為電機的堵轉電流。