不同转子槽形对感应电机性能影响的对比分析

引 言
转子槽形的变化对于电机性能参数有较大影 响,例如电机的起动性能、损耗特性、效率及温升等。 就转子槽形而言,采用铸铝转子的中小型电动 机,一般采用平底槽、凸形槽、闭口槽、双笼槽、刀形 槽等。 其中平底槽强度较高,主要用于功率较大的 电机;平行槽的集肤效应比平底槽的槽形显著,对改 善电机起动性能有利;凸形槽的集肤效应显著,能降 低电机起动电流,改善起动性能,但是形状复杂,冲 模加工困难;闭口槽可减少电机的附加损耗,但是增 加了转子的槽漏抗;双笼槽可以得到较好的起动和 运行特性;刀形槽保留了凸形槽的优点,也方便了冲 模加工。

北京中惠普分析技术研究所以一台容量为 11 kW 的三相感应电动机 为例,建立了 Maxwell 有限元电机模型,选取了平底 槽与刀形槽两种槽形,当电机转子采用平底槽和转 子刀形槽时,对比分析了电机定转子铜耗、铁耗、起 动转矩及起动转矩电流,并进行了实验验证,验证了 分析结果的正确性。

电动机的主要结构参数及对比槽形

基于有限元的电机性能计算方法
感应电机的定转子磁路饱和情况以及电机转子 集肤效应会随着电机转速的变化而变化。 可利用转 子电阻和电感在起动过程中的集肤效应随频率变化 的规律,实现降低起动电流的同时,提高起动转矩, 从而改善起动性能。
电气和电子工程师协会( IEEE) 和美国国家电 气制造业协会(NEMA)严格规定了各种损耗,其中 通常需要考虑的损耗有欧姆损耗、机械损耗、空载铁 心损耗、负载杂散损耗 。 其中,定转子铜耗组成 了欧姆损耗,且在一般情况下,在实验过程中得到机 械损耗后,在损耗分析中可认为其为恒定。

欧姆损耗计算
考虑谐波电流影响的定子铜耗计算
定子铜耗是绕组的电阻损耗,主要由通过绕组 的电流大小决定,由于电网供电,绕组中会存在各次 谐波电流。 通过 Maxwell 软件分析得到定子绕组电 流,并对其波形进行傅里叶分解,即可得到各次谐波 电流的有效值。

考虑导条内高频电流的转子铜耗计算
起动电流计算方法
起动转矩计算方法

电机起动性能有限元分析及其对比
利用前述介绍的电机参数,建立了 11 kW 感应 电动机的有限元模型,在平底转子槽电机模型后,仅 改变转子槽形结构,其他各项参数与前者保持一致, 并在转子槽面积保持不变的情况下,得到一个新的 有限元模型。 随后对电机堵转情况进行仿真,并将模型的运 动设置转速设为零。 但是电机在不同位置堵转时, 堵转转矩和堵转电流会出现较大偏差,为了能更准 确计算电机的堵转性能,参照方法,对其 进行参数化分析。 具体方法:选取转子 d 轴与定子 A 相绕组轴线重合,然后以电机初始角为变量,对该 变量进行参数化分析,因为该电机为 6 极,故在 0 ~ 24毅角度范围里取6 个点,步长为4毅。 参数化分析结 束后,取堵转转矩结果中的最小值作为电机的堵转 转矩;取堵转电流有效值的最大值作为电机的堵转电流。

平底转子槽与刀形转子槽电机起动性能对比
为了更精确得到起动转矩和起动电流数值,有 限元计算时将电机的转动惯量设置为原来的 60 倍, 使得电机起动过程较慢,这样可以近似认为电机在 起动时在某一转速状态下处于稳定状态。

结 语
本文以一台 11 kW 的三相感应电动机为例,利 用有限元分析,实验验证,针对电机转子槽形选取问 题,以电机起动性能和损耗特性为主要对比参数进 行分析。 得出以下结论: 1) 使用转子刀形槽可降低起动电流并且有效 提高电机的起动转矩,起动电流倍数从 5郾 9 降低到 了 5郾 65,起动转矩倍数从 1. 55 提高到了 2. 04。 2) 该三相异步电动机采用转子刀形槽可降低 损耗,空载情况下总损耗可降低 39. 6 W;满载情况 下总损耗可降低 112. 6 W,提高电机效率。 3) 通过实测刀形转子槽样机的起动性能及损