變頻異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽研究綜述

摘 要：為了提高變頻異步電動(dòng)機(jī)的性能，除了變頻器本身不斷改進(jìn)提高外，變頻電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)也在不斷的研究中。文章主要綜述了在變頻異步電動(dòng)機(jī)中的槽配合、槽形選擇、槽形尺寸設(shè)計(jì)以及各種常用轉(zhuǎn)子槽形的特點(diǎn)，接著對(duì)目前轉(zhuǎn)子槽的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了探討，并展望轉(zhuǎn)子槽的研究方向。

關(guān)鍵詞：變頻異步電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子槽數(shù)；轉(zhuǎn)子槽形

引言

變頻電源供電的異步電動(dòng)機(jī)與工頻正弦波供電的異步電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別為兩方面。一方面是變頻電源供電的異步電動(dòng)機(jī)是在低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運(yùn)行的，另一方面是變頻電源輸出波形是非正弦的。電源輸出波形中除了基波外還有諧波分量。由于變頻供電諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響較大，為了提高變頻異步電動(dòng)機(jī)的性能，除了變頻器本身不斷改進(jìn)提高外，變頻電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)也在不斷的研究中。其中，轉(zhuǎn)子槽是電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要載體，在變頻異步電動(dòng)機(jī)中起著關(guān)鍵作用。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻電源中的各次諧波會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使導(dǎo)體有效截面積減少，電阻增大，造成損耗增大。電源高次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差較大，所以由于諧波引起的集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子損耗是不可忽略的，再加上變頻異步電動(dòng)機(jī)采用降頻降壓軟起動(dòng)方式。所以變頻異步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子槽的設(shè)計(jì)思想不僅發(fā)生變化，而且變得尤為重要。

1 轉(zhuǎn)子槽數(shù)設(shè)計(jì)的變化

在變頻異步電機(jī)中，從異步和同步附加轉(zhuǎn)矩的方面來(lái)考慮，諧波電流的存在對(duì)定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合的選擇沒(méi)有影響，仍可采用普通異步電機(jī)的槽數(shù)配合來(lái)減小同步和異步附加轉(zhuǎn)矩。同步附加轉(zhuǎn)矩的槽配合如表1。異步附加轉(zhuǎn)矩的槽配合為選擇恰當(dāng)?shù)亩ā⑥D(zhuǎn)子槽數(shù)間的比值或者斜槽來(lái)降低KvKskv2的積值。其中Kv為v次空間諧波轉(zhuǎn)子的耦合系數(shù)，K■=■，Kskv為v次空間諧波轉(zhuǎn)子的斜槽系數(shù)。不過(guò)，選擇實(shí)現(xiàn)5/6短矩系數(shù)的槽數(shù)，可以大大削弱5次諧波和7次諧波產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩影響。

從脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面來(lái)考慮，雖然脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值為零，但是它會(huì)使電機(jī)的角速度發(fā)生波動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，特別是低頻時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至有步進(jìn)感。所以，定轉(zhuǎn)子槽配合主要避免一階定轉(zhuǎn)子齒諧波產(chǎn)生的低階力波（如表2所示）。選擇電機(jī)槽數(shù)時(shí)應(yīng)使激振力波的頻率避開(kāi)電動(dòng)機(jī)的固有頻率。防止電機(jī)發(fā)生共振[1]。

轉(zhuǎn)子槽數(shù)與定子槽數(shù)的配合對(duì)異步電機(jī)影響是多方面的，包括電機(jī)功率因數(shù)、附加損耗、電磁噪聲、附加轉(zhuǎn)矩等方面。在變頻異步電動(dòng)機(jī)中，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合不當(dāng)會(huì)由于變頻電源中的高次諧波的作用而變得更嚴(yán)重。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，按全局最優(yōu)的觀點(diǎn)正確選擇合理的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合。

2 轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)的變化

變頻異步電動(dòng)機(jī)采用降頻降壓軟起動(dòng)，具有既可以提高起動(dòng)力矩，又可以降低起動(dòng)電流的優(yōu)點(diǎn)。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需過(guò)多的考慮電機(jī)的起動(dòng)性能。由于變頻器輸出的諧波分量使轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)影響比重增大，而集膚效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于轉(zhuǎn)子電流的頻率和槽形尺寸。因此，在變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意轉(zhuǎn)子槽形的選擇，最大限度地減少集膚效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)出集膚效應(yīng)小的轉(zhuǎn)子槽形。

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形選擇的變化

在異步電機(jī)中，常用的轉(zhuǎn)子槽形有平底槽、圓底槽、梨形槽、凸型槽、刀型槽、雙籠型槽、閉口槽。其中平底槽、圓底槽、梨形槽為平行齒半閉口槽。

2.1.1 平行齒。平行齒的轉(zhuǎn)子槽可以將槽型的面積充分的利用，使得齒部的磁密分布得很均勻，電機(jī)運(yùn)行能力好。具有平行齒的轉(zhuǎn)子槽形電機(jī)電氣性能基本相似，平行齒梯形槽為半閉口槽，半閉口槽的槽開(kāi)口較小，有利于鐵心表面損耗、齒部損耗的減小，同時(shí)還可以減小氣隙系數(shù)和勵(lì)磁電流，增加槽面積利用率，同時(shí)由于槽絕緣的彎曲程度小，不易破損。

2.1.2 平行槽。雖然平行槽齒根的磁密比較大，造成磁密不均勻的現(xiàn)象，并且機(jī)械強(qiáng)度也非常差。但是平行槽的啟動(dòng)電阻以及啟動(dòng)漏抗都比平行齒梯形槽大，集膚效應(yīng)比平行齒的槽形顯著，采用平行槽還可以提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以，在異步電機(jī)中，平行槽更有利改善起動(dòng)性能。

2.1.3 凸形槽。槽上半部近于平行槽，下半部為平行齒。在異步電機(jī)中，其突出優(yōu)點(diǎn)是集膚效應(yīng)顯著，能降低起動(dòng)電流，改善起動(dòng)性能，但是凸形槽形狀復(fù)雜，沖模加工困難。

2.1.4 刀形槽。較凸形槽而言，便于沖模加工并保留凸形槽的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.5 雙籠槽。雙籠槽是可以分為上籠和下籠兩種結(jié)構(gòu)形式的，根據(jù)結(jié)構(gòu)又可以分為好多種。不僅調(diào)整起來(lái)非常的靈活，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較高，啟動(dòng)的電流非常低。不過(guò)雙籠槽在結(jié)構(gòu)方面比較復(fù)雜，特別是上籠和下籠之間過(guò)渡槽的設(shè)計(jì)、高度與氣動(dòng)性能之間的關(guān)系。

2.1.6 閉口槽。閉口槽能簡(jiǎn)化沖模制造，削弱齒槽效應(yīng)和集膚效應(yīng)，減少電機(jī)的附加損耗，增加轉(zhuǎn)子的槽漏抗。

普通異步電動(dòng)機(jī)常采用集膚效應(yīng)較為顯著的平行槽、凸形槽、刀形槽來(lái)獲得較好的啟動(dòng)性能，變頻異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇集膚效應(yīng)小的槽形來(lái)抑制電源諧波帶來(lái)的影響，而集膚效應(yīng)較差的雙籠形槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不予考慮。所以變頻器供電的異步機(jī)中常用平行齒的轉(zhuǎn)子槽形。采用平行齒梯形槽不僅可以使集膚效應(yīng)影響降低，而且其槽口漏磁導(dǎo)率不受轉(zhuǎn)子頻率及集膚效應(yīng)的影響，增大槽口漏磁導(dǎo)率可以提高轉(zhuǎn)子各諧波作用下的漏抗，在電壓型變頻器供電電動(dòng)機(jī)能抑制高次諧波。

對(duì)于閉口槽的使用，分兩種狀況分析。在中小型變頻異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子采用閉口槽既可增大槽漏抗、抑制高次諧波電流、降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又可以降低損耗、減少振動(dòng)噪聲。在中大型變頻異步電動(dòng)機(jī)中，由于最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子基波漏抗成反比，當(dāng)采用閉口槽，槽漏抗增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將減小，這在中小型變頻電機(jī)中并沒(méi)有上升為主要矛盾，但對(duì)于最大轉(zhuǎn)矩有較高要求的異步電動(dòng)機(jī)而言，閉口槽并不適用。此時(shí)，轉(zhuǎn)子不采用閉口槽。

在異步電動(dòng)機(jī)中，除了選擇合適的槽形來(lái)滿足電動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)要求，還采用斜槽來(lái)削弱諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩和電磁噪聲。但是，在變頻異步電動(dòng)機(jī)中，附加轉(zhuǎn)矩主要是由各次諧波產(chǎn)生的。采用斜槽反而會(huì)造成漏磁增加，磁場(chǎng)扭轉(zhuǎn)損耗增加。所以變頻異步電動(dòng)機(jī)中采用直槽。

在變頻異步電動(dòng)機(jī)中，為抑制高次諧波損耗的增加，轉(zhuǎn)子常采用半閉口槽、閉口槽，還常采用磁性槽楔來(lái)減小諧波磁勢(shì)引起的附加損耗和其他不良影響。

2.2 轉(zhuǎn)子槽形尺寸變化

2.2.1 轉(zhuǎn)子槽形面積盡可能大。在傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)中通常采用增大轉(zhuǎn)子電阻來(lái)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的起動(dòng)電流，而變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)不需要考慮電機(jī)的起動(dòng)特性，所以轉(zhuǎn)子槽面積可以盡可能的大，轉(zhuǎn)子槽的面積直接影響到轉(zhuǎn)子的銅損耗以及電機(jī)的效率。這樣可以減小轉(zhuǎn)子電阻，降低轉(zhuǎn)子基波銅損耗以彌補(bǔ)高次諧波引起的損耗，提高電機(jī)效率。

2.2.2 轉(zhuǎn)子槽形宜淺不宜深。在電壓型變頻器供電異步電動(dòng)機(jī)中，抑制高次諧波應(yīng)增加電機(jī)總漏抗，但由于諧波頻率較高，集膚效應(yīng)顯著，轉(zhuǎn)子漏抗在轉(zhuǎn)子頻率增加時(shí)會(huì)迅速減小。所以轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)盡量避免瘦長(zhǎng)型。在轉(zhuǎn)子最大磁通密度允許的情況下，盡可能把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)得寬而淺。

2.2.3 轉(zhuǎn)子槽形為上寬下窄形。這樣可以獲得更好的平行齒性能，降低集膚效應(yīng)的影響。

3 轉(zhuǎn)子槽熱點(diǎn)研究

3.1 研究轉(zhuǎn)子槽形尺寸對(duì)性能的影響

轉(zhuǎn)子槽形尺寸對(duì)于電動(dòng)機(jī)的一系列性能參數(shù)如起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)子銅耗、功率因素、效率、溫升等都有較大的影響。此外，槽的各個(gè)部分尺寸對(duì)這些技術(shù)參數(shù)又有程度不同、性質(zhì)不同的影響。文獻(xiàn)[3]在保持轉(zhuǎn)子導(dǎo)條面積不變的前提下，改變轉(zhuǎn)子槽形的尺寸，并分析兩種槽形尺寸的轉(zhuǎn)子在額定功率下的溫度場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果得出了轉(zhuǎn)子槽改變?yōu)闇\而寬的槽形后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條銅損耗降低。文獻(xiàn)[4]分析求解不同尺寸轉(zhuǎn)子槽的諧波銅耗，并分析槽形尺寸變化與轉(zhuǎn)子諧波銅耗之間的關(guān)系。

3.2 槽形尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于槽形尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響，許多學(xué)者研究了關(guān)于槽形尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高電機(jī)的性能。文獻(xiàn)[5]主要是通過(guò)有限元法來(lái)計(jì)算變頻電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的槽參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)子槽形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出集膚效應(yīng)小的轉(zhuǎn)子槽形。

3.3 對(duì)特殊槽形的設(shè)計(jì)改進(jìn)分析

文獻(xiàn)[6]采用特殊形狀的U形鐵心橋來(lái)減少轉(zhuǎn)子繞組損

耗，并利用理論研究與數(shù)值計(jì)算兼顧的一種方法來(lái)對(duì)U形鐵心橋優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 轉(zhuǎn)子槽相關(guān)參數(shù)的計(jì)算研究

在變頻異步電動(dòng)機(jī)中，由于變頻電源諧波的影響，集膚效應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響變大。而準(zhǔn)確地計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)系數(shù)在異步電機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)行性能分析中都具有重要的意義。文獻(xiàn)[7]對(duì)轉(zhuǎn)子常用槽形的集膚效應(yīng)進(jìn)行分析研究，提出了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)轉(zhuǎn)子槽集膚效應(yīng)系數(shù)預(yù)測(cè)模型。

4 展望

電機(jī)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)的改變旨在提高變頻異步電動(dòng)機(jī)的性能，而轉(zhuǎn)子槽對(duì)于電機(jī)的影響是多方面的。所以，對(duì)于轉(zhuǎn)子槽的研究還可以從多方面進(jìn)行深入研究。在關(guān)于槽配合的討論主要從附加轉(zhuǎn)矩角度，可以從附加損耗、電磁噪聲等角度來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步探討?？梢試L試在考慮高次諧波集膚效應(yīng)影響下，轉(zhuǎn)子槽漏抗等轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究。

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作者簡(jiǎn)介：許艷敏（1989-），女，福州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：新型電機(jī)。