開槽實心轉子電機磁場及性能分析

胡 巖，張 帆

(沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870)

0 引 言

實心轉子異步電機制造簡單、可靠性高，適用于高速驅動領域[1]，但是效率低。在其轉子表面軸向開槽可以改善電磁性能，提高電機起動轉矩[2-3]。

實心轉子的磁路與電路混合，轉子上除了切向、徑向分布的磁場、電流場，還存在軸向分布的磁場和電流場[4-6]，尤其在實心轉子表面軸向開槽后電機磁場和電流場更為復雜，因此，要準確計算這種電機的轉子參數比較困難。在以往的研究中常采用二維有限元法、解析法等方法對該類電機的磁場進行分析與研究，但采用上述方法得到的結論是在沒有考慮轉子的徑向電流和軸向磁場變化的情況下得到的，分析結果存在較大誤差[7-8]。開槽實心轉子結構示意圖如圖1所示。

圖1 開槽實心轉子

通過三維有限元法能夠充分考慮鐵心飽和以及端部效應和磁場軸向分布等因素對開槽實心轉子異步電機性能的影響[9]。電磁場的準確計算是設計步驟中關鍵的一步，它與電機損耗、轉矩特性以及溫升存在重要關系[10]。目前，對開槽實心轉子異步電機三維電磁場的分析研究極少，更多的是通過二維物理模型來研究它的磁場分布規律及運行性能，這種簡化計算存在的弊端是無法準確地反映電機真實的電磁場分布規律[11]。

本文采用三維有限元模型對實心轉子異步電機進行仿真計算，同時和實心轉子異步電機樣機測試數據進行比較，證明所建三維模型的正確性。利用三維有限元模型來分析開槽個數和深度對實心轉子電機性能的影響。

1 電機建模以及主要參數

實心轉子異步電機的三維有限元物理模型的建立對三維有限元計算結果的準確性具有重要的意義。本文的實心轉子異步電機設計參數如表1所示,電機的三維模型圖如圖2所示。

表1 電機模型主要參數表

圖2 實心轉子異步電機三維模型

2 有限元仿真

2.1 三維磁場分析

由于開槽實心轉子異步電機的結構對稱性，為了在不降低計算準確性的前提下同時減少求解時間，所以把求解部分設置為電機模型的四分之一。該電機及轉子模型剖分圖如圖3所示。

(a) 電機

(b) 轉子

各部分場量的計算結果是在有限元軟件的后處理器中完成，電機在空載起動和堵轉運行時的磁密云圖如圖4所示，開槽實心轉子的磁密云圖如圖5所示。

(a) 空載時

(b) 堵轉時

(a) 空載時

(b) 堵轉時

由圖4、圖5可以分析得出，開槽實心轉子內的渦流主要集中在其表面極薄的滲透層內，同時形成了一個橫軸磁場。其中與主磁場方向相同的磁場具有增磁效應，與主磁場相反方向的磁場起到去磁作用。

由圖5可以分析得知，轉子表面上的磁通密度較大，使得磁場處于飽和狀態，所以磁通在轉子內部的分布很少，導致磁場向臨近的方向偏轉，最后沿定子鐵心形成閉合。通過磁密云圖分析可以得知，在轉差率幾乎為零時，開槽實心轉子表面的磁通密度很小，轉子中的磁通分布很均勻，這是由于此時的渦流反應很小。隨著轉差率的增大，轉子表面的集膚效應更顯著。當電機在堵轉運行狀態時，磁通大多聚集在實心轉子的表面。

圖6是開槽實心轉子異步電機在堵轉狀況下運行時的轉子附加損耗。開槽實心轉子中的附加損耗主要是由氣隙中的高次諧波導致的。開槽實心轉子異步電機特殊的轉子結構，使得高次諧波磁場在轉子中進入深度較小，所以轉子表面損耗占附加損耗的絕大部分。在開槽實心轉子異步電機發生堵轉時，轉子的附加損耗最大，從而影響電機的效率和性能。因此，通過降低開槽實心轉子的附加損耗可以提高該類電機的性能。

圖6 電機堵轉時轉子附加損耗

圖7是電機在空載起動和堵轉狀態時的氣隙磁場波形圖。根據圖7分析可得，由于渦流效應的影響導致氣隙磁場產生畸變，而且渦流效應越強烈，氣隙磁場波形將會畸變得更加嚴重。

(a) 空載時

(b) 堵轉時

2.2 電機性能分析

采用三維有限元法對該電機的空載起動和堵轉狀態進行仿真，通過對三維瞬態電磁場的求解，得出該電機的反電動勢和定子電流的波形，如圖8、圖9所示。其中，圖8為電機空載狀態下的曲線波形，圖9為電機在堵轉狀態下的曲線波形。

(a) 反電動勢

(b) 定子電流

(a) 電磁轉矩

(b) 反電動勢

(c) 定子電流

2.3 實驗驗證和結果分析

為了驗證三維電磁場有限元模型的準確性，制造了光滑實心轉子異步電機的樣機，并且對該樣機在不同的工況下進行實驗，同時測量了對應的實驗數據[9]。該樣機的測試數據如表2所示。該樣機的三維有限元法計算的結果如表3所示。與實驗數據對比，計算值對比，結果滿足工程誤差要求。

表2 光滑實心轉子電機實驗結果

表3 光滑實心轉子三維有限元法相對誤差分析

選取圖8、圖9穩定時的曲線，使用軟件的數值計算器可以求出開槽電機的電磁轉矩平均值和定子電流的有效值,與光滑實心轉子的三維有限元法計算值對比，結果如表4所示。

表4 光滑實心轉子與開槽實心轉子三維有限元法結果對比

3 開槽實心轉子的最佳參數

3.1 開槽實心轉子的最佳開槽深度

為了確定開槽實心轉子的最佳開槽深度，本文用三維有限元法分析了不同開槽深度的轉子起動轉矩。用有限元軟件建立了開槽實心轉子的三維模型圖，如圖10所示。

由圖11可以看出，在光滑實心轉子表面開槽時，輸出轉矩隨開槽深度先增加后減小。

由圖12分析可知，在實心轉子表面軸向開槽以后，隨著開槽深度的增加，實心轉子的阻抗減小，電流、功率因數與輸出轉矩得到相應的提高。但是當開槽深度超過一定值時，一方面實心轉子的飽和程度明顯降低，磁場的透入深度降低，使實心轉子的內阻抗不會由于開槽深度的增加而減小；另一方面隨著齒部槽漏抗的增加，實心轉子的總阻抗與阻抗角增加，從而導致實心轉子異步電機的電流、功率因數和轉矩都減小。通過分析得出，取最佳的開槽槽深等于透入深度時，電機的工作性能最好。

圖10 開槽實心轉子

圖11 實心轉子開槽深度和起動轉矩的關系圖

(a) 開槽深度2 mm

(b) 開槽深度6 mm

(c) 開槽深度8 mm

3.2 開槽實心轉子的最佳開槽數量

為了確定開槽實心轉子的最佳開槽數量，本文用三維有限元法分析了不同開槽數的轉子起動轉矩，如圖13所示。

圖13 實心轉子開槽數和起動轉矩的關系圖

由圖13可以看出，在光滑實心轉子表面開槽時，起動轉矩隨轉子槽數先增加后減小。

由圖14可以觀察到，在實心轉子表面軸向開槽以后，隨著開槽數量的增加，實心轉子的阻抗減小，電流和功率因數也相應增加。但是當實心轉子表面軸向開槽槽數太多時，功率因數上升的趨勢慢慢緩和，將會導致有效氣隙增加，從而使勵磁電抗減小。在開槽數量的選擇時要考慮充分，只有在合理的開槽數量情況下，才可以有效地提高電機的運行性能；同時，在具體選取時還要充分考慮實心轉子的尺寸和機械特性。

(a) 開槽數為26

(b) 開槽數為28

(c) 開槽數為34

4 結 語

本文通過三維有限元模型仿真研究實心轉子異步電機的電磁性能。對比光滑實心轉子異步電機在空載和堵轉情況下的仿真結果與樣機測試數據，驗證了所建三維模型的準確性。在三維有限元模型的基礎上，對實心轉子表面軸向開槽個數和深度對實心轉子電機性能的影響進行研究。實心轉子表面開槽會導致電機的等效氣隙變大，在選擇開槽個數和深度時要充分考慮各方面因素。只有在合理的開槽個數和深度情況下，才可以有效地提高電機的運行性能。本文分析結果可為該類電機的優化設計提供依據。