機車用異步電機轉子槽形設計探析

葉 飛

(西安清泰科新能源技術有限責任公司，西安 710077)

0 引 言

隨著變頻調速技術、電力電子變流技術的迅速發展，異步電機的調速性能和應用范圍得到了巨大的提升和開拓。然而，變頻器輸出的電壓和電流多為非正弦波，包含了大量的高次諧波，這使得電機產生了附加的銅耗、鐵損以及其他的一些損耗，而且由于集膚效應顯著，電機定、轉子電阻會隨頻率非線性增大，這也增加了定、轉子的諧波損耗，所以電機的效率與功率因數都將降低[1]。文獻[2]指出,對于定子采用散嵌線繞組的電機，由于線徑很小，對集膚效應不敏感，因此應重點關注轉子的集膚效應。文獻[3]研究了變頻異步電機轉子集膚效應與轉子槽形尺寸的關系，提出降低轉子集膚效應的最優轉子槽形尺寸公式。

以上學者均在一定程度上就轉子槽形對變頻電機性能的影響進行了深入研究，考慮高次諧波下轉子集膚效應問題，由于變頻電機起動時電壓和頻率都非常小，起動電流一般為2～3倍的額定電流，不需要利用轉子的集膚效應降低起動電流，因此宜采用梨形槽或梯形槽[3-4]。

然而，機車用異步電機通常并非變頻起動，而供電線路中卻包含有變頻器，電源諧波含量大，這就要求電機在額定或某些特定頻率下具有良好的起動性能，顯然采用梨形槽或梯形槽是不合適的。

本文在文獻[5]研究的基礎上，利用ANSYS軟件中的電磁模塊Simplorer+Maxwell進行聯合仿真，探析轉子槽形如何在充分考慮轉子集膚效應、保證電機良好起動性能的同時，又能抑制高次諧波對電機的影響，并著重講述三相諧波含量不等時新設計槽形對三相電流不平衡現象的抑制作用，為類似工程應用提供參考。

1 轉子槽形的選擇及設計

對于供電電源中含有的高次諧波所形成的高頻旋轉磁場，電機轉子接近于堵轉，轉差率恒約等于1，定、轉子電抗遠大于電阻[6]。再考慮到電機的激磁電抗遠大于轉子電抗，因此異步電機k次諧波的等效電路可以由圖1(a)簡化為圖1(b)。圖1中σx為因集膚效應轉子電抗減小系數，σr為因集膚效應轉子電阻增加系數。

(a) 等效電路

文獻[5]研究表明，1 700 Hz時，閉口圓形槽電抗減小系數0.949 3，閉口梨形槽、梨形槽、梯形槽、刀形槽依次次之，凸形槽最差，電抗減小系數0.670 6。閉口槽有較好的消弱因集膚效應引起的轉子電抗減小的能力，隨著頻率的增加，電抗幾乎不變，能夠有效地抵抗諧波對電機帶來的危害。但圓形槽或梨形槽起動電阻較小，起動性能差，不適合作為機車用異步電機轉子槽形。

常用的轉子槽形中，凸形槽集膚效應最好，但槽形復雜，沖模制造較困難；相較而言，刀形槽由于有較好的集膚效應，起動電阻大，在中小型異步電機中被廣泛采用。

某型電機轉子槽形如圖2所示，充分考慮了異步電機的集膚效應，工頻電源下，電機穩態運行和起動性能都能達標；但當變頻器供電時，高次諧波電流激增，溫升升高，甚至三相電流不平衡度﹥20%，迫使跳閘，電機停止運行，影響機車正常工作。

圖2 半開口刀形槽

為了保證電機的起動性能，要求消弱諧波危害，將圖2槽形頂部增加鐵橋，改為閉口槽，加大轉子電抗消弱諧波電流，如圖3所示。但刀形槽集膚效應明顯，電阻增加系數較大[5]，應設法消除由高次諧波引起的附加轉子鋁耗，保證電機效率。

圖3 閉口刀形槽

對于鑄鋁轉子，ν次諧波集膚效應導條有效高度：

(1)

式中：h1為導條有效高度，單位cm；f1為電源運行基波頻率。

諧波次數越大，導條有效高度越小。因此，可將轉子槽形上部設計成上寬下窄,以削弱高次諧波集膚效應引起的轉子電阻的增加，如圖4(a)所示。但槽口變大后，必然會降低轉子電抗，不利于抑制諧波。保證槽口不變，將槽形變換成如圖4(b)所示，進一步還可以設計成圖4(c)。

(a) 閉口寬頂刀形槽

2 方案對比及分析

不同轉子槽形，電機電流和轉矩仿真結果對比如表1所示。

表1 電機電流和轉矩仿真結果對比

經過對比，正弦波電源下，電機額定電流相差不大。諧波電源下，圖3槽型電流可減小15.1%，圖4(b)槽型電流可減小28.6%。可見，閉口槽對諧波電流的抵制有明顯的作用。

圖3槽形因采用閉口槽，較圖2槽形槽漏抗增大，導致起動性能下降；圖4(b)槽形槽上部形狀可以靈活調整，能使轉子基波槽漏抗和電阻與圖2槽形相近，起動性能基本保持不變。

對諧波電源下Maxwell的仿真電流曲線進行快速傅里葉變換，得到基波和各次諧波電流幅值，如表2所示。圖4(b)槽型對5次和7次諧波的抑制要優于圖3槽型，而對于更高次諧波抵制作用則較差。根據式(1)可知，諧波次數越高，轉子導條的有效高度越小，圖4(c)槽形導條頂部較圖3槽形寬，更高次諧波轉子有效電抗小，因此更高次諧波電流大。

表2 電機基波和各次諧波電流幅值i/A

某型電機服役于機車冷卻系統，由發電機供電，為節能減排，當被冷卻設備溫升較低時，機車控制系統會自動降低發電機轉速，改變供電頻率，必要時還會進行一次斬波，進一步降低電機轉速，而斬波后電源諧波含量較大。

表3是某型電機工作過程中，供電電壓斬波后的諧波含量，其中5次和7次諧波含量最高，使用本文設計的圖4(b)槽形尺寸能夠較好地抑制5次和7次諧波，在一定程度上要優于圖3槽形。實際設計中，根據所要重點抑制的諧波次數，可以利用式(1)對導條有效高度進行計算來獲得最佳槽形尺寸。

表3 電機1/2額定速度下變頻器輸出電壓諧波含量

3 轉子槽形對三相電流不平衡的影響

3.1 諧波電源

電源諧波含量如表3所示，以某型電機IDLE工作狀態為例，斬波后頻率16.8 Hz，電壓基波有效值37 V，利用Simplorer建立諧波電源，如圖5所示。

圖5 諧波電源

3.2 耦合電路

Simplorer聯合Maxwell協同仿真電路如圖6。將圖5的諧波電源加載至C相，A相和B相加載正弦波電源，以模擬最大程度上三相諧波含量不等時電機三相電流不平衡情況。

圖6 諧波電源

3.3 仿真結果

不同轉子槽形，電機電流Maxwell仿真結果如圖7～圖9所示。

圖7 三相電流不平衡情況(圖2槽形)

圖8 三相電流不平衡情況(圖3槽形)

圖9 三相電流不平衡情況(圖4(b)槽形)

圖2槽形三相電流不平度24.5%，圖3槽形不平度17.8%，圖4(b)槽形不平度11.9%，說明轉子采用閉口槽的中小型三相異步電機在由變頻器供電的系統中能夠很好地抑制三相電流不平衡現象。

某型電機在改型前采用圖2槽形，該電機所服役的機車供電系統設定的三相電流不平衡度保護限值為20%，電機在運行過程中頻繁跳閘，改型后，采用圖4(b)槽形，再無因電流不平衡跳閘現象。

4 結 語

本文利用Simplorer+Maxwell聯合搭建仿真電路，通過場路耦合得到諧波電源下三相異步電機的電流情況，說明了轉子閉口槽在抑制諧波電流和改善三相電流不平衡方面的有效性，并從理論上對閉口槽抑制諧波電流進行了深入分析，最后以某型電機實際運行情況為例，驗證了本文觀點的正確性，為應用于要求具有一定起動性能而又富含諧波場合的異步電機設計提供了參考。