• 头条如何精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩?
    2019-09-05 作者:鲍晓华、方金龙、徐威、吴长江  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语合肥工业大学电气与自动化工程学院的研究人员鲍晓华、方金龙、徐威、吴长江,在《电工技术学报》2019年第4期上撰文(论文标题为“考虑横向电流和饱和轴向变化的双斜槽转子感应电机起动转矩分析”)指出,双斜槽转子感应电机是一种能提升普通单斜槽转子感应电机性能的新型电机,横向电流和磁场饱和轴向变化对其起动性能的影响未得到充分研究。为了精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩,基于三维有限元瞬态场,本文建立一种考虑横向电流和磁场饱和轴向变化的双斜槽转子感应电机分析模型。提出一种考虑主电抗变化的等效电路参数法,精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩特性。同时通过分析气隙磁通密度的轴向变化来说明三维有限元分析模型能考虑磁场饱和轴向变化,通过仿真不同横向电阻值的有限元模型来探究横向电阻与转矩-转速曲线的关系。与有限元中的虚位移法和实验相比,计算结果证明了所提方法能够精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩。

    斜槽转子感应电机发展多年,因拥有众多优势仍受到企业和电机设计人员的青睐。感应电机采用单斜槽转子结构会导致基波电流降低、轴向力不平衡,还可能带来横向电流损耗。相比单斜槽转子,双斜槽转子感应电机能消除不平衡的轴向力,进一步减小电机的振动噪声。

    双斜槽转子的结构是对普通斜槽转子分段改造,来改进电机的电磁性能,基于此种思想,一些新型斜槽转子结构受到更多研究者的关注。这些新型斜槽转子感应电机的起动转矩,受转子结构的影响很大,甚至不能正常全压起动,因此有必要分析其起动性能;而且传统的解析公式不能准确计算这种特殊结构的等效电路参数,给电机设计人员带来了诸多不便。

    斜槽转子感应电机中气隙磁通沿轴向不等,若导条与铁心之间未完全绝缘,则相邻导条之间的铁心中就存在电流流通,此电流称为横向电流。在国内,江建中等学者很早就提出要建立三维有限元模型分析横向电流引起的附加损耗。

    在国外,文献[7]从估算和测试横向电阻的角度进行了详细的研究。随着有限元技术的发展,文献[8,9]把斜槽转子等效电路与二维有限元方法相结合,分析了横向电流对等效电路参数的影响,并提供了横向电阻的估算方法,但这类计算模型中均未考虑磁场饱和轴向变化对电机起动性能的影响。

    在国内,斜槽转子感应电机中磁场饱和在轴向变化对电机性能的影响还没有受到一些学者的重视。文献[10]中的外国学者探讨了气隙磁通在轴向变化对等效电路参数的影响,最后证明了磁场饱和在轴向变化对电机的起动性能有相当大的影响,而对额定状态的转矩性能几乎没有影响。文献[11]提出三维有限元的模型,可以分析磁场饱和轴向变化,但是当时计算三维有限元模型存在难度。文献[12]提到,既然三维有限元模型能够更加精确地计算横向电流对电机性能的影响,学术研究就应该致力于此目标。

    对斜槽转子感应电机的等效电路参数数值算法的研究已有多年,文献[13]做出了阶段性总结,但用这种方法计算新型斜槽转子感应电机参数的精度受到质疑。有限元法可以提高等效电路参数的计算精度,文献[14]提出了一种用二维有限元方法准确计算屏蔽电机等效电路参数的方法,具有一定的参考价值,但是该方法并不能考虑到横向电流和磁场饱和轴向变化这些复杂的因素。

    文献[15]采用二维有限元与三维有限元相结合的方法分析不同转子结构感应电机的起动性能,能够在不牺牲精确度的情况下提高计算速度,但这种方法并不针对双斜槽转子感应电机。

    本文以一种不带中间环的双斜槽转子感应电机为分析样机,建立考虑横向电流和轴向磁场饱和变化的三维有限元模型,利用所提方法计算出其等效电路参数及转矩-转速曲线,同时分析横向电阻对双斜槽转子感应电机起动转矩性能的影响。将计算结果与有限元中的虚位移法计算结果和实验结果进行对比,验证本文提出的方法能够精确计算双斜槽转子感应电机的等效电路参数和起动转矩。

    如何精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩?

    图3 双斜槽转子感应电机有限元模型的剖分视图

    如何精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩?

    图8 堵转实验测试平台

    如何精确计算双斜槽转子感应电机的起动转矩?

    图9 转矩-转速曲线测试平台

    结论

    本文建立一种考虑横向电流和磁场饱和轴向变化的三维有限元分析模型,能够精确计算双斜槽转子感应电机起动过程中的动态等效电路参数和电磁转矩。通过虚位移法和等效电路参数法对比分析,结果表明等效电路参数法能够提高双斜槽转子感应电机起动过程中的电磁转矩的计算精度。

    本文指出双斜槽转子感应电机的气隙磁通密度基波分量轴向呈中间小、两端大的分布趋势,且这种分布通过磁场饱和轴向变化影响等效电路参数。同时指出,横向电流对双斜槽转子感应电机起动转矩有一定影响,即横向电阻增大,起动转矩增大,但最大转矩减小。

    最后通过实验验证了本文所提的方法能够精确计算双斜槽转子感应电机等效阻抗并得到转矩-转速曲线。本文所建立的三维有限元模型和所提出的方法对各种新型斜槽转子电机设计及性能分析具有一定的参考价值。

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