張 文，齊 奇，吳新振

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多相感應(yīng)電機(jī)通風(fēng)槽板渦流損耗分析

張 文1，齊 奇2，吳新振1

（1. 青島大學(xué)，山東 青島 266071；2. 青島供電公司，山東 青島 266001）

大容量多相感應(yīng)電機(jī)通風(fēng)槽板渦流損耗是造成鐵心溫升的一個(gè)重要原因，也是決定大容量電機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。本文以一臺十二相異步電機(jī)為例，分析了通風(fēng)槽板對電機(jī)軸向磁密分布的影響，并做出通風(fēng)槽板渦流分布三維圖，分析得到通風(fēng)槽板的渦流分布特點(diǎn)，并對通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效的減小了渦流損耗，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

十二相異步電動(dòng)機(jī)；通風(fēng)槽板；渦流損耗；有限元計(jì)算；分析和優(yōu)化

0 前言

多相感應(yīng)電機(jī)具有可靠性高和轉(zhuǎn)矩密度高等特點(diǎn)，能夠滿足艦船電力推進(jìn)的要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力推進(jìn)領(lǐng)域[1-3]。大容量感應(yīng)電機(jī)不僅輸出功率高損耗也同樣巨大，為避免溫升過高對電機(jī)造成損壞，常常在電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心中安裝通風(fēng)槽板，來增加電機(jī)的通風(fēng)散熱能力。當(dāng)通風(fēng)槽板采用導(dǎo)磁導(dǎo)電的良性材料時(shí)，會(huì)在通風(fēng)槽板中產(chǎn)生渦流，引起附加損耗，如果設(shè)計(jì)不合理，通風(fēng)槽板中產(chǎn)生的渦流損耗會(huì)很大，造成局部溫度過高，影響電機(jī)的性能和壽命，所以，研究大容量感應(yīng)電機(jī)通風(fēng)槽板渦流損耗的影響因素及優(yōu)化措施非常重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電機(jī)的構(gòu)件引起的渦流附加損耗進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[4]對大型空冷水輪發(fā)電機(jī)端部齒壓板的渦流損耗進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[5]對大型充水式潛水電機(jī)端部鐵心、定子壓圈、定子端部繞組等構(gòu)件的渦流損耗進(jìn)行了分析計(jì)算，并提出優(yōu)化措施。國內(nèi)外學(xué)者對通風(fēng)槽板的制造工藝及結(jié)構(gòu)做了大量改進(jìn)優(yōu)化，提高了電機(jī)的散熱能力[6,7]，而對通風(fēng)槽板渦流損耗方面的研究鮮有報(bào)道。

本文對通風(fēng)槽板上的渦流附加損耗進(jìn)行研究，以一臺大容量十二相異步電機(jī)為樣機(jī)，分析影響通風(fēng)槽板渦流損耗的因素，并提出對通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施，以減小通風(fēng)槽板的渦流損耗。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型及基本假定

十二相異步電機(jī)定子槽數(shù)為168，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為210，極對數(shù)為7，定子鐵心中安裝22個(gè)通風(fēng)槽板，將定子鐵心分成23段，每段鐵心軸向長度相同。電機(jī)采用的通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由通風(fēng)槽片和通風(fēng)條構(gòu)成，且均采用Q235B材料，電導(dǎo)率為3.31×106S/m，其導(dǎo)磁性能較好，定轉(zhuǎn)子鐵心采用50WW350型號硅鋼片。

圖1 通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)圖

由于電機(jī)磁路具有周期對稱性，為減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)減小計(jì)算模型以及有限元剖分，建立周向1/7、軸向1/22模型，如圖2所示。定子繞組分為兩層，由于定子繞組采用整距集中繞組，每槽中上下層繞組的電流大小相等方向相同，故可用一個(gè)繞組等效，并做出以下假設(shè)：

（1）不計(jì)及位移電流，忽略鐵心材料的磁滯效應(yīng)，鐵心材料各向同性；

（2）所有場量均按正弦規(guī)律變化；

（3）不考慮溫度對電導(dǎo)率的影響，假定計(jì)算溫度為75℃。

圖2 通風(fēng)槽板損耗求解區(qū)域

1.2 模型計(jì)算及邊界條件設(shè)置

在三維渦流場求解區(qū)域中，渦流區(qū)域?yàn)槎?、轉(zhuǎn)子繞組、通風(fēng)槽板等導(dǎo)電構(gòu)件所在區(qū)域，非渦流區(qū)域?yàn)槎?、轉(zhuǎn)子鐵心等非導(dǎo)電構(gòu)件所在區(qū)域，采用，-法建立十二相異步電動(dòng)機(jī)渦流場數(shù)學(xué)模型[8]：

（1）

同時(shí)，還存在以下關(guān)系：

上式中，為矢量電位，為標(biāo)量磁位，為源電流密度，為磁場強(qiáng)度，為源電流密度在無界空間中所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，為磁導(dǎo)率，為電導(dǎo)率。為使微分方程（1）和（2）有唯一解，設(shè)置1和2為周期性偶對稱邊界條件，其他邊界設(shè)為平行邊界條件。

2 模型有限元分析

2.1 磁場分析

首先分析電機(jī)的磁場分布，分別對鐵心軸向中心處氣隙磁密和通風(fēng)槽板軸向中心處氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解，得到基波和諧波含量分布，如圖3所示。

圖3 氣隙磁密分布

由圖3分析可以看出，鐵心處和通風(fēng)槽板處氣隙磁密中除基波外23次、25次、29次和31次諧波含量較高，其中23次、25次屬于定子齒諧波，29次和31次屬于轉(zhuǎn)子齒諧波，通風(fēng)槽板處相對于鐵心處的磁密有所下降，其中基波和23次諧波減少量較大，25次、29次、31次諧波減少量較小。綜上，基波和齒諧波是造成通風(fēng)槽板渦流損耗的主要原因。

Q235材料是導(dǎo)磁導(dǎo)電較為良好的材料，做出Q235和50WW350硅鋼片相對磁導(dǎo)率對比圖，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁密大于1.6T時(shí)兩種材料的相對磁導(dǎo)率較為接近，由于通風(fēng)槽板和電機(jī)鐵心緊密接觸，所以電機(jī)在較為飽和部位會(huì)向通風(fēng)槽板泄露，引起渦流損耗。

圖4 相對磁導(dǎo)率

電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下，鐵心和通風(fēng)槽板的磁密分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，鐵心齒部磁密較高且多處位置磁密大于1.6T，會(huì)造成磁密泄露，軛部磁密較小，根據(jù)通風(fēng)槽板磁密分布圖可以看出其齒部磁密較高、軛部較小滿足上述分析結(jié)果。

(a) 鐵心磁密分布

(b) 通風(fēng)槽板磁密分布

圖5 磁密分布圖

2.2 通風(fēng)槽板渦流分布

為分析通風(fēng)槽板的渦流分布，分別作出通風(fēng)槽片、齒部通風(fēng)條、軛部通風(fēng)條徑向渦流分布，如圖6所示。

由圖6可以得出，通風(fēng)槽片的平均渦流最大，齒部通風(fēng)條的渦流次之，軛部通風(fēng)條的渦流最小，并且軛部的渦流比齒部渦流大，通風(fēng)槽片齒頂部渦流比齒部其它位置大。

2.3 通風(fēng)槽板渦流損耗計(jì)算

在一個(gè)周期內(nèi)，通風(fēng)槽板渦流損耗的平均值P可由式（4）得到：

其中，上標(biāo)表示單元值，為單元格數(shù)，下標(biāo)，，表示渦流在，，軸方向的分量，下標(biāo)和分別表示復(fù)矢量相應(yīng)分量幅值的實(shí)部和虛部。根據(jù)式（4）可以求得22個(gè)通風(fēng)槽板總的平均損耗為392.6kW。

3 通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則是要保證通風(fēng)槽板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)不能影響其通風(fēng)散熱能力。根據(jù)前文分析可知，通風(fēng)槽板靠近氣隙的齒頂處磁通密度很大，同時(shí)這部分渦流密度也很大，為大幅度減小這部分渦流損耗，提出將齒頂兩個(gè)直角改為半徑為11.5mm的兩個(gè)1/4圓角的優(yōu)化措施，圖7給出了一個(gè)定子槽距下通風(fēng)槽板優(yōu)化前后對比圖。

圖7 通風(fēng)槽板齒部優(yōu)化

對通風(fēng)槽板齒部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，渦流損耗減小為 269.9kW，相比優(yōu)化前減小了31.3%，優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)論

以十二相異步電動(dòng)機(jī)為樣機(jī)，采用，-法對其進(jìn)行有限元計(jì)算，從磁場分布和渦流分布兩方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）磁場中除基波外，齒諧波含量相對較高；通風(fēng)槽板處磁密相對于鐵心處磁密明顯減小。

（2）軛部的渦流密度大于齒部的渦流密度，齒部渦流主要集中在齒頂；通過對通風(fēng)槽板齒部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通風(fēng)槽板的渦流附加損耗減小了31.3%。

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Analysis on Eddy Current Loss of Ventilation Slot Board in Multi-phase Induction Motor

ZHANG Wen1, QI Qi2, WU Xinzhen1

(1. Qingdao University, Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Power Supply Company, Qingdao 266001, China)

Eddy current loss of ventilation slot board in large capacity multi-phase induction motor is an important cause for core temperature rise, it is also one of the key factors for safety operation of large capacity motor. This paper, taking a twelve phases asynchronous motor as an example, analyzed the influence of ventilation slot board on the magnetic density distribution, developed a three-dimensional distribution map of eddy current in ventilation slot board. The characteristics of the eddy current distribution of the ventilated slot plate are analyzed, and the structure of ventilation slot board is optimized, thus reducing the eddy current loss effectively, and providing theoretical basis for engineering design.

twelve phases asynchronous motor; ventilation slot board; eddy current loss; finite element calculation; analysis and optimization

TM311

A

1000-3983(2018)05-0016-04

2018-05-23

張文（1993-），現(xiàn)為青島大學(xué)電氣工程方向全日制碩士研究生，研究方向?yàn)榇笕萘慷嘞喔袘?yīng)電機(jī)附加損耗的研究。

國家自然科學(xué)基金（51677092）