• 头条哈理工谢颖团队提出新型斜槽感应电机模型,研究横向漏电流的影响
    2022-08-02 作者:谢颖、毛攀 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语通常中小型电机多应用感应电机,通过转子斜槽的结构达到抑制寄生转矩、电磁振动和噪声等目的,同时斜槽结构会增加转子导条间的横向电流,影响感应电机的起动性能以及电机效率。为此,哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的研究人员谢颖、毛攀、胡圣明、马泽新、魏静微,在2022年第4期《电工技术学报》上撰文,主要研究横向电流对单斜槽感应电机性能的影响,通过总结单斜槽感应电机中横向电流在转子表面的分布规律,提出一种能计及横向电流的2D多截面有限元模型,相比已有计算横向漏电流时的3D模型,有效减少了仿真时间。 他们通过在转子内建立过渡层的方式,利用多截面有限元的方法等效斜槽感应电机,在2D有限元仿真中考虑横向漏电流,利用此模型预测三相感应电机中横向漏电流对电机性能的影响,通过对Y802-2感应电机内横向漏电流损耗进行仿真,并与三维有限元的损耗值进行对比,验证模型的可行性与有效性,同时利用此模型分析横向电阻值对电机的起动转矩特性的影响。

    感应电机作为传统电机发展多年,因其具有众多优势应用于工业发展各领域。在电机设计中,为降低谐波损耗、抑制寄生转矩与噪声等,感应电机多采用斜槽方式,但采用斜槽(定子或转子)技术后,斜槽结构使得气隙主磁场扭斜,造成基波电流降低、轴向力不平衡,同时产生横向漏电流损耗。横向漏电流损耗隶属于感应电机杂散损耗,其损耗占电机杂散损耗的1/3,研究横向漏电流对减小单斜槽感应电机杂散损耗以及响应国家能源战略号召具有重要意义。

    感应电机转子多为浇铸笼型结构,在电机性能分析中,假定导条与铁心绝缘性能良好,未考虑横向漏电流的产生。在电机实验中,由于转子导条扭斜的结构,使同一根导条处于不同的基波磁场下,导条两侧感生出切向电动势差,由于转子导条与铁心之间非绝缘特性,使得在相邻导条间有电流产生,称为横向漏电流。横向漏电流的产生使得转子电流沿轴向分布不均匀、电机发热不均,特别在堵转情况下,横向漏电流现象尤为显著,严重时烧毁铁心叠片间绝缘。

    为提高感应电机运行效率,横向漏电流对感应电机性能影响问题亟需关注。在电机设计中,忽略斜槽电机横向漏电流影响,使得电机仿真与实验结果呈现一定误差,为研究人员预估电机性能带来很大挑战,同时对电机内故障时诊断的特征量带来误差。故而越来越多的研究学者开始关注感应电机的横向漏电流损耗问题。

    在解析计算较为成熟的前提下,在电机仿真中考虑横向漏电流损耗成为难点。斜槽电机的气隙磁场是随时间变化的三维时变场,采用三维有限元方法分析横向漏电流是最直接、最有效的方法,要准确计入时间谐波和空间谐波的电磁影响,特别是齿槽效应对横向漏电流分布的影响,需要能够反映转子转动过程的三维时步有限元模型,但三维仿真的时间太长。

    因此,哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的研究人员针对二维场内难以计及横向漏电流影响问题,依据转子横向损耗解析计算方程提出一种斜槽感应电机模型,在磁场仿真中考虑转子横向电阻回路,通过在二维场内添加过渡层(位于转子导条与铁心之间),将实验测量得到的横向漏电阻值转化为过渡层电导率,通过此电机模型利用2D多截面有限元的方法等效斜槽,在二维场内计算感应电机横向漏电流损耗,将其损耗值与三维模型仿真值相对比证明模型的可行性,最后利用此模型对转子内横向漏电流影响做进一步分析,探究横向电阻值对电机起动转矩的影响。

    图 实验测量

    科研人员表示,通过对横向漏电流的研究,得出主要结论如下:

    1)在笼型感应电机稳态运行时,由转差率可知,转子切割主磁场速度较慢,在转子导条内感生电流频率很低,故转子中横向漏电流回路阻抗在电机额定条件下稳定运行时呈现电阻性。

    2)斜槽电机运行时横向漏电流的产生加剧了转子磁通密度分布的不对称性,横向漏电流分布沿轴向由中间向两端逐渐增加,靠近端环附近横向漏电流最为明显,同时横向漏电流损耗随着横向电阻的增加呈现先增加后减小的趋势。

    3)横向漏电流主要表现为谐波性质,其值同转子转差率与横向电阻相关,特别是在电机起动过程中对电机转矩有显著影响,而对电机稳态运行时的平均转矩影响不大。

    4)横向漏电流沿轴向分布不均匀,对电机内沿轴向不同位置温升的贡献不同,对电机内部温升影响有待后续研究;同时在转子断条故障情况下,回路的改变与转差率的变化均会加剧横向漏电流,在电机主磁场作用下对电机轴向振动的影响有待探究。

    本文编自2022年第4期《电工技术学报》,论文标题为“二维场计及横向漏电流影响的感应电机损耗与转矩分析”,作者为谢颖、毛攀 等。本课题得到了国家自然科学基金资助项目的支持,谢颖为第一作者和通讯作者,系哈尔滨理工大学电气与电子工程学院教授和博士生导师,研究方向是电机内电磁场、温度场、振动噪声计算及感应电机故障诊断及检测。