深槽式雙籠型異步電動機啟動性能改善的機理研究

黃加明

（湖北工程職業學院，湖北黃石435003）

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深槽式雙籠型異步電動機啟動性能改善的機理研究

黃加明

（湖北工程職業學院，湖北黃石435003）

摘要：在深槽式雙籠異步電動機啟動時，利用轉子電流的“集膚效應”可使等效電阻增大、啟動電流降低、啟動轉矩增大，從而改善啟動性能。同時，隨著轉速的上升，轉子頻率降低、轉子等效電阻無級減小，這使得電機啟動平滑穩定。

關鍵詞：異步電動機；啟動性能；集膚效應；轉子；磁通；電抗

1　改善異步電動機啟動性能的重要意義

電動機是工農業生產中最重要的拖動設備之一。三相異步電動機由于其結構簡單、維護方便等優點，被廣泛應用于工農業生產和其他生產當中。眾所周知，電動機的啟動性能是電力拖動系統的一個重要指標。在電動機啟動特性中，最主要的是啟動電流和啟動轉矩。一臺三相異步電動機如不采取相應措施直接投入電網啟動，啟動電流會很大，啟動瞬間轉矩所造成的機械沖擊也會影響其本身及其拖動設備的使用壽命，過大的啟動電流還會加速電機的絕緣老化。此外，電動機啟動時會引起較大的電網壓降，這會影響電網供電和其他設備的運行。因此，在實際應用中促使人們從籠型異步電動機的轉子槽型入手，設法利用“集膚效應”（也稱擠流效應）來實現啟動時轉子電阻較大而正常運行時轉子電阻變小的要求。具有這種啟動性能的籠型異步電動機就是深槽式異步電動機和雙籠式異步電動機，下面對它們分別進行分析和研究。

2　深槽、雙籠式異步電動機改善啟動性能分析

2．1深槽式籠型異步電動機啟動性能分析

圖1　深槽式異步電動機轉子導條集膚效應

深槽式籠型異步電動機的主要結構特點是轉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。首先根據電機學原理研究圖1（a）中槽底導體1與槽口導體2交鏈磁力線的情況。

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

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

由于ψ1?ψ2，故L1?L2。

根據電機學原理可知，電動機啟動時，相當于轉子處于堵轉狀態，轉速n＝0，轉差率s＝1，由式（3）可以近似地得出轉子頻率f2與定子頻率f1（即交流電源工頻頻率）的關系為：

則f2．＝f1，槽底導體1與槽口導體2的電抗分別為：

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

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

隨著轉速升高至啟動結束，轉差率s逐漸減小，根據式（3）轉子頻率逐漸降低，集膚效應的影響逐漸降低，各并聯小導條的漏電抗也逐漸降低至小于電阻，這時電流分配主要取決于各并聯小導條電阻的大小，轉子電流逐漸均勻地分布在轉子導條的整個截面上，轉子電阻逐漸降到正常值。

與普通籠型異步電動機相比，由于深槽式轉子漏磁通增大，使正常運行時的轉子漏抗增大，因此電動機的功率因數及過載能力會降低。所以，深槽式異步電動機啟動性能的改善是依靠犧牲某些性能指標而取得的。

2．2雙籠型異步電動機啟動性能分析

圖2　雙籠型異步電動機轉子槽型及機械特性

雙籠型異步電動機的轉子具有最典型的雙籠型結構，在轉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，故漏電抗小；下籠導體截面較大，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。

啟動時轉子電流頻率高，集膚效應使電流多被“擠”到上籠，使上籠起主要作用，故稱其為啟動籠。由于上籠電阻大，故其可以減小啟動電流而增大啟動轉矩。啟動結束后，轉子電流頻率很低，下籠漏電抗減小，其本身電阻又小，轉子電流主要從下籠導條中通過，下籠在正常運行時起主要作用，故稱其為工作籠。雙籠型異步電動機的機械特性是上、下籠機械特性的合成，如圖2（c）所示。改變上、下籠導條的材料和面積，可以得到不同的合成機械特性，從而滿足不同的負載要求。

雙籠型異步電動機與深槽式籠型異步電動機一樣有很好的啟動性能，可以使電機滿載啟動，但前者的一些特性好于后者，不過深槽式籠型異步電動機制造簡單，也比較便宜。

3　結束語

總之，深槽式籠型異步電動機是利用轉子槽漏磁通所引起的電流集膚效應來改善啟動性能的。啟動時電流集膚效應使轉子電流集中在槽中導條的上部，其效果就相當于減小了導條的有效截面積，增大了轉子的電阻，從而改善了啟動性能。雙籠型異步電動機轉子有上、下兩套籠型繞組。上籠繞組截面積較小，具有較大的電阻，啟動時上籠繞組起主要作用，可以改善啟動性能。下籠繞組截面積較大，電阻較小，運行時下籠繞組起主要作用，電動機仍具有較好的運行性能。這兩種異步電動機的缺點是功率因數低，雙籠型異步電動機結構復雜、價格較貴，而深槽式籠型異步電動機結構簡單、價格便宜。

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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

文獻標識碼：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，主要從事電氣自動化技術的教學和研究工作。

收稿日期：2016-02-15