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(yīng)電機能效指標(biāo)及工藝制造水平的重要參數(shù)，過高的空載損耗會誘發(fā)電機的定子溫度預(yù)警故障[1]。影響感應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計等。已有學(xué)者針對電機結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)子表面損耗和脈振損耗增加倍數(shù)進行了計算分析；文獻[3]通過等效電路模型分析了轉(zhuǎn)子槽深與集膚效應(yīng)、槽漏感變化規(guī)律，得出最大起動轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)公式；文獻[4]應(yīng)用有限元法分析了三相異步電機的每相串聯(lián)匝數(shù)、鐵心長度、氣隙長度、定子槽口寬度和槽深等參數(shù)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(zhuǎn)子損耗的影響，提出脈沖寬度調(diào)制(PWM)優(yōu)化策略設(shè)計方法；文獻[7]結(jié)合諧波磁場理論，對比分析了感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子槽口深度和槽配合對轉(zhuǎn)子損耗的影響；文獻[8]以定子槽口寬度、轉(zhuǎn)子槽寬、轉(zhuǎn)子槽口高、轉(zhuǎn)子槽深作為設(shè)計變量，提出了一種基于電磁-結(jié)構(gòu)耦合分析的異步電機外特性優(yōu)化方法。上述研究均表明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會對電機損耗特性產(chǎn)生重要影響，但對空載損耗與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性影響未作深入研究。

本文應(yīng)用理論計算和有限元分析法研究不同轉(zhuǎn)子槽型參數(shù)下感應(yīng)電機的空載損耗變化規(guī)律，并結(jié)合試驗進行驗證。

1 理論計算

1.1 空載損耗

感應(yīng)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(shè)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(jù)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(lián)匝數(shù)；Kdp1為定子基波繞組系數(shù)。

F0=Fδ+Ft+Fj=

Fδ+(Ft1+Ft2)+(Fj1+Fj2)

(3)

又有氣隙系數(shù)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(zhuǎn)子槽型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子槽型結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子齒寬bt2為

(7)

轉(zhuǎn)子齒磁路計算長度Lt2為

Lt2=hs02+hs12+hs22

(8)

(9)

轉(zhuǎn)子軛磁路計算長度Lj2為

(10)

式中：D2為轉(zhuǎn)子外徑；Di2為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑；hs02為轉(zhuǎn)子槽口高；hs12為轉(zhuǎn)子槽肩高；hs22為轉(zhuǎn)子槽深；r22為槽圓角；dv2為轉(zhuǎn)子的軸向通風(fēng)孔直徑；bs22為轉(zhuǎn)子槽寬。

由式(3)～式(10)可知，勵磁電流、磁密與轉(zhuǎn)子槽型參數(shù)有明顯關(guān)聯(lián)。其中，轉(zhuǎn)子槽口寬通過與氣隙系數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，影響氣隙磁壓降，進而影響勵磁電流。勵磁電流隨轉(zhuǎn)子槽口寬的增加而增大；轉(zhuǎn)子槽深、槽寬通過與磁密和磁路長度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，影響轉(zhuǎn)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(guān)系式中的占比不同而呈現(xiàn)出不同的趨勢，并在某個取值點達到平衡狀態(tài)。

1.3 槽漏抗

轉(zhuǎn)子槽型參數(shù)變化會影響轉(zhuǎn)子漏抗，因感應(yīng)電機的氣隙δ較小，齒頂漏抗可忽略不計，則感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子漏抗Xσ2主要是槽漏抗：

(11)

由式(11)可得，轉(zhuǎn)子槽型會影響轉(zhuǎn)子漏抗，深窄形槽的轉(zhuǎn)子漏抗增加明顯。

對于變頻感應(yīng)電機，設(shè)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(zhuǎn)子槽型參數(shù)影響分析

采用ANSYS電磁軟件建立某型號320 kW感應(yīng)電機模型，保持定子槽型、槽配合、氣隙、匝數(shù)等基本參數(shù)不變，在不同轉(zhuǎn)子槽型、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子槽型

為保證電機特性不變，在轉(zhuǎn)子槽截面積保持不變(槽深hs22×槽寬bs22=定值)的前提下，轉(zhuǎn)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(jié)果如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)子槽型RMxprt計算結(jié)果

圖3 轉(zhuǎn)子槽型尺寸對磁路的影響

圖4 轉(zhuǎn)子槽型尺寸對磁場的影響

選擇轉(zhuǎn)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(shù)降低、過載能力小)，另外，因過深窄槽導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子機械強度降低問題，也是電磁設(shè)計時需考慮的一個重要因素。

2.2 轉(zhuǎn)子槽口形式

保持轉(zhuǎn)子槽型不變，改變轉(zhuǎn)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(jié)果如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)子槽口尺寸RMxprt計算結(jié)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(zhuǎn)子槽口寬bs02對磁路的影響

圖6 轉(zhuǎn)子槽口寬bs02對磁場的影響

根據(jù)上述參數(shù)計算分析結(jié)果，采用綜合優(yōu)化方案(轉(zhuǎn)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(jié)果如表3所示。

圖7為采用綜合優(yōu)化方案后對磁場的影響，從表3及圖7可以看出,對比優(yōu)化前，勵磁電流下降了9.08 A；轉(zhuǎn)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(yīng)空載損耗降低了0.5 kW。

表3 綜合優(yōu)化方案和原方案的RMxprt計算結(jié)果

圖7 采用綜合優(yōu)化方案的磁場影響分析

3 試驗驗證

根據(jù)仿真分析結(jié)果，以最小化改動原則，對上述的320 kW感應(yīng)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(zhuǎn)子槽型hs22×bs22由19.10 mm×8.85 mm改為23.09 mm×7.35 mm，同時將轉(zhuǎn)子槽口寬bs02由4.5 mm變?yōu)?.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(yù)期效果。試驗結(jié)果如表4所示。改進前后電機的空載試驗數(shù)據(jù)曲線，如圖8所示。

表4 改進電機的空載試驗結(jié)果

圖8 改進前后電機的空載試驗數(shù)據(jù)曲線

由圖8可知，改進后感應(yīng)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(jié)果基本吻合。改進前，電機實際的鐵心飽和系數(shù)較大，導(dǎo)致勵磁電抗變小，勵磁電流增大。

感應(yīng)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(yīng)電機搭載變流器現(xiàn)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(fā)生明顯變化，且偏差在額定轉(zhuǎn)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(jié) 語

本文從理論上分析了感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子槽型參數(shù)與空載損耗的關(guān)聯(lián)影響。采用ANSYS RMxprt和Maxwell 2D軟件仿真計算了某320 kW感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子漏抗、勵磁電流、空載損耗、磁密分布，分析了不同轉(zhuǎn)子槽型(槽深×槽寬)、轉(zhuǎn)子槽口寬度下，勵磁電流和空載損耗的變化規(guī)律。試驗結(jié)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(yīng)電機高效能設(shè)計技術(shù)及解決工程應(yīng)用問題具有一定的參考價值。