深槽式雙籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能改善的機(jī)理研究

黃加明

（湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北黃石435003）

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深槽式雙籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能改善的機(jī)理研究

黃加明

（湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北黃石435003）

摘要：在深槽式雙籠異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，利用轉(zhuǎn)子電流的“集膚效應(yīng)”可使等效電阻增大、啟動(dòng)電流降低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，從而改善啟動(dòng)性能。同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子頻率降低、轉(zhuǎn)子等效電阻無級減小，這使得電機(jī)啟動(dòng)平滑穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；啟動(dòng)性能；集膚效應(yīng)；轉(zhuǎn)子；磁通；電抗

1　改善異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的重要意義

電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一。三相異步電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他生產(chǎn)當(dāng)中。眾所周知，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性中，最主要的是啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)如不采取相應(yīng)措施直接投入電網(wǎng)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流會(huì)很大，啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩所造成的機(jī)械沖擊也會(huì)影響其本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命，過大的啟動(dòng)電流還會(huì)加速電機(jī)的絕緣老化。此外，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)引起較大的電網(wǎng)壓降，這會(huì)影響電網(wǎng)供電和其他設(shè)備的運(yùn)行。因此，在實(shí)際應(yīng)用中促使人們從籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽型入手，設(shè)法利用“集膚效應(yīng)”（也稱擠流效應(yīng)）來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻較大而正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電阻變小的要求。具有這種啟動(dòng)性能的籠型異步電動(dòng)機(jī)就是深槽式異步電動(dòng)機(jī)和雙籠式異步電動(dòng)機(jī)，下面對它們分別進(jìn)行分析和研究。

2　深槽、雙籠式異步電動(dòng)機(jī)改善啟動(dòng)性能分析

2．1深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能分析

圖1　深槽式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條集膚效應(yīng)

深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的槽型特別深而窄，槽的高度與寬度之比一般為10～12，如圖1（a）所示。首先根據(jù)電機(jī)學(xué)原理研究圖1（a）中槽底導(dǎo)體1與槽口導(dǎo)體2交鏈磁力線的情況。

對于槽底導(dǎo)體1，假設(shè)其中流過的電流為i，圖1（a）中的全部磁力線與之交鏈，磁鏈為ψ1，則其對應(yīng)的電感為：

對于槽口導(dǎo)體2，假設(shè)其中流過的電流為i，圖1（a）中只有少數(shù)幾根磁力線與之交鏈，磁鏈為ψ2，則其對應(yīng)的電感為：

由于ψ1?ψ2，故L1?L2。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速n＝0，轉(zhuǎn)差率s＝1，由式（3）可以近似地得出轉(zhuǎn)子頻率f2與定子頻率f1（即交流電源工頻頻率）的關(guān)系為：

則f2．＝f1，槽底導(dǎo)體1與槽口導(dǎo)體2的電抗分別為：

于是X1?X2。故越靠近槽底，各單元導(dǎo)體漏電抗越大，流過的電流越??；越靠近槽口，各單元導(dǎo)體漏電抗越小，流過的電流越大。

由以上分析可知，深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)是利用轉(zhuǎn)子槽漏電抗分布的不同，利用所引起的集膚效應(yīng)來改善其啟動(dòng)性能的。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條可看成是由很多沿槽高排列的小導(dǎo)條并聯(lián)而成的，各小導(dǎo)條電流的分布取決于它們漏阻抗的大小。啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差率s＝1，轉(zhuǎn)子頻率f2．＝f1（交流電頻率），這相當(dāng)于正常運(yùn)行時(shí)f2＝1～3Hz，是比較高的，轉(zhuǎn)子槽中各并聯(lián)小導(dǎo)條的漏電抗比電阻大，電流分配主要取決于漏電抗的大小。由圖1（a）可見，沿槽高越靠近槽底的小導(dǎo)條交鏈的漏磁鏈越多，其漏電抗也越大，所以轉(zhuǎn)子電流主要從槽口處漏電抗較小的小導(dǎo)條通過，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿槽高的電流密度分布情況如圖1（b）所示。這時(shí)，轉(zhuǎn)子電流被“擠”到槽口表面，這種現(xiàn)象被稱之為集膚效應(yīng)。其結(jié)果是，槽底部分的導(dǎo)條截面內(nèi)幾乎沒有電流通過，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的有效截面減小了，如圖1（c）所示，這使轉(zhuǎn)子電阻增大、啟動(dòng)電流減小而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，可使電機(jī)滿載啟動(dòng)。

隨著轉(zhuǎn)速升高至啟動(dòng)結(jié)束，轉(zhuǎn)差率s逐漸減小，根據(jù)式（3）轉(zhuǎn)子頻率逐漸降低，集膚效應(yīng)的影響逐漸降低，各并聯(lián)小導(dǎo)條的漏電抗也逐漸降低至小于電阻，這時(shí)電流分配主要取決于各并聯(lián)小導(dǎo)條電阻的大小，轉(zhuǎn)子電流逐漸均勻地分布在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的整個(gè)截面上，轉(zhuǎn)子電阻逐漸降到正常值。

與普通籠型異步電動(dòng)機(jī)相比，由于深槽式轉(zhuǎn)子漏磁通增大，使正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子漏抗增大，因此電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及過載能力會(huì)降低。所以，深槽式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的改善是依靠犧牲某些性能指標(biāo)而取得的。

2．2雙籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能分析

圖2　雙籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽型及機(jī)械特性

雙籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子具有最典型的雙籠型結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子中嵌放兩套籠型繞組，即上籠和下籠，如圖2（a）所示。其上籠導(dǎo)條截面較小，且由電阻率較大的黃銅或鋁青銅等制成，因而電阻較大。但它交鏈的槽漏磁通較少，故漏電抗??；下籠導(dǎo)體截面較大，用紫銅制成，電阻較小，但它交鏈的槽漏磁通較多，漏電抗大。如果上、下籠都用鑄鋁制成，則上籠截面遠(yuǎn)比下籠小得多，如圖2（b）所示，因而上籠電阻比下籠大得多。

啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電流頻率高，集膚效應(yīng)使電流多被“擠”到上籠，使上籠起主要作用，故稱其為啟動(dòng)籠。由于上籠電阻大，故其可以減小啟動(dòng)電流而增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)結(jié)束后，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，下籠漏電抗減小，其本身電阻又小，轉(zhuǎn)子電流主要從下籠導(dǎo)條中通過，下籠在正常運(yùn)行時(shí)起主要作用，故稱其為工作籠。雙籠型異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是上、下籠機(jī)械特性的合成，如圖2（c）所示。改變上、下籠導(dǎo)條的材料和面積，可以得到不同的合成機(jī)械特性，從而滿足不同的負(fù)載要求。

雙籠型異步電動(dòng)機(jī)與深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)一樣有很好的啟動(dòng)性能，可以使電機(jī)滿載啟動(dòng)，但前者的一些特性好于后者，不過深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)制造簡單，也比較便宜。

3　結(jié)束語

總之，深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)是利用轉(zhuǎn)子槽漏磁通所引起的電流集膚效應(yīng)來改善啟動(dòng)性能的。啟動(dòng)時(shí)電流集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電流集中在槽中導(dǎo)條的上部，其效果就相當(dāng)于減小了導(dǎo)條的有效截面積，增大了轉(zhuǎn)子的電阻，從而改善了啟動(dòng)性能。雙籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有上、下兩套籠型繞組。上籠繞組截面積較小，具有較大的電阻，啟動(dòng)時(shí)上籠繞組起主要作用，可以改善啟動(dòng)性能。下籠繞組截面積較大，電阻較小，運(yùn)行時(shí)下籠繞組起主要作用，電動(dòng)機(jī)仍具有較好的運(yùn)行性能。這兩種異步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，雙籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴，而深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐建?。姍C(jī)與電氣控制［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

［2］徐君賢．電機(jī)與電器制造工藝學(xué)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］范次猛．機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)［M］．北京：高等教育出版社，2011．

［4］Gomez Gonzalez M，Jurado F，Pérez I．Shuffled frog-leaping algorithm for parameter estimation of a double-cage asynchronous machine［J］．IET Electric Power Applications，2012，6（8）：484-490．

［5］胡巖，劉濤，吳偉．復(fù)合籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（12）：199-204．

［6］胡堃，何鳳有，薛冰．深槽式籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的仿真分析［J］．微特電機(jī)，2011，39（11）：34-36．

［7］薛冰，胡堃，樊貝．深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)有限元分析［J］．微特電機(jī)，2012，40（5）：13-15．

［8］Guimaraes Joao Marcondes Correa，Bernardes Jose Vitor，Hermeto Antonio Eduardo，Bortoni Edson Da Costa．Parameter determination of asynchronous machines from manufacturer data sheet［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（3）：689-697．

［9］Rosas Ramon Mujal，Boix Aragonès Oriol，Colom Fajula Xavier，Rolán Blanco Alejandro．Behavior of the threephase induction motor with spiral sheet rotor［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24（1）：68-76．

Research on the mechanism of improving the startup performance to the deep grooves on double cage asynchronous motors

HUANG Jia-ming
（Hubei Engineering Vocational College，Huangshi 435003，China）

Abstract：The improvement on the startup performance to the deep grooves on double cage asynchronous motors is introduced．When starting double cage induction motor，the rotor current uses the“skin effect”to make the rotor equivalent resistance increase，so the the starting current is reduced and the starting torque is increased，thus to improve the startup performance of the motor．With the increasing of the rotational speed，the rotor frequency is decreased，the rotor equivalent resistance is stepless reduced，and the smoothly startup of the motor is achieved．

Key words：induction motor；starting performance；skin effect；rotor；flux；reactance

中圖分類號：TM353；TM343

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0038—03

作者簡介：

黃加明（1967-），男，湖北黃石人，副教授，電氣工程師，主要從事電氣自動(dòng)化技術(shù)的教學(xué)和研究工作。

收稿日期：2016-02-15