變頻異步電動機轉(zhuǎn)子槽研究綜述

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

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

引言

變頻電源供電的異步電動機與工頻正弦波供電的異步電動機的主要區(qū)別為兩方面。一方面是變頻電源供電的異步電動機是在低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運行的，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異步電動機的影響較大，為了提高變頻異步電動機的性能，除了變頻器本身不斷改進提高外，變頻電機的改進設(shè)計也在不斷的研究中。其中，轉(zhuǎn)子槽是電機機電能量轉(zhuǎn)換的主要載體，在變頻異步電動機中起著關(guān)鍵作用。在電機運行時，變頻電源中的各次諧波會在導體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使導體有效截面積減少，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機采用降頻降壓軟起動方式。所以變頻異步電動機中轉(zhuǎn)子槽的設(shè)計思想不僅發(fā)生變化，而且變得尤為重要。

1 轉(zhuǎn)子槽數(shù)設(shè)計的變化

在變頻異步電機中，從異步和同步附加轉(zhuǎn)矩的方面來考慮，諧波電流的存在對定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合的選擇沒有影響，仍可采用普通異步電機的槽數(shù)配合來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?shù)亩ā⑥D(zhuǎn)子槽數(shù)間的比值或者斜槽來降低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，選擇實現(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。

從脈動轉(zhuǎn)矩方面來考慮，雖然脈動轉(zhuǎn)矩的平均值為零，但是它會使電機的角速度發(fā)生波動，使電機產(chǎn)生振動和噪聲，特別是低頻時，電動機甚至有步進感。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）。選擇電機槽數(shù)時應(yīng)使激振力波的頻率避開電動機的固有頻率。防止電機發(fā)生共振[1]。

轉(zhuǎn)子槽數(shù)與定子槽數(shù)的配合對異步電機影響是多方面的，包括電機功率因數(shù)、附加損耗、電磁噪聲、附加轉(zhuǎn)矩等方面。在變頻異步電動機中，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合不當會由于變頻電源中的高次諧波的作用而變得更嚴重。設(shè)計電機時應(yīng)綜合考慮各方面的因素，按全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合。

2 轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計的變化

變頻異步電動機采用降頻降壓軟起動，具有既可以提高起動力矩，又可以降低起動電流的優(yōu)點。因此，在電機設(shè)計時無需過多的考慮電機的起動性能。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，在變頻異步電動機設(shè)計時，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)計出集膚效應(yīng)小的轉(zhuǎn)子槽形。

2.1 電機轉(zhuǎn)子槽形選擇的變化

在異步電機中，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，電機運行能力好。具有平行齒的轉(zhuǎn)子槽形電機電氣性能基本相似，平行齒梯形槽為半閉口槽，半閉口槽的槽開口較小，有利于鐵心表面損耗、齒部損耗的減小，同時還可以減小氣隙系數(shù)和勵磁電流，增加槽面積利用率，同時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，并且機械強度也非常差。但是平行槽的啟動電阻以及啟動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轉(zhuǎn)矩。所以，在異步電機中，平行槽更有利改善起動性能。

2.1.3 凸形槽。槽上半部近于平行槽，下半部為平行齒。在異步電機中，其突出優(yōu)點是集膚效應(yīng)顯著，能降低起動電流，改善起動性能，但是凸形槽形狀復雜，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。

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)整起來非常的靈活，而且啟動轉(zhuǎn)矩比較高，啟動的電流非常低。不過雙籠槽在結(jié)構(gòu)方面比較復雜，特別是上籠和下籠之間過渡槽的設(shè)計、高度與氣動性能之間的關(guān)系。

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

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

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

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

在變頻異步電動機中，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減小諧波磁勢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)電機設(shè)計中通常采用增大轉(zhuǎn)子電阻來得到較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的起動電流，而變頻電機的設(shè)計不需要考慮電機的起動特性，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高次諧波引起的損耗，提高電機效率。

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機中，抑制高次諧波應(yīng)增加電機總漏抗，但由于諧波頻率較高，集膚效應(yīng)顯著，轉(zhuǎn)子漏抗在轉(zhuǎn)子頻率增加時會迅速減小。所以轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計盡量避免瘦長型。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)子槽熱點研究

3.1 研究轉(zhuǎn)子槽形尺寸對性能的影響

轉(zhuǎn)子槽形尺寸對于電動機的一系列性能參數(shù)如起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、起動過程中的轉(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，槽的各個部分尺寸對這些技術(shù)參數(shù)又有程度不同、性質(zhì)不同的影響。文獻[3]在保持轉(zhuǎn)子導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。計算結(jié)果得出了轉(zhuǎn)子槽改變?yōu)闇\而寬的槽形后，轉(zhuǎn)子導條銅損耗降低。文獻[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

由于槽形尺寸對電機性能的影響，許多學者研究了關(guān)于槽形尺寸的優(yōu)化設(shè)計來提高電機的性能。文獻[5]主要是通過有限元法來計算變頻電動機在穩(wěn)態(tài)運行時的槽參數(shù)，并對轉(zhuǎn)子槽形進行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出集膚效應(yīng)小的轉(zhuǎn)子槽形。

3.3 對特殊槽形的設(shè)計改進分析

文獻[6]采用特殊形狀的U形鐵心橋來減少轉(zhuǎn)子繞組損

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

3.4 轉(zhuǎn)子槽相關(guān)參數(shù)的計算研究

在變頻異步電動機中，由于變頻電源諧波的影響，集膚效應(yīng)對電動機的影響變大。而準確地計算電機轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)系數(shù)在異步電機設(shè)計、運行性能分析中都具有重要的意義。文獻[7]對轉(zhuǎn)子常用槽形的集膚效應(yīng)進行分析研究，提出了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機轉(zhuǎn)子槽集膚效應(yīng)系數(shù)預測模型。

4 展望

電機設(shè)計中，轉(zhuǎn)子槽設(shè)計的改變旨在提高變頻異步電動機的性能，而轉(zhuǎn)子槽對于電機的影響是多方面的。所以，對于轉(zhuǎn)子槽的研究還可以從多方面進行深入研究。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、電磁噪聲等角度來進行進一步探討。可以嘗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)進行計算研究。

參考文獻

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