張 琦,趙海森,劉曉芳,張?chǎng)卫?/p>
(華北電力大學(xué),北京102206)
中小型籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用斜槽結(jié)構(gòu),用以削弱齒槽效應(yīng)引起的附加轉(zhuǎn)矩及噪聲[1]。為能夠方便利用二維有限元法計(jì)算分析感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子斜槽的磁場(chǎng)和運(yùn)行性能,運(yùn)用多截面法,即利用多段直槽近似代替斜槽[2]。但是,利用多截面場(chǎng)-路耦合時(shí)步有限元計(jì)算斜槽感應(yīng)電機(jī)損耗時(shí),時(shí)間步長(zhǎng)、斜槽分段數(shù)及剖分密度的選擇是否合理,不僅會(huì)直接影響損耗的計(jì)算精度,還會(huì)影響計(jì)算速度。因此,為了準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)損耗,系統(tǒng)研究上述計(jì)算參數(shù)對(duì)損耗計(jì)算影響,進(jìn)而提出相應(yīng)時(shí)空離散策略是非常重要的。
文獻(xiàn)[3]針對(duì)剖分密度影響永磁電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4]采用場(chǎng)-路-網(wǎng)耦合時(shí)步有限元法,研究了有限元計(jì)算參數(shù)對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)的大擾動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[5]研究了大型水輪發(fā)電機(jī)的有限元參數(shù)對(duì)相間短路的影響;文獻(xiàn)[6]通過分析時(shí)間步長(zhǎng)和剖分密度對(duì)鼠籠異步電機(jī)暫態(tài)起動(dòng)特性的影響,提出了改進(jìn)措施,解決了時(shí)步有限元法在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的處理方面存在的效率低、通用性不強(qiáng)和時(shí)間步長(zhǎng)不確定等問題;文獻(xiàn)[7]利用多截面時(shí)步有限元法分析了斜槽分段數(shù)對(duì)一臺(tái)繞組角接的11 kW、4 極感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的影響。上述文獻(xiàn)分析了有限元參數(shù)對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行性能的影響,但是目前仍缺乏時(shí)間步長(zhǎng)、斜槽分段數(shù)及剖分密度等三種計(jì)算參數(shù)對(duì)感應(yīng)電機(jī)損耗計(jì)算影響的深入研究。
本文針對(duì)多截面場(chǎng)-路耦合時(shí)步有限元法準(zhǔn)確計(jì)算斜槽感應(yīng)電機(jī)損耗這一問題,以一臺(tái)5.5 kW電機(jī)為例,系統(tǒng)研究了時(shí)間步長(zhǎng)、斜槽分段數(shù)及剖分密度對(duì)損耗計(jì)算的影響,提出了計(jì)算損耗時(shí)的最優(yōu)時(shí)空離散策略。通過與測(cè)試結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了所提策略的有效性。
當(dāng)轉(zhuǎn)子斜槽時(shí),電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸向分布不同,采用多截面法[2],將斜槽轉(zhuǎn)子分成多段,把每段近似為一個(gè)直槽,對(duì)離散后的非線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解,得到各時(shí)刻的狀態(tài)變量值[8-10]。關(guān)于損耗計(jì)算方法,文獻(xiàn)[11-12]中已給出定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗計(jì)算方法,本文不再贅述,以下著重介紹影響損耗計(jì)算的主要參數(shù)。
利用時(shí)步有限元計(jì)算電機(jī)損耗時(shí),時(shí)間步長(zhǎng)dt的選擇需要注意在計(jì)算過程中由于數(shù)值微分帶來的計(jì)算誤差,以下通過渦流損耗計(jì)算實(shí)例說明。假設(shè)存在磁密表達(dá)式和其渦流損耗計(jì)算如下式:

式(1)中:Bmv為包括基波在內(nèi)的各次諧波磁密幅值,v 取正整數(shù),為諧波次數(shù);ω =2πf,為角頻率;此處假設(shè)Bm1=1 T,Bmv=Bm1/v。式(2)中σ 為鐵磁材料電導(dǎo)率;h 為鐵心疊片厚度;δ 為鐵磁材料密度;T為基波周期。
將式(1)代入(2)并進(jìn)行離散處理,可求得在不同時(shí)間步長(zhǎng)下的數(shù)值微分誤差,表達(dá)式如下:

由式(3)可以看出,數(shù)值微分誤差與時(shí)間步長(zhǎng)有直接關(guān)系,此外,時(shí)間步長(zhǎng)還會(huì)引起諧波磁場(chǎng)的混疊效應(yīng),將在下面詳細(xì)論述。因此,選擇合適的時(shí)間步長(zhǎng)至關(guān)重要。
在利用多截面時(shí)步有限元法對(duì)斜槽電機(jī)進(jìn)行分析時(shí),分段數(shù)選擇會(huì)影響電機(jī)內(nèi)部不同橫截面的磁場(chǎng)分布情況,圖1 是采用兩段計(jì)算時(shí)各截面磁密分布云圖。圖1 中,位于定轉(zhuǎn)子軛部和齒部的①~⑥位置的不同截面磁密分布存在明顯差異。如果分段數(shù)選擇過少,就會(huì)導(dǎo)致相鄰各截面的磁密發(fā)生過度畸變,與電機(jī)實(shí)際斜槽效果不符,導(dǎo)致不僅不能達(dá)到削弱齒諧波的目的,反而會(huì)放大諧波效應(yīng),增加電機(jī)損耗;如果分段數(shù)過多,則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。因此,在計(jì)算中必須選擇合適的分段數(shù),以求在節(jié)省計(jì)算時(shí)間的前提下,能夠準(zhǔn)確反映電機(jī)內(nèi)部實(shí)際磁場(chǎng)分布特點(diǎn)。

圖1 采用兩段計(jì)算時(shí)各截面磁密分布
對(duì)于電機(jī)而言,研究剖分密度通常側(cè)重于能否準(zhǔn)確計(jì)及高次諧波磁場(chǎng),也就是說針對(duì)高次諧波磁場(chǎng)較大的區(qū)域,即氣隙及定轉(zhuǎn)子齒。上述區(qū)域的剖分密度是否合理,會(huì)直接影響計(jì)算時(shí)能否準(zhǔn)確計(jì)及的定轉(zhuǎn)子鐵心高次諧波次數(shù)。以定子齒為例,圖2中的定子齒Ⅰ采用2 點(diǎn)剖分可以采集到一個(gè)周期基波的2 點(diǎn),定子齒Ⅱ采用4 點(diǎn)剖分可以采集到一個(gè)周期基波的4 點(diǎn)。顯而易見,定子齒采用越多的節(jié)點(diǎn)數(shù)剖分,計(jì)算結(jié)果越精確。因此,在計(jì)算中必須選擇合適的剖分密度,以求在節(jié)省計(jì)算時(shí)間的前提下,能夠計(jì)及高次諧波磁場(chǎng)及二階空間齒諧波。

圖2 定子齒采用不同節(jié)點(diǎn)數(shù)剖分的示意圖
綜上所述,感應(yīng)電機(jī)損耗計(jì)算時(shí)所需要選擇的時(shí)空離散方式,主要涉及的計(jì)算參數(shù)可總結(jié)如下:

針對(duì)上述參數(shù),本文以一臺(tái)5.5 kW 電機(jī)為例,研究利用多截面場(chǎng)-路耦合時(shí)步有限元法計(jì)算感應(yīng)電機(jī)損耗時(shí),如何合理選擇時(shí)空離散策略。該電機(jī)基本參數(shù):定子槽數(shù)Z1=36,轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2=32,定子外徑D1=210 mm,定子內(nèi)徑Di1=136 mm,轉(zhuǎn)子外徑D2=135.2 mm,氣隙長(zhǎng)度q =0.4 mm,定子槽口寬bs0=3.5 mm,轉(zhuǎn)子槽口寬br0=1 mm。
由式(3)可知,當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)dt <0.1 ms 時(shí),產(chǎn)生的誤差小于10%,當(dāng)dt <1 ×10-4ms 時(shí),誤差接近于零,但計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。因此,從計(jì)算時(shí)間角度考慮,選擇0.025 ms 能夠滿足損耗計(jì)算精度要求。
除了數(shù)值微分誤差外,時(shí)間步長(zhǎng)選擇還需要考慮對(duì)諧波磁場(chǎng)的混疊效應(yīng)。根據(jù)采樣定理,為保證采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留原始信號(hào)中的信息,采樣頻率fs需大于原始信號(hào)中最高頻率(奈奎斯特頻率)fh的2 倍;反之,則對(duì)于高于fs/2 的信號(hào),將出現(xiàn)混疊現(xiàn)象[13]:

式中:fa為信號(hào)混疊后的頻率;f 為混疊前的實(shí)際頻率;D=Int(f/fs+0.5),Int 為取整運(yùn)算。
對(duì)本文研究的感應(yīng)電機(jī)計(jì)算時(shí),若選擇時(shí)間步長(zhǎng)為0.4 ms,則fs=50f1,即在一個(gè)基波周期內(nèi)選取50 個(gè)采樣點(diǎn),這時(shí)高于25 次的諧波分量被混疊至低次。于是原信號(hào)中的30、36、42、54 次諧波分別被混疊為20、14、8、4 次諧波。由于這些高次諧波分量幅值比低次諧波小很多,致使混疊效果在磁位結(jié)果中體現(xiàn)得并不明顯,而在通過對(duì)磁位求導(dǎo)計(jì)算電流密度以及通過電流密度的平方計(jì)算損耗的過程中,放大了周期信號(hào)的幅值,最終使損耗結(jié)果中混疊效應(yīng)十分明顯。
同理,dt=0.1 ms、0.04 ms 和0.025 ms 時(shí)分別將高于100 次、250 次和400 次的諧波混疊。表1 是不同時(shí)間步長(zhǎng)的損耗對(duì)比。表中pcu1和pcu2分別為定、轉(zhuǎn)子銅耗;pfe為鐵耗;p∑為總損耗。

表1 不同時(shí)間步長(zhǎng)的損耗對(duì)比
因此,基于時(shí)步有限元法計(jì)算感應(yīng)電機(jī)損耗時(shí),需根據(jù)采樣定理選擇時(shí)間步長(zhǎng)。綜合上述分析,考慮k 階(通常考慮到k=2 即可)齒諧波的情況下,且計(jì)算過程不發(fā)生混疊,選擇時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)按照:

式中:T1為基波的周期。
綜上所述,通過分析渦流損耗的數(shù)值微分誤差和諧波磁場(chǎng)的混疊效應(yīng),可選擇出合適的時(shí)間步長(zhǎng)。
利用二維有限元法計(jì)算斜槽電機(jī)損耗時(shí),損耗計(jì)算的精度很大程度上取決于采用的斜槽分段數(shù)能否準(zhǔn)確接近實(shí)際電機(jī),因此選取合適的分段數(shù)是非常重要的。圖3 為采用1 ~5 段斜槽分段數(shù)計(jì)算得到的空載定子相電流波形及諧波分析,如圖3 所示,斜槽分3 段以后,電流諧波含量趨于穩(wěn)定。

圖3 不同分段數(shù)的空載定子相電流波形及諧波分析
進(jìn)一步計(jì)算了不同分段數(shù)對(duì)于損耗的影響,結(jié)果如表2所示,表中k是分段數(shù),pcu1ν為定子諧波銅耗,其它符號(hào)含義與表1 中相同。可以看出,斜槽后定子諧波銅耗由12.48 W 降至3.77 W,轉(zhuǎn)子諧波銅耗由37.37 W 降至3.90 W。斜槽可以降低定轉(zhuǎn)子諧波銅耗。分段數(shù)為1 段是直槽,隨著分段數(shù)增加,定子諧波銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗減少,達(dá)到4 段基本不變。直槽變?yōu)樾辈蹠r(shí)鐵耗增加,由于分段數(shù)為2 段時(shí)軸向磁密分布不均,當(dāng)分段數(shù)增加時(shí),軸向磁密分布均勻接近實(shí)際的斜槽電機(jī),達(dá)到3 段基本不變。進(jìn)一步分析了11 kW、22 kW、55 kW、132 kW 等電機(jī)在不同分段數(shù)下的電流及損耗計(jì)算數(shù)據(jù),得出同樣變化規(guī)律。因此,用時(shí)步有限元計(jì)算感應(yīng)電機(jī)損耗時(shí),建議斜槽分段數(shù)為5 段。

表2 不同分段數(shù)的損耗對(duì)比
3.2.1 氣隙剖分密度選擇
由于氣隙磁場(chǎng)的齒諧波分量對(duì)磁密影響很大,需要正確選擇切向剖分密度[14]。仍以上述5.5 kW電機(jī)為例,為了計(jì)及高次諧波,對(duì)氣隙分別采用200點(diǎn)、400 點(diǎn)、600 點(diǎn)、800 點(diǎn)和1 000 點(diǎn)的剖分網(wǎng)格,如圖4 所示(由于篇幅所限,僅列出4 種剖分方式圖),相應(yīng)計(jì)算得到的氣隙磁密波形及諧波分析如圖5 所示。可以看出,氣隙剖分200 點(diǎn)與800 點(diǎn)時(shí)相比,兩者的氣隙磁密存在明顯差異,而從氣隙磁密諧波分析可以看出,氣隙剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)為200 點(diǎn)時(shí),計(jì)及的諧波較不準(zhǔn)確,當(dāng)氣隙剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到800 點(diǎn)時(shí),磁密的諧波含量趨于穩(wěn)定。表3 為分段數(shù)為5,時(shí)間步長(zhǎng)為0.025 ms 時(shí),氣隙采用不同節(jié)點(diǎn)數(shù)剖分的損耗對(duì)比,m 為氣隙剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)。由表3 可以看出,當(dāng)氣隙剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到800 點(diǎn)時(shí),損耗基本穩(wěn)定。

圖4 氣隙剖分方式

圖5 氣隙不同剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)的氣隙磁密波形及諧波分析

表3 氣隙不同剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)的損耗對(duì)比
3.2.2 定轉(zhuǎn)子鐵心剖分密度選擇
為了能夠計(jì)及高次諧波及二階空間齒諧波,對(duì)定轉(zhuǎn)子齒剖分密度進(jìn)行選擇,從電機(jī)基波及諧波磁場(chǎng)空間所占距離分析如下。
沿定子鐵心內(nèi)圓諧波所占的距離:

式中:ν=1 時(shí)為基波。
沿轉(zhuǎn)子鐵心外圓諧波所占的距離:

式中:ν=1 時(shí)為基波。
定、轉(zhuǎn)子齒距:

定、轉(zhuǎn)子齒剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)與諧波次數(shù)的關(guān)系式:

式(10)和式(11)中的n1和n2分別為定、轉(zhuǎn)子齒剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)。
定子k1階齒諧波次數(shù):

轉(zhuǎn)子k2階齒諧波次數(shù)為:

文中電機(jī)沿定子鐵心內(nèi)圓基波所占的距離λs1=213.63 mm,諧波所占的距離λsν= 68π/ν。定子齒距ts=11.87 mm,定子一階齒諧波(36/2 ±1)次,即17,19 次。沿轉(zhuǎn)子鐵心外圓基波所占的距離λr1=212.37 mm,諧波所占的距離為λrν=67. 6π/ν。轉(zhuǎn)子齒距tr=13.27 mm,轉(zhuǎn)子一階齒諧波(32/2 ±1)次,即15,17 次。
由式(10)可知,定子齒剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 點(diǎn)、4點(diǎn)、6 點(diǎn)、8 點(diǎn)、10 點(diǎn)時(shí),可至少準(zhǔn)確計(jì)及諧波次數(shù)分別為13 次、25 次、37 次(定子二階齒諧波)、49 次、61 次。由式(11)可知,轉(zhuǎn)子齒剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 點(diǎn)、4點(diǎn)、6 點(diǎn)、8 點(diǎn)、10 點(diǎn)時(shí)可至少準(zhǔn)確計(jì)及諧波次數(shù)分別為7 次、17 次、25 次、33 次(轉(zhuǎn)子二階齒諧波)、43次。圖6 和圖7 分別是定、轉(zhuǎn)子齒選擇不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的剖分網(wǎng)格圖。表4 和表5 分別是在分段數(shù)為5段、時(shí)間步長(zhǎng)為0.025 ms 時(shí),定、轉(zhuǎn)子齒不同剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)的損耗對(duì)比。n1和n2分別為定、轉(zhuǎn)子齒剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)。

圖6 定子齒剖分方式

圖7 轉(zhuǎn)子齒剖分方式
因此,為了考慮到空間的二階齒諧波以及3 次、5 次等低次諧波,并且減少計(jì)算耗時(shí),定、轉(zhuǎn)子齒選擇10 點(diǎn)剖分。

表4 定子齒不同剖分節(jié)點(diǎn)的損耗對(duì)比

表5 轉(zhuǎn)子齒不同剖分節(jié)點(diǎn)的損耗對(duì)比
通過上述理論分析和計(jì)算推導(dǎo),可以得到在利用時(shí)步有限元計(jì)算感應(yīng)電機(jī)損耗時(shí),對(duì)于需要考慮ν 次氣隙磁場(chǎng)諧波的情況下,氣隙中間層剖分點(diǎn)數(shù)m 的選取應(yīng)滿足:

對(duì)于需要考慮定子k1階齒諧波的情況下,定子齒點(diǎn)n1的選取應(yīng)滿足:

對(duì)于需要考慮轉(zhuǎn)子k2階齒諧波的情況下,轉(zhuǎn)子齒點(diǎn)n2的選取應(yīng)滿足:

利用如圖8 所示的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)5.5 kW 電機(jī)的空載損耗進(jìn)行實(shí)測(cè)和計(jì)算對(duì)比,由于空載時(shí)電機(jī)功率因數(shù)較低,故利用高精度功率分析儀對(duì)其輸入功率進(jìn)行測(cè)試。表6 為計(jì)算時(shí)采用的不同計(jì)算參數(shù);表7 為計(jì)算和實(shí)測(cè)對(duì)比情況,考慮到轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗以及附加損耗難以準(zhǔn)確分離,故將三種損耗放在一起。對(duì)比表7 中數(shù)據(jù)可得,算例1 與實(shí)測(cè)基本吻合;其它五種算例計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)有較大誤差。因此,可以得出本文提出的時(shí)間步長(zhǎng)、斜槽分段數(shù)及剖分密度選擇方法是有效的。

表6 計(jì)算所用參數(shù)

表7 額定電壓下的電機(jī)損耗
本文針對(duì)多截面場(chǎng)-路耦合時(shí)步有限元法準(zhǔn)確計(jì)算斜槽感應(yīng)電機(jī)損耗的問題,以一臺(tái)5.5 kW 為例,系統(tǒng)研究了時(shí)間步長(zhǎng)、斜槽分段數(shù)及剖分密度對(duì)損耗計(jì)算的影響,并提出了基于時(shí)步有限元的損耗計(jì)算時(shí)的最優(yōu)時(shí)空離散策略。本文的研究成果可為研究影響感應(yīng)電機(jī)的損耗精確計(jì)算因素,以及如何提高損耗計(jì)算精度提供重要參考。
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