复合转子屏蔽电动机运行特性及电磁参数研究

国 珍，丁新平，田艳兵，赵 博

(1．青岛理工大学，山东青岛266520;2．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

0引 言

屏蔽电机是在普通三相感应电机的基础之上派生而来，其主要应用于屏蔽电泵之中，电机本体完全沉浸于传输液内，为了隔离电机中的电气部分和传输液，在定子内径和转子外径处各加入了一层不锈钢套，电机工程中称之为屏蔽套，屏蔽电机也因此而得名。最初的屏蔽电机设计是为满足核工业中所要求的无泄漏传输流体而研发，故其意义非常重大。我国的屏蔽电机设计起步较早，在20世纪60年代初即开始研制，但适逢我国遭受各有核国家的技术封锁，屏蔽电机的设计和试制虽起步较早但发展相对缓慢，在许多关键材料和关键工艺上未得到重大突破。同时设计手段也相对落后，基本上是在感应电机等效电路的基础之上做轻微调整。现如今，我国的屏蔽电机在工作性能和可靠性上与发达国家还有一定差距。屏蔽电机因结构和使用特点，其设计也是自成一体，直接套用以前的三相感应电机设计经验有时会起南辕北辙的效果。因此，有必要单独对该机种展开深入细致的研究。在屏蔽电机中，比较关键的是屏蔽套的使用，也正是该部件的引入，造成了屏蔽电机许多固有特性，如低效率、低功率因数、大空载电流及屏蔽损耗的产生。屏蔽套的使用除了使电机的工作气隙相对增大、性能恶化外，还因旋转磁场切割屏蔽套表面产生了较大的涡流损耗，工程中采用的都是不导磁、高电阻率、耐腐蚀的不锈钢材料，其厚度也尽可能降低，多为0．3～0．5 mm，但这无法从根本上杜绝屏蔽损耗的存在。因而只有对其进一步优化设计，平衡各性能指标之间的关系才能得到性能优良的设计方案。

同时，屏蔽套的采用对电机的整体计算有一定影响，如定子屏蔽套相当于一个静止不动的负载，其不但呈现阻性还有一部分感性成分。以前对于屏蔽损耗的计算都是基于解析的正弦旋转磁场切割静止导体模型推导而出，但实际情况是电机气隙磁密谐波较为丰富，仅用基波计算会带来一定的误差，而工程中的修正曲线多为实际测量修正后的结果，对于一台全新的样机无法给出满意的修正系数。由此可见，在屏蔽电机设计中还具有很多不尽如人意之处因而屏蔽电机的准确计算与分析更具有较大的理论价值和工程实践意义。

本文以一台特殊工况下的实心转子和鼠笼绕组共同组成的复合型转子屏蔽电机为例，采用数值计算的方法研究了其运行工况，并针对其磁路结构的特殊性计算出主要电磁参数。

1复合型转子屏蔽电机结构

复合型转子屏蔽电机结构比较复杂，如图1所示。

图1 复合型转子屏蔽电机几何模型

通过图1可以看出，复合型转子屏蔽电机样机结构上主要有两个特点:

(1)转子由两部分组成，一是鼠笼绕组，二是转子铁心与转轴一体的实心转子，两部分构成复合型转子。

(2)作为屏蔽电泵使用的电机，要求有两种不同速度和功率等级。在定子槽内嵌有两套相对对立的绕组，一套为2极绕组，一套为6极绕组。当2极绕组工作时，6极绕组断开，反之亦然。定子绕组之所以没有采用单套变极结构，是因为屏蔽电机的气隙要大于普通感应电机，若再采用变极结构会造成某一工况下的性能指标严重恶化。

2复合型转子屏蔽电机数学模型

由于该屏蔽电机样机的特殊性，普通的磁路计算无法计及开槽实心转子涡流效应、定转子屏蔽套涡流效应等，所以本文采用数值法进行运行特性的研究。

本文采用场路耦合的似稳时谐场和瞬态场进行对比求解，得到了两种计算方法的各自计算结果。似稳时谐场中，屏蔽电机所满足的波动方程数学模型可以描述:

式中:A为矢量磁位;φ为标量电位;μ为材料相对磁导率;ω为电频率;σ为相对电导率;ε为相对介电常数。

其定解条件可以描述如下:

(1)第一类边界条件

式中:rb为相应边界点上的位矢。

(2)第二类边界条件

式中:f2(rb，t)=0为齐次边界条件。

与之类似的在瞬态磁场中，屏蔽电机所满足的偏微分数学方程:

式中:v为速度因子，采用时步有限元法进行速度因子的离散。

为了更好地描述屏蔽电机物理模型，在此做出如下的假设:

(1)忽略复合转子屏蔽电机的端部效应，电机的磁场分析可以采用二维场模型进行计算，端部效应已经由等效的集中参数代替。

(2)所有导磁材料的磁化曲线各向同性且具有单调严格递增的规律。

(3)忽略温度对材料物理属性的改变，所有材料属性都取自85℃情况。

对整个电机求解域内进行网格离散，如图2所示。

图2 复合型转子屏蔽电机的网格剖分

3复合型转子屏蔽电机运行特性控制

3．1多回路法计算模型

复合型转子屏蔽电机在二维似稳时谐场中，可采用定子和转子多回路有限元模型，其绕组直线段部分均采用有限元数值计算，而端部电阻和电感则采用解析公式法计算后直接代入多回路模型［1］，用基尔霍夫定律直接求解电网络各节点数据。

图3是转子鼠笼绕组多回路连接方式，图4是定子多回路连接方式，定子激励源采用三相对称电压源形式。

图3 转子多回路结构模型

图4 定子多回路结构模型

式中:rR为鼠笼转子一个回路里的总电阻;rC为一根导条的电阻;p为电机的极对数;ia、ib、ic为定子侧绕组三相电流，in为第n根鼠笼条电流;Mna为定子A相绕组与第n根鼠笼条之间的互感;Mn1为第n根鼠笼条与第1根鼠笼条之间的互感。

定子绕组采用一相绕组作为一个单独回路处理采用三相正弦电压源作为电机的激励源，由式(6)确定定子侧磁链和电压方程。

定子激励源直接给定的是三相星接电压源，故定子绕组两端相电压方程自然满足，省去了原先需给定电密求解反电势、再循环迭代满足端电压的步骤，在计算量上有所减少。

3．2时谐场屏蔽电机计算结果

屏蔽电机中的易损部件为定转子屏蔽套和石墨滑动轴承，其中屏蔽套的工艺复杂，极易损坏。为了提高大型屏蔽电机的无故障率，增强屏蔽套的结构强度，降低工艺难度，特将以往的冲片结构转子改为实心结构复合转子。一体的转子设计不但提高了转子本身的结构强度和可靠性，也降低了转子屏蔽套的故障率，因此复合转子屏蔽电机越来越引起了广泛的重视。

复合型转子屏蔽电机是在冲片结构屏蔽电机的基础之上研制的，将原来的转子闭口槽改为开口槽，而定子开口槽改为闭口槽，尽量做到保持修改前后的气隙磁密基本不变。

3．2．1负载工况气隙谐波计算

针对复合型转子工作气隙较大，且转子采用实心结构和矩形鼠笼导条绕组，通过理论分析可知，该电机谐波较为丰富，有必要对其进行单独计算。

(1)复合转子屏蔽电机2极负载工况

对额定负载时的气隙中心线处径向磁密进行了傅里叶变换，得到各阶次下的磁密谐波分量，图5给出了各次谐波所占基波的百分比。

图5 气隙磁密谐波分析

表1是2极电机工况下各次谐波的幅值。

表1 2极电机工况下主要阶次谐波幅值

(2)复合转子屏蔽电机6极负载工况

表2是6极电机工况下各主要阶次谐波幅值。

表2 6极电机工况下主要阶次谐波数值

3．2．2不同工况下特性计算

复合转子屏蔽电机的负载类型属于泵类负载，其负载转矩与电机转速平方在理论上成线性关系。即满足:

式中:k为比例常数;n为电机实际转速;ns为同步转速;T0为最高转速下的负载转矩。

有了对负载类型的判别外，还需要引入一个特殊的损耗 水磨损耗。因屏蔽电机在其定、转子屏蔽套内的气隙中充有循环水，所以运行时屏蔽套与循环水摩擦产生一定的损耗，该部分损耗的数量级较大，不能忽略。本文采用下式计算水磨损耗:

式中:L2是包裹屏蔽套后的转子长度;D2是包裹屏蔽套后转子直径［2］。

(1)复合转子屏蔽电机2极工况

屏蔽电机关心的主要工况有起动、最大转矩点、额定负载点、空载四种工况。下面仅针对起动和额定工况这两部分进行说明。

图6是2极绕组工作时的起动点磁力线分布。对比普通鼠笼感应电机可看出，磁力线不仅链过鼠笼绕组，也链过实心转子部分。除了鼠笼转子内的涡流产生电磁转矩外，实心转子铁心自身也会产生电磁转矩，两者叠加后共同作用在负载端合成电磁转矩。所以实心转子电机的起动转矩要略高于冲片结构电机，这也是实心转子电机的共同特点之一。

从图7不难看出，在额定工作点处，实心转子部分内的磁密不再像普通鼠笼电机那样分为几个大极，而是很有特色的呈马鞍状分布。2极电机工况下额定工作点主要性能指标如表3所示。

名 称 数 值 名 称 数

值/W 11．35额定转矩/(N·m) 618．02 转子实心损耗

线电流/A 406．62 转子屏蔽套损耗/W 914．91转速/(r·min-1) 2 944 水磨损耗0．864 8定子屏蔽套损耗/W 33 389．08 效率/W 22 826．70转差率 0．186 67 功率因数

74．65

在2极额定负载时转子实心部分的涡流损耗还是相对较大，同时转子轭部的磁密分布较为集中。在计算转子铁心损耗的同时，忽略了磁滞损耗仅考虑占绝对量较大的涡流损耗。除了前文提到的水磨损耗比重较大外，复合转子屏蔽电机还有一个特点就是因定转子上采用了高强度不锈钢屏蔽套，而在旋转磁场中会在这两层屏蔽套上产生感应涡流，从而造成涡流损耗。屏蔽套的损耗计算一直是屏蔽电机的一个重点，也是难点，屏蔽电机因其工作气隙较大，所以工作电流也较大，效率相对同功率等级的感应电机要低很多，而屏蔽套损耗又使效率进一步降低，屏蔽套损耗计算的准确度关系到电机性能指标的准确性。此外，通常认为在两侧屏蔽套等厚度的情况下，转子屏蔽套涡流损耗是定子屏蔽损耗的10%，而通过计算可以看出，在样机2极工作时，定转子屏蔽套涡流损耗根本不在一个数量级上，以往的工程经验会带来一定程度的偏差。

(2)复合转子屏蔽电机6极工况

因复合转子屏蔽电机样机的6极工况是一个辅助工况，其性能指标无法与2极相匹敌。

图8为6极绕组工作、2极绕组断开时的磁场分布图，在实心转子内部也能看出有一定程度的马鞍状分布规律。6极电机工况

下额定工作点主要性能指标如表4所示。

名 称 数 值 名 称 数

值/W 1．14额定转矩/(N·m) 145．91 水磨损耗

线电流/A 92．87 转子屏蔽套损耗/W 834．28转速/(r·min-1) 977 功率因数69%定子屏蔽套损耗0．346 7转差率 0．023 效率

/W 2 331．77 3．3瞬态场屏蔽电机计算结果

因屏蔽电机属于水泵类负载，其起动转矩要求不高，但起动转矩的降低带来的影响是电机起动过程时间增加，在一个相对较长时间内都会有一个很大的起动电流，对电网和变压器都是一种冲击，所以计算大型屏蔽电机的起动过程非常必要。在计算中，仍采用式(7)的负载表达式。

(1)复合转子屏蔽电机2极工况

在计算瞬态起动过程时，还与二维似稳时谐场计算结果进行了横向对比，主要对比了起动转矩-转速曲线，其计算结果如图9所示。

除此之外，还计算了最为关心的瞬态起动电流分布曲线，如图10所示。

在图10中可以看出，2极工作时电机起动到电流稳定所需时间为510 ms，相比同容量的电机要长很多，瞬态参数的计算为后续工程里的电流保护和变压器容量配比等提供了理论依据。

(2)复合转子屏蔽电机6极工况

与2极电机工况计算类似，可以由瞬态磁场时步有限元法对6极绕组工作时的工况进行数值计算。图11是瞬态场与时谐场关于转矩-转速计算对比图，图12是6极电机起动电流图。

从图12可以发现，电机工作在6极时起动电流要相对于2极小很多，且起动时间约为350 ms。

4复合型转子屏蔽电机参数计算

复合型转子屏蔽电机在电磁参数上有两个特点:一是定转子屏蔽套的引入，屏蔽套自身有电阻率，且有部分磁链链过屏蔽套，所以屏蔽套可等效为电阻和电抗的串联模型［3］。二是实心转子部分，实心转子同样也会等效为电阻和电抗的串联模型。根据以上结论，可在普通感应电机的T型等效电路基础之上进行修正，形成复合型转子屏蔽电机的新型等效电路。

图13 实心转子屏蔽电机等效电路

按照文献［4］的方法可以非常直接地计算得到屏蔽套和实心转子两部分的等效阻抗，电机在额定工作点处的计算结果如表5所示。

表5 等效电磁参数计算结果

5结 语

本文以一台复合型转子双速屏蔽电动机为例，运用两种不同的分析方法对样机进行了数值计算，不仅得到了屏蔽电机的稳态工况和瞬态工况及其性能参数，还提出了复合型转子屏蔽电机的等效电路，计算出额定负载工况时这两部分的等效阻抗。本文在理论上对复合型屏蔽电机进行了较为全面的分析计算，同时改进T型等效电路的提出对实际电机设计也有一定的指导意义。

［1］ Yamazaki K．Induction motor analysis considering both harmonics and end effects using combination of 2D and 3D Finite element method［C］//Proc．of IEEE-IEMDC．1997:965-969．

［2］ 俞惠敏．屏蔽电机的一些设计特点［J］．电机技术，1986(4):12-24．

［3］ Ergene L T，Salon S J．One-slot AC steady-state model of a canned-solid rotor induction motor［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2004(7):1892-1896．

［4］ Ergene L T，Salon S J．Determining the equivalent circuit parameters of canned solid-rotor induction motors［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2005(8):2281-2286．