感應電機轉子槽型參數對空載損耗的影響研究

李世杰， 陳振強， 馬千柱， 劉 妍

(中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

空載損耗是表征感應電機能效指標及工藝制造水平的重要參數，過高的空載損耗會誘發電機的定子溫度預警故障[1]。影響感應電機空載性能的因素很多，如硅鋼片的材料性能、電壓等級、電機結構設計等。已有學者針對電機結構設計對空載損耗的影響進行了較為深入的研究。文獻[2]對電機定子采用半閉口槽和開口槽兩種情況下的轉子表面損耗和脈振損耗增加倍數進行了計算分析；文獻[3]通過等效電路模型分析了轉子槽深與集膚效應、槽漏感變化規律，得出最大起動轉矩的關聯公式；文獻[4]應用有限元法分析了三相異步電機的每相串聯匝數、鐵心長度、氣隙長度、定子槽口寬度和槽深等參數對空載勵磁電流的影響；文獻[5-6]分析了諧波對磁化電流、激磁電感及定轉子損耗的影響，提出脈沖寬度調制(PWM)優化策略設計方法；文獻[7]結合諧波磁場理論，對比分析了感應電機的轉子槽口深度和槽配合對轉子損耗的影響；文獻[8]以定子槽口寬度、轉子槽寬、轉子槽口高、轉子槽深作為設計變量，提出了一種基于電磁-結構耦合分析的異步電機外特性優化方法。上述研究均表明轉子結構會對電機損耗特性產生重要影響，但對空載損耗與轉子結構的關聯性影響未作深入研究。

本文應用理論計算和有限元分析法研究不同轉子槽型參數下感應電機的空載損耗變化規律，并結合試驗進行驗證。

1 理論計算

1.1 空載損耗

感應電機的空載損耗p0主要由鐵心損耗pv(包括磁滯損耗ph和渦流損耗pc)、勵磁損耗pCu1、機械損耗pfw及附加損耗pe組成[6]：

(1)

由式(1)可以看出，通過設計較小的磁通密度和勵磁電流可降低空載損耗。

1.2 勵磁電流

磁路計算時根據磁路磁動勢確定空載勵磁電流的Im0:

(2)

式中：F0為每極勵磁磁動勢；N為每相串聯匝數；Kdp1為定子基波繞組系數。

F0=Fδ+Ft+Fj=

Fδ+(Ft1+Ft2)+(Fj1+Fj2)

(3)

又有氣隙系數Kδ：

(4)

式中：t為齒距；b0為槽口寬。

齒磁密Bt為

(5)

軛磁密Bj為

(6)

轉子槽型結構如圖1所示。

圖1 轉子槽型結構示意圖

轉子齒寬bt2為

(7)

轉子齒磁路計算長度Lt2為

Lt2=hs02+hs12+hs22

(8)

(9)

轉子軛磁路計算長度Lj2為

(10)

式中：D2為轉子外徑；Di2為轉子內徑；hs02為轉子槽口高；hs12為轉子槽肩高；hs22為轉子槽深；r22為槽圓角；dv2為轉子的軸向通風孔直徑；bs22為轉子槽寬。

由式(3)～式(10)可知，勵磁電流、磁密與轉子槽型參數有明顯關聯。其中，轉子槽口寬通過與氣隙系數的關聯關系，影響氣隙磁壓降，進而影響勵磁電流。勵磁電流隨轉子槽口寬的增加而增大；轉子槽深、槽寬通過與磁密和磁路長度的關聯關系，影響轉子的齒部及軛部磁壓降，進而影響勵磁電流。具體影響程度因槽深和槽寬二者在關系式中的占比不同而呈現出不同的趨勢，并在某個取值點達到平衡狀態。

1.3 槽漏抗

轉子槽型參數變化會影響轉子漏抗，因感應電機的氣隙δ較小，齒頂漏抗可忽略不計，則感應電機的轉子漏抗Xσ2主要是槽漏抗：

(11)

由式(11)可得，轉子槽型會影響轉子漏抗，深窄形槽的轉子漏抗增加明顯。

對于變頻感應電機，設計較大的漏抗，增加感抗，可抑制諧波可削弱空載時鐵心中的附加(或雜散)損耗[5]。

2 轉子槽型參數影響分析

采用ANSYS電磁軟件建立某型號320 kW感應電機模型，保持定子槽型、槽配合、氣隙、匝數等基本參數不變，在不同轉子槽型、轉子槽口下，采用RMxprt路算和MAXWELL 2D場算方法對電機考核點的電磁場分布及空載損耗影響進行分析。圖2為電機的仿真模型。

圖2 仿真模型

2.1 轉子槽型

為保證電機特性不變，在轉子槽截面積保持不變(槽深hs22×槽寬bs22=定值)的前提下，轉子槽型由寬淺到窄深，計算不同槽深、槽寬下的空載電流及空載損耗。仿真計算結果如表1所示。

表1 不同轉子槽型RMxprt計算結果

圖3 轉子槽型尺寸對磁路的影響

圖4 轉子槽型尺寸對磁場的影響

選擇轉子深窄槽型需綜合考慮電機在高速段的運行特性是否變差(電抗大、功率因數降低、過載能力小)，另外，因過深窄槽導致的轉子機械強度降低問題，也是電磁設計時需考慮的一個重要因素。

2.2 轉子槽口形式

保持轉子槽型不變，改變轉子槽口形式(槽口寬、槽口高)，計算不同槽口寬bs02和槽口高hs02下的勵磁電流及空載損耗。仿真計算結果如表2所示。

表2 不同轉子槽口尺寸RMxprt計算結果

由表2可知，槽口高對勵磁電流和總損耗的影響較小，故本文不考慮將槽口高度hs02作為變量進行分析。

圖5 轉子槽口寬bs02對磁路的影響

圖6 轉子槽口寬bs02對磁場的影響

根據上述參數計算分析結果，采用綜合優化方案(轉子槽型hs22×bs22為23.09 mm×7.35 mm，槽口寬bs02為2.30 mm)與原方案對比，結果如表3所示。

圖7為采用綜合優化方案后對磁場的影響，從表3及圖7可以看出,對比優化前，勵磁電流下降了9.08 A；轉子齒磁密由1.833 T下降到1.693 T，下降了0.140 T；齒部和軛部各部位磁密分布得到改善；對應空載損耗降低了0.5 kW。

表3 綜合優化方案和原方案的RMxprt計算結果

圖7 采用綜合優化方案的磁場影響分析

3 試驗驗證

根據仿真分析結果，以最小化改動原則，對上述的320 kW感應電機采取改進措施以降低勵磁電流和空載損耗，具體措施為：轉子槽型hs22×bs22由19.10 mm×8.85 mm改為23.09 mm×7.35 mm，同時將轉子槽口寬bs02由4.5 mm變為2.3 mm。

對改進后的電機進行空載試驗，空載電流及空載損耗較改進前均有明顯減小，達到預期效果。試驗結果如表4所示。改進前后電機的空載試驗數據曲線，如圖8所示。

表4 改進電機的空載試驗結果

圖8 改進前后電機的空載試驗數據曲線

由圖8可知，改進后感應電機的空載電流和空載損耗明顯降低。其中在考核點(116.7 Hz，2 300 V)，勵磁電流下降了2.4 A，空載損耗下降了0.84 kW，與有限元分析結果基本吻合。改進前，電機實際的鐵心飽和系數較大，導致勵磁電抗變小，勵磁電流增大。

感應電機中，空載磁化電流與滿載磁化電流差別不大。負載溫升試驗表明，在正弦供電和車載變流器供電條件下，改進后電機的定子繞組溫升、鐵心溫度較改進前均有下降。

感應電機搭載變流器現車軟件進行地面組合試驗，如圖9所示。圖10為改進前后電機的特性曲線，可見改進前后電機特性未發生明顯變化，且偏差在額定轉矩的±10%，滿足車輛運行需求。

圖9 電機搭載車載變流器的特性試驗

圖10 改進前后電機特性曲線

4 結 語

本文從理論上分析了感應電機轉子槽型參數與空載損耗的關聯影響。采用ANSYS RMxprt和Maxwell 2D軟件仿真計算了某320 kW感應電機的轉子漏抗、勵磁電流、空載損耗、磁密分布，分析了不同轉子槽型(槽深×槽寬)、轉子槽口寬度下，勵磁電流和空載損耗的變化規律。試驗結果較好地驗證了仿真分析的正確性。本文對于深入研究

感應電機高效能設計技術及解決工程應用問題具有一定的參考價值。