胡 巖，劉 濤，陳金哲

(沈陽工業(yè)大學，吉林沈陽110023)

0 引 言

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、曲率效應的影響，提高了實心轉(zhuǎn)子異步電動機的設(shè)計精度。

1 對轉(zhuǎn)子參數(shù)應用透入深度法的分析與計算

1.1 等效電路及計算原理

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并且轉(zhuǎn)子軸向長度為有限長，因此應用曲率系數(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)。

1.2 實驗驗證及計算結(jié)果分析

由轉(zhuǎn)子阻抗角表達式:

及推導公式可知，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，由于集膚效應與端部效應增大，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，當導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。

2 對轉(zhuǎn)子參數(shù)應用多層理論的分析與計算

2.1 計算原理和基本假設(shè)

在處理復合轉(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，如電導率、磁導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，就可計算出復合轉(zhuǎn)子異步電動機的參數(shù)及性能。應用此方法，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;

(3)不考慮鐵心材料的磁滯效應，也不計定轉(zhuǎn)子的曲率效應;

(4)定子鐵心不飽和，其磁導率和電導率分別假設(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)。氣隙層磁導率μ0為一常數(shù)，電導率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n=N時，ωn=ω1;當 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。

2.2 實驗驗證及計算結(jié)果分析

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，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及轉(zhuǎn)子曲率效應;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。

3 結(jié) 語

應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，應用多層理論法計算相對準確，而應用此法對電磁轉(zhuǎn)矩存在很大誤差;在大轉(zhuǎn)差率下，對電磁轉(zhuǎn)矩應用透入深度法計算較準確，應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、端部效應、曲率效應的影響，滿足工程上對設(shè)計精度的要求。

［1］ 傅豐禮，唐孝稿.異步電動機設(shè)計手冊［M］.第二版.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 謝德馨，姚纓英，白保東，等.三維渦流場的有限元分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［3］ 童鐘良.雙層實心轉(zhuǎn)子感應電機的分層阻抗理論［J］.電工技術(shù)學報，1993(2):18－22.

［4］ Huppunen J，Pyrhonen J.Filtered PWM －inverter drive for high －speed solid － rotor induction motors［J］.Industry Applications Conference Record of the 2000 IEEE，2000，3(8 －12):1942 －1949.

［5］ 辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學［M］.第二版.武漢:華中科技大學出版社，2005.

［6］ 馮爾健.鐵磁體實心轉(zhuǎn)子異步電機理論與計算［M］.北京:科學出版社，1980.

［7］ 林瑞光.電機與拖動基礎(chǔ)［M］.杭州:浙江大學出版社，2004.

［8］ 黃國治，傅豐禮.中小旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［9］ 湯蘊璆.電機內(nèi)的電磁場［M］.第二版.北京:科學出版社，2005.