胡 巖,劉 濤,陳金哲
(沈陽工業(yè)大學(xué),吉林沈陽110023)
實心轉(zhuǎn)子異步電動機采用與普通異步電動機相同的定子結(jié)構(gòu),但其轉(zhuǎn)子采用實心鐵磁體,該實心鐵磁體融轉(zhuǎn)子磁路和轉(zhuǎn)子電流路徑為一體[1]。這種實心轉(zhuǎn)子異步電動機與普通異步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的不同決定了兩者性能方面的不同。實心轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子為實心鐵磁體,與普通異步電動機鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比較,結(jié)構(gòu)簡單得多,并且實心轉(zhuǎn)子機械強度高,采用此種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機適用于高速運行場合;起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小,適用于重載起動場合;起動電流小,可以在線路過長,壓降過大,以及發(fā)電機與電動機功率接近的供電系統(tǒng)中應(yīng)用;機械特性軟,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率具有線性關(guān)系,并且實心鐵磁體轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性好,可長時間處于制動狀態(tài),適合于挖掘機應(yīng)用場合;運行時較低的振動和噪聲,減小了噪聲污染;較寬的調(diào)速范圍,使其適用于調(diào)壓調(diào)速的場合[2-4]。另外,實心轉(zhuǎn)子電機還適用于頻繁起動[5]、頻繁正反轉(zhuǎn)及反復(fù)短時工作的場合[6-7]。
實心轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子采用鑄鐵或鑄鋼材料,融電路與磁路為一體,在大轉(zhuǎn)差率運行時,集膚效應(yīng)比較強烈,渦流及磁通集中在轉(zhuǎn)子表面,電阻和轉(zhuǎn)子表面損耗很大。實心轉(zhuǎn)子軸向有限長,通過端部區(qū)域,渦流回路閉合,轉(zhuǎn)子阻抗增大[8-9]。轉(zhuǎn)子參數(shù)是轉(zhuǎn)差率的函數(shù),不同轉(zhuǎn)差率下,阻抗不同,這將會給實心轉(zhuǎn)子異步電動機的設(shè)計帶來很大困難。
本文采用透入深度法與多層理論法進行電機設(shè)計,與實驗數(shù)據(jù)進行了比較,分析了兩種方法的優(yōu)缺點及各自產(chǎn)生較大誤差的原因。本文提出了結(jié)合兩種方法共同指導(dǎo)實心轉(zhuǎn)子異步電機的設(shè)計。研究結(jié)果表明,此兩種方法結(jié)合使用,計算簡便,并可綜合考慮飽和、端部、曲率效應(yīng)的影響,提高了實心轉(zhuǎn)子異步電動機的設(shè)計精度。
實心轉(zhuǎn)子異步電動機采用與普通異步電動機相同的定子結(jié)構(gòu),可采用如圖1所示的T形等效電路來分析和研究實心轉(zhuǎn)子異步電動機。
圖1 實心轉(zhuǎn)子異步電動機的等效電路
用透入深度法對實心轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)進行計算時,假設(shè)轉(zhuǎn)子為半無限大的鐵磁平板,由于轉(zhuǎn)子渦流的阻尼作用,從氣隙側(cè)傳來的電磁波在透入鐵磁介質(zhì)的過程中衰減。因此,在應(yīng)用此種對實心轉(zhuǎn)子參數(shù)進行分析和計算時,需作如下基本假設(shè):
(1)假設(shè)轉(zhuǎn)子為半無限大鐵磁介質(zhì)平板;
(2)渦流只在寬度為πD2、厚度為Δ、長度為L2的薄層,即轉(zhuǎn)子透入深度區(qū)域內(nèi)流動;密度以2τ為周期沿平板寬度方向,即轉(zhuǎn)子切向按正弦規(guī)律分布;
(3)在透入深度區(qū)域內(nèi),渦流密度為常值,即均勻分布;
(4)只存在軸向渦流,忽略徑向和切向渦流。
基于以上假設(shè),轉(zhuǎn)子參數(shù)求取可用以下表達式:
式中:ρ為鐵磁體的電阻率;L2為轉(zhuǎn)子軸向長度;A為渦流流通面積,可用下式計算:
由于轉(zhuǎn)子阻抗角φ2基本上保持為常數(shù),因此,可由R2計算出X2和Z2。實心轉(zhuǎn)子表面存在強烈集膚效應(yīng)并且轉(zhuǎn)子軸向長度為有限長,因此應(yīng)用曲率系數(shù)、端部系數(shù)以及電阻增加系數(shù)對轉(zhuǎn)子阻抗計算值予以修正。
同普通異步電動機一樣,在不同轉(zhuǎn)差率下運行,轉(zhuǎn)子參數(shù)在由轉(zhuǎn)子側(cè)向定子側(cè)折算過程中,需要進行頻率折算,即:
由式(3)可以看出,改變轉(zhuǎn)差率s值,可以得出不同轉(zhuǎn)差率下的轉(zhuǎn)子阻抗,進而可以計算出電機性能參數(shù)。
由轉(zhuǎn)子阻抗角表達式:
及推導(dǎo)公式可知,轉(zhuǎn)子阻抗計算中需要乘以不同系數(shù)予以修正,因此:
式(5)代入式(4)可得:
由式(6)可以看出,關(guān)鍵在于合理選取Kr與Kx,轉(zhuǎn)子阻抗角的大小取決于兩個系數(shù)的比值。以前學(xué)者提出φ2一般為35°左右。本文考慮工程實踐,選取 Kr=1.25;Kx=0.945,φ2=35.9°。
由圖2可以看出,頻率折算前,隨轉(zhuǎn)差率增大,轉(zhuǎn)子電阻增大,轉(zhuǎn)子電抗減小。頻率折算后,隨轉(zhuǎn)差率增大,轉(zhuǎn)子阻抗均減小。這是因為轉(zhuǎn)差率增大,由于集膚效應(yīng)與端部效應(yīng)增大,轉(zhuǎn)子電阻增大,但電阻變化小于轉(zhuǎn)差率變化。
圖2 轉(zhuǎn)子阻抗隨轉(zhuǎn)差率的變化
表1 實心轉(zhuǎn)子異步電動機的額定數(shù)據(jù)
設(shè)計了一臺4極、7.5 kW實心轉(zhuǎn)子異步電動機,樣機如圖3所示??梢钥闯?,實心轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)易生產(chǎn)加工。轉(zhuǎn)子用10號鋼直接澆鑄而成,生產(chǎn)成本低。實心轉(zhuǎn)子異步電動機的額定數(shù)據(jù)與主要尺寸如表1所示。通過對樣機進行測試,對測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進行了比較,試驗值與計算值的對比如圖4~圖5所示。由圖可知,電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與實驗值在大轉(zhuǎn)差率下非常接近,而定子電流的計算值與試驗值在大轉(zhuǎn)差率下相差很大;定子電流的計算值與實驗值在小轉(zhuǎn)差率下的差距縮小,但誤差仍較大。
透入深度法計算數(shù)值與實驗數(shù)值存在較大誤差的原因:第一,由透入深度的定義可知,當(dāng)導(dǎo)體電流密度由表面沿實心轉(zhuǎn)子徑向向里衰減至0.368倍時,透入深度即指該處到轉(zhuǎn)子表面距離。而此處默認轉(zhuǎn)子渦流只存在于鐵磁體透入深度范圍內(nèi),因此,這種假設(shè)將會造成較大誤差;第二,在計算轉(zhuǎn)子內(nèi)磁場強度時,忽略磁場強度切向分量,僅計及脈動磁場的影響;第三,依賴于設(shè)計經(jīng)驗的電阻修正系數(shù)Kr與電抗修正系數(shù)Kx具有不確定性;第四,沿厚度Δ的渦流密度假設(shè)是均勻分布的。
在處理復(fù)合轉(zhuǎn)子異步電動機電磁場問題時,多層理論是一種很有效的解析方法。應(yīng)用這種方法時,將定、轉(zhuǎn)子及氣隙沿電動機徑向劃分為很多層,各層材料特性,如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及各電磁場量的角頻率均可以為不同值。由麥克斯韋方程組和邊界條件,可以得出相鄰層間電磁場量的傳遞矩陣,利用此矩陣,可求解出電動機內(nèi)的電磁場量。這種方法的主要優(yōu)點在于,一是可以計及鐵磁材料沿徑向的非線性磁化情況;二是以上所建立的傳遞矩陣方程僅為二階復(fù)方程,計算過程比較簡單。通過上述方法計算可以得出各層電磁場量及其沿徑向的變化情況。再由波阻抗概念,就可計算出復(fù)合轉(zhuǎn)子異步電動機的參數(shù)及性能。應(yīng)用此方法,需要進行如下假設(shè):
(1)定子為三相對稱繞組,外施三相對稱電壓,定子繞組電流表示為分布于定子內(nèi)表面的面電流。通過氣隙系數(shù)Kc計及定子槽開口的影響;
(2)定、轉(zhuǎn)子軸向長度為無限長,通過端部系數(shù)計Ke及端部效應(yīng);
(3)不考慮鐵心材料的磁滯效應(yīng),也不計定轉(zhuǎn)子的曲率效應(yīng);
(4)定子鐵心不飽和,其磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別假設(shè)為無窮大和零;
(5)各電磁場量只計及的基波分量,且忽略位移電流影響。
通過以上假設(shè),可以建立如圖6所示的光滑實心轉(zhuǎn)子模型。將實心轉(zhuǎn)子沿徑向劃分成N-1層,μ、σ和ω在各層內(nèi)均為同一常數(shù)。氣隙層磁導(dǎo)率μ0為一常數(shù),電導(dǎo)率σ=0,而且氣隙長度δ相對較小,所以在此可將氣隙單獨劃分為一層,為第N層。
定子內(nèi)表面電流密度表達式:
圖6 實心轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子分層示意圖
式中:NΦ1Kdp1為每相串聯(lián)有效導(dǎo)體數(shù);m1為定子相數(shù);Di1為定子內(nèi)徑;I1為定子相電流。
其中,ex、ey、ez分別為 x、y、z方向的單位矢量。并設(shè):
則當(dāng)n=N時,ωn=ω1;當(dāng) n=1~(N-1)時,ωn=sω1。s為轉(zhuǎn)差率。
由麥克斯韋方程組:
及介質(zhì)方程:
可以得出:
取第N-1層與第N層交界處為y=0,則由邊界條件:
式中:bn為第N層厚度;Hxn為第N層靠近氣隙側(cè)邊界處磁場強度切向分量,其余如此類推。
由式(12)與式(13)可得出各層場量傳遞矩陣方程:
當(dāng)已知第 N -1 層的 Byn-1、Hxn-1時,第 N 層的Byn、Hxn即可求出,從而可以進一步求出 Ezn及 Jxn。對于第 N 層,即氣隙層,μn= μ0、σn=0、γn=a 和 bn=Kcδ,即為有效氣隙長度。
總體邊界條件:
各電磁場量計算出后,轉(zhuǎn)子阻抗即可由波阻抗理論求得。在轉(zhuǎn)子、氣隙的交界處,從氣隙側(cè)往轉(zhuǎn)子側(cè)看,將轉(zhuǎn)子阻抗折算到定子側(cè)并考慮實心轉(zhuǎn)子端部效應(yīng)時,可表達:
式中:L2為定子鐵心有效長度;D2為轉(zhuǎn)子直徑;Zn-1為波阻抗。
式中:Byn-1、Hyn-1分別為轉(zhuǎn)子表面的徑向磁密和切向磁場強度。
一般情況下,計算結(jié)果的精度隨轉(zhuǎn)子分層數(shù)的增加而相應(yīng)提高,但計算時間也會隨之增長,而由迭代過程中所累積的誤差也越大,因此本文在對轉(zhuǎn)子進行分層時將轉(zhuǎn)子層數(shù)設(shè)為40層。由于集膚效應(yīng),越靠近實心轉(zhuǎn)子表面,磁飽和程度越高,磁場與電流密度變化也就越快,所以本文按層厚依次遞減對轉(zhuǎn)子分層。計算結(jié)果如圖7~圖9所示。
從圖中可以看出,應(yīng)用多層理論求解的轉(zhuǎn)子電流在整個轉(zhuǎn)差率變化范圍內(nèi)較透入深度法與實驗值更為接近些,但兩者之間仍存在較大誤差;電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與實驗值在大轉(zhuǎn)差率下誤差很大,因此不宜采用多層理論法在大轉(zhuǎn)差率下計算電磁轉(zhuǎn)矩。
多層理論法計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比,兩者之間存在較大誤差的原因如下:第一,多層理論法雖然能考慮徑向轉(zhuǎn)子磁密分量的變化,但轉(zhuǎn)子磁密沿周向的變化卻未曾考慮,因為此方法默認氣隙磁密在每層均勻分布;第二,認為鐵心磁導(dǎo)率無窮大,這樣就忽略了定子鐵心非線性所帶來的影響;第三,忽略了定子開槽效應(yīng)及轉(zhuǎn)子曲率效應(yīng);第四,轉(zhuǎn)子層厚設(shè)置及由此產(chǎn)生的層數(shù)多少也會影響計算精度。
應(yīng)用透入深度法與多層理論法對實心轉(zhuǎn)子參數(shù)計算研究表明:對定子電流的計算,應(yīng)用多層理論法計算相對準(zhǔn)確,而應(yīng)用此法對電磁轉(zhuǎn)矩存在很大誤差;在大轉(zhuǎn)差率下,對電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)用透入深度法計算較準(zhǔn)確,應(yīng)用此法對定子電流的計算則相對存在很大誤差。因此,本文提出結(jié)合兩種方法共同計算轉(zhuǎn)子參數(shù),對電磁轉(zhuǎn)矩計算應(yīng)用多層理論法,對定子電流計算剛采用多層理論法,結(jié)合兩種方法來共同設(shè)計實心轉(zhuǎn)子異步電動機。此兩種方法綜合考慮了飽和效應(yīng)、端部效應(yīng)、曲率效應(yīng)的影響,滿足工程上對設(shè)計精度的要求。
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