降低諧波損耗的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)
辛本雨，廖勇（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沙坪壩400044）
摘要：在變頻調(diào)速電機(jī)的應(yīng)用中，電源中的高次諧波電流將引起集膚效應(yīng)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻及銅損耗增加，這是造成電機(jī)效率降低的根本原因，因此必須針對(duì)逆變器供電的特殊性設(shè)計(jì)異步電機(jī)。在對(duì)國(guó)外提出的一種帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上得出確定其尺寸的表達(dá)式，并通過(guò)電磁場(chǎng)有限元分析來(lái)驗(yàn)證，結(jié)果表明，這種轉(zhuǎn)子槽能極大降低轉(zhuǎn)子諧波電流、轉(zhuǎn)子諧波損耗。最后，總結(jié)出轉(zhuǎn)子槽尺寸與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條諧波損耗之間的變化規(guī)律，對(duì)以后設(shè)計(jì)該種轉(zhuǎn)子槽具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：諧波損耗；異步電機(jī)；轉(zhuǎn)子槽；設(shè)計(jì)
中國(guó)分類號(hào)：TM343；TM302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010)01-0038-04
0引 言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速得到了飛速發(fā)展，在工業(yè)各領(lǐng)域，甚至家用電器方面也得到了全面應(yīng)用。但作為變頻調(diào)速的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一三相異步電動(dòng)機(jī)，絕大多數(shù)仍采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)。研制適合變頻調(diào)速的變頻電機(jī)成為交流調(diào)速領(lǐng)域最重要的課題。當(dāng)用變頻電源給異步電動(dòng)機(jī)供電[1-5]，由于電壓（電流）是非正弦的，含有大量的諧波成分，會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生大量諧波磁場(chǎng)，對(duì)電機(jī)的損耗、效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩、發(fā)熱等產(chǎn)生一系列不利影響。克服這些難題的****方法是改進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以適應(yīng)逆變器電源。
由于高次諧波電流在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中集膚效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條時(shí)，尤其要減少導(dǎo)條本身的諧波電流損耗。高次諧波電流因集膚效應(yīng)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的頂部，如果不為適應(yīng)變頻電源來(lái)特別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，他們會(huì)引起局部發(fā)熱和在電機(jī)軸上產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為盡量抑制高次諧波損耗的增加，要應(yīng)用特殊的轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)，使逆變器引起的諧波電流帶來(lái)的附加損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響減到最小。
本文將要分析、設(shè)計(jì)的這種帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽[6-8]，轉(zhuǎn)子齒側(cè)面平行，適合籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子。本文將在對(duì)這種帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽降低諧波電流、諧波損耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定轉(zhuǎn)子槽的尺寸，并對(duì)一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)電磁場(chǎng)有限元分析來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。
1 降低諧波損耗的原因分析
帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽形狀如圖1所示。轉(zhuǎn)子槽開(kāi)口部分1的材料為空氣，轉(zhuǎn)子槽的主要部分3填充的材料為鋁，轉(zhuǎn)子槽開(kāi)口部分1與轉(zhuǎn)子槽的主要部分3之間有一鐵心橋2連通轉(zhuǎn)子槽的兩側(cè)，鐵心橋的材料為導(dǎo)磁材料硅鋼片：在鐵心橋底部寬度最窄，向外寬度逐漸增大。
由于這種帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽在電磁性能上相當(dāng)于閉口槽，使得轉(zhuǎn)子槽漏磁路的磁阻減小，轉(zhuǎn)子槽漏抗顯著增加。這種槽形降低轉(zhuǎn)子導(dǎo)條諧波損耗的原因如下：
1)根據(jù)文獻(xiàn)，近似認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子漏電阻與定、轉(zhuǎn)子漏電抗相比，可以忽略不計(jì)，對(duì)電壓源逆變器供電的電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)繞組中的諧波電流Iμ、諧波損耗pμ表達(dá)式為：
由式(1)、式(2)看出，在逆變器電源輸給電機(jī)諧波電壓含量不變的情況下，增加轉(zhuǎn)子漏抗，能夠有效降低電機(jī)諧波電流，從而達(dá)到降低電機(jī)諧波損耗的目的。
2)原來(lái)轉(zhuǎn)子槽開(kāi)口中的鋁現(xiàn)被空氣所取代，降低了因集膚效應(yīng)而出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條頂部的高頻諧波電流損耗。
2帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)
帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽主要尺寸如圖2所示。
主要關(guān)鍵尺寸有鐵心橋橋頂寬tbu、鐵心橋底部寬tb開(kāi)口槽寬b、開(kāi)口槽高h(yuǎn)、轉(zhuǎn)子槽頂高h(yuǎn)u。
鐵心橋橋頂寬氣。是決定帶U形鐵心橋的轉(zhuǎn)子槽尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。t b大將允許數(shù)量很大的磁通通過(guò)鐵心橋橋頂，易造成磁通集中在鐵心橋****部，有造成諧波損耗集中在鐵心橋****部之下的鋁導(dǎo)條的可能；t b |
