实心转子感应电机研究与发展概况(下)

王培欣,司纪凯,封海潮,刘 巍,曹文平

(1.河南理工大学,焦作454003;2.Aston University,Birmingham,UK B47ET)

0 引 言

实心转子感应(以下简称SRIM)电机研究与发展概况(上)一文中,总结分析了高速实心转子感应电机电磁特性,实心动子旋转直线感应电机以及多自由度平面感应电机的拓扑结构与工作原理,讨论了实心转子感应电机未来的研究热点与发展趋势。

实心转子结构简单,机械强度与平衡性高,适合频繁重载起动或者长时间工作在制动状态[1-3],但是实心转子造成电机较软的机械特性,额定工作状态滑差大,严重的转子损耗会造成电机效率过低,极大地影响了SRIM的应用与发展。

针对SRIM的特点与缺陷,为改善SRIM输出性能,提高SRIM工业应用能力,国内外的研究学者对SRIM做出大量的研究工作。在应用范围方面,提出的起重用实心转子感应电机、高速实心转子感应电机与实心动子多自由度感应电机等都具有极高的应用与研究价值;在SRIM性能改良方面,提出的多层(组合式)实心转子、转子两端加铜端环、光滑实心转子表面开槽以及开槽铸良性导电体等转子优化结构,对改良提升电机性能具有较高的帮助;在SRIM解析计算方面,提出多层理论、透入深度法、等效磁路法、等效电路法以及时步有限元计算等解析计算方法有利于SRIM电磁场以及电机参数等方面的研究;在SRIM控制与建模方面,提出矢量控制、智能控制、直接转矩控制等控制系统,为SRIM的控制系统研究做出巨大的贡献。文献[4]针对SRIM运行性能较差的情况,采用转子开槽以及槽内设置合金材料铸铝等方式改进电机性能,并分析了转子槽型和所用合金材料对电机性能的影响。文献[5]总结了实心转子异步电动机二维等效电路参数的解析计算方法,并在此基础上对集中解析计算方法进行改良,提高解析计算方法的计算精度。文献[6]针对SRIM的控制方法,提出一种基于Kalman滤波的无位置传感器伺服控制系统,采用Kalman进行位置转速观测,提高控制系统的精度。

本文针对SRIM转子结构对电机性能的改善作用,参考了国内外研究学者数十篇针对SRIM转子结构的研究成果,总结了现有SRIM转子开槽、表面覆铜等拓扑结构以及其派生转子拓扑结构,分析了不同转子结构对SRIM输出性能的改善作用,最后介绍了SRIM的解析计算方法,为SRIM的进一步研究与发展提供参考。

1 实心转子结构研究

由于SRIM的机械特性较软,过大的转子损耗造成电机效率与力能指标过低,严重影响了SRIM的应用。为了改良SRIM的机电性能,各国的研究工作者提出了采用多层(组合式)实心转子,复合型转子,转子两端加铜端环,光滑实心转子表面开槽以及开槽铸良性导电体(一般为铝笼或铜笼结构)等实心转子结构[2],并对此作出大量的研究工作。通过改进的转子结构,降低SRIM的转子阻抗,抑制转子涡流,减小转子损耗,提高电机性能以及抑制转子高频谐波的影响等方面具有显著的作用。

1.1 实心转子轴向开槽

上世纪20年代,前苏联学者就设想在SRIM转子表面均匀铣出轴向槽,用以改善SRIM的运行性能。原华中工学院傅丰礼教授采用有限元法与等效磁路法就SRIM转子开轴向槽进行系统的研究与计算[7-8]。SRIM转子开轴向槽后的磁力线分布如图1所示。由图1可见,SRIM转子开轴向槽后使电机的磁场分布更加复杂。

图1 齿槽区域磁力线分布

SRIM转子开轴向槽后的齿槽区域的磁力线分布的基本特点:(1)大部分磁力线沿着齿槽轮廓线闭合;(2)有一定量的磁力线穿过槽部,其值与转差率s有关,转差率越大,穿过槽部的磁力线越多;(3)铁轭区域的磁力线密度低于齿部。

通过对SRIM转子开轴向槽的分析计算,转子开轴向槽在电机整个转速范围内存在一定的影响,特别是小转差率运行时能够较大地改善电机性能。转子开槽性能的改善还依赖于选取合理的槽参数,包括槽型、槽数、槽深以及槽宽。在相同转差率下,开槽实心转子表面的有效区域增加,降低了转子阻抗,提高电机的出力,同时,由于开槽实心转子内部漏抗的增加,使得阻抗角增大。

文献[9]分析了不同转子槽型对电机附加转矩的影响,找出适合研究实心转子感应电机的最优转子槽型。针对转子槽造成的附加转矩降低电机整体性能的现象,通过改变转子槽型的方法能够有效的降低转子槽波动,并采用ANSYS对梨形槽、梯形槽与圆形槽转子的气隙磁通密度进行了分析。转子槽型如图2所示。

图2 转子槽型

根据对不同槽型转子时的气隙磁通密度傅里叶分解发现,转子开梨形槽时,气隙磁通密度所含谐波最少,相比于梯形槽与圆形槽,梨形槽引起的附加转矩最小。

1.2 实心转子开槽铸良性导电体

由于实心转子阻抗与阻抗角较大,使得SRIM的出力较小,功率因数较低。影响转子阻抗的主要因素是因为实心转子中感应的涡流,在转子内部闭合,存在着强烈的切向感应电流分量。采用实心转子开槽铸良性导电体后,转子涡流通过槽内导电体及其端环闭合,使得转子端部电抗大大减小,阻抗下降,提高了电机的功能指标。

文献[10-11]对实心转子感应电机转子开槽铸铝进行了研究,对其进行二维与三维的求解,确定了电机的端部系数公式,并对影响端部系数的各种因素进行了研究和讨论。光滑实心转子感应电机的力能指标较低,在光滑实心转子上开槽铸铝能够提高其力能指标,改善电机的性能。转子结构如图3所示,当转子开槽槽型为矩形,假定无铸铝端环的条件下,开槽铸铝层等效为各向异性的介质,设沿坐标轴方向的磁导率分别为 μx,μy,μz;电导率为 σx,σy,σz。

图3 开槽实心转子示意图

由麦克斯韦方程可以得出开槽铸铝层的三维求解方程:

二维求解方程:

端部系数公式:

通过对开槽铸铝实心转子感应电机的开槽铸铝层的二维与三维电磁场计算,导出其端部系数公式,分析了影响端部系数的因素:(1)端环的宽度与端部系数成反比。(2)槽深d与端部系数成正比。(3)槽宽bn与轴向等效电导率成正相关,与端部系数呈负相关。(4)铸铝的电导率σAL与开槽铸铝层的轴向等效电导率成正相关,与端部系数成负相关。(5)齿槽区的铁磁物质的磁导率μt对端部系数的影响很小。

文献[12-14]利用有限元解析的方法分析实心转子感应电机转子槽型为半闭口槽与开口槽在高频与基频旋转电压载波输入的条件下,选出对于无速度传感器控制的最优转子开槽检测效果。建立了考虑转子开槽影响的适用于低频与高频的感应电机空间向量模型,并对3种转子开槽形式:转子开斜槽、转子开半闭口槽与转子开口槽进行了实验,验证了所建模型的优势。转子开槽模型如图4所示。

图4 转子槽型示意图

根据载波频率与转子磁链对转子槽对定子电感的影响结果,开口槽电机的阈值载波频率要高于半闭口槽,同时在减少转子磁链时,开口槽会放大转子开槽的影响。

1.3 双层式转子

双层转子结构能够使SRIM在保持良好的起动品质的同时具有较高的力能指标。双层转子是由两层铁心组成的,包括外层的具有合适相对磁导率的铁磁体圆筒,内层是由普通硅钢片叠成的圆柱体。双层转子结构感应电机在起动时,具有较大的转差率,进入转子的电磁波透入深度小于外层的铁磁体厚度,主磁通并没有进入硅钢叠片的圆柱体内,起动时主磁通分布如图5(a)所示,此时电机的电磁过程与工作特性与光滑实心转子感应电机相同,具有良好的起动性能。电机进入稳定运行时,转差率降低,电磁波的透入深度大于铁磁体厚度,主磁通进入硅钢叠片中,使转子中的感应电动势增大,转矩与出力提高,其稳定运行时的主磁通分布如图5(b)所示。

图5 双层转子主磁通

双层转子的外层铁磁材料圆筒的厚度与相对磁导率对于双层转子感应电机的性能来说非常重要,一般根据式(4)选取合适的实心筒厚度[15]。

若厚度选择过大,超出稳定运行时电磁波的透入深度,则电机特性与光滑实心转子感应电机相同;若厚度选择过小,则转子磁阻增大,电机电磁转矩降低,出力减小。

1.4 复合型转子

复合型转子类似于双层式转子,外层为实心铁磁体圆筒,内层为安置有普通笼型绕组的硅钢叠片铁心。它既有光滑实心转子优良的起动性能,又有笼型转子感应电机小转差率运行时较高的力能指标,与双层式转子感应电机相比,由于硅钢叠片开槽嵌有笼型绕组,具有更好的小转差率运行性能和更高的出力。复合型转子感应电机的工作性能类似于双层式转子感应电机,外层铁磁体圆筒厚度对于电机的性能影响很大,选取合适的铁磁体圆筒厚度至关重要。

文献[16]对具有环形槽的复合型转子感应电机的三维电磁场进行分析并计算其端部系数。复合型转子由于谐波磁通的透入深度小,导致谐波涡流损耗较大,电机效率因此降低。通过复合型转子外层铁磁体圆筒表面开环形槽,抑制谐波涡流,提高电机效率。具有环形槽的复合型转子结构如图6所示。

图6 复合型转子示意图

通过解析计算和实验验证得出,复合型转子表面开环形槽后,有效地降低了转子谐波涡流损耗,提高了电机的效率。

1.5 其他转子结构

除上述实心转子结构以外,还有镀铜实心转子,转子开槽加铜端环等以及一些针对具体情况复合多种以上转子结构的改进结构。

文献[17-18]研究一种高速实心转子感应电机,其转子结构采用轴向开槽两端加铜端环结构,如图7(a)所示。高速电机高频谐波的存在,造成转子损耗过高,电机温升大,严重影响了高速电机的安全运行与使用寿命。通过在转子表面开径向槽的方式,切断转子高频谐波路径,降低转子损耗。开槽后转子结构如图7(b)所示。

图7 转子开槽示意图

仿真与实验研究表明,转子表面开径向槽,切断转子高频谐波路径,降低转子涡流损耗的同时,增大定转子之间气隙,提高电机的效率。除此之外,转子开径向槽后电机的温升大大降低。

转子结构的改进很大程度上提高了实心转子电机性能,除此之外,选用合适的材料以及新材料的应用也是一种有效的途径。例如,对于同一台SRIM,转子改用铁铜合金后,电机的出力能够提高20%左右。对于SRIM最佳的铁磁材料应具有以下特性,再起动与大转差率运行条件下,材料磁导率μr=20～30,相对较小;在稳定小转差率运行时,材料磁导率μr=50～80,电导率σ=(1.5～2)σFe。

2 SRIM解析方法

国内外对于SRIM的解析计算研究具有数十年的历史,并对此作出巨大的贡献,提出许多行之有效的解析计算方法。SRIM的电磁参数计算与性能分析的方法有透入深度法、多层理论、单位磁阻抗法、等效磁路法、等效电路法等二维解析计算方法,其中透入深度法与多层理论应用广泛,除此之外还有三维解析法以及时步有限元法。

2.1 透入深度法

透入深度法的基本原理是认为SRIM的转子涡流集中均匀分布在转子表面的透入深度层Δ内,而且涡流仅沿轴向流动没有切向与径向涡流分量。SRIM透入深度如图8所示。

图8 转子透入深度示意图

其中,透入深度Δ:

SRIM的转子电阻与电抗都与转差率s有着密切的关系,因此,在给定具体的转差率s下,初步选取转子电流,计算出转子磁导率,在直角坐标系下,根据透入深度与电阻表达式R=ρL/A,求得折算到定子侧的转子电阻:

若考虑磁滞、涡流反应、端部效应等影响因素,则需要引入相对应的修正系数Kr,Ke等对转子电阻进行修正。

2.2 多层理论

多层理论对实心转子的研究时将二维转子求解域沿圆周方向展开,沿径向分层,如图9所示,将转子沿Y轴方向分为N层。在以下假设条件下:(1)定子绕组三相对称,外施对称的三相电压,基波磁动势等效为由沿定子内表面分布的基波正弦面电流产生,定子开槽用气隙系数考虑。(2)定转子轴向无限长,端部效应以端部系数考虑。(3)定子铁心不饱和,磁导率无穷大,电导率为零。(4)不考虑铁心材料的磁滞,也不考虑定转子曲率。

则各层都满足以下的矢量磁位方程:

式中:n表示第n层的厚度;τ为极距,μn为第n层的磁导率;第一层满足边界条件 Hx1=η1By1。

根据以上转子层间传递矩阵,以转子电流作为收敛依据,通过迭代计算求解转子电磁场,由转子表面第N层ByN和HxN可求得折算到定自侧的转子等效阻抗:

图9 转子二维分层法示意图

式(7)求解得到转子分层后层间的传递矩阵:

上述SRIM的解析计算方法在针对具体的研究对象具有一定的适用性,同时也有其局限性。例如:透入深度法仅适用于光滑实心转子电机,而且转子阻抗角假定为常数,计算时会引入一定的误差;多层理论适用范围较广,可应用于结构更为复杂的实心转子电机,但是在多层复合实心转子感应电机的解析计算上,改进场量传递矩阵表达为级连阻抗表达(分层阻抗理论),具有更高的优越性;随着计算机技术的发展,时步有限元法对实心转子感应电机的解析计算具有更高的精度,但是其耗时太长。

3 结 语

实心转子感应电机以其结构强度高等优点在高速电机领域/多自由度电机领域被广泛应用,有着不可取代的价值。但是实心转子造成电机效率低下、力能指标低等问题,是影响SRIM现实生产应用的重要原因。本文总结了SRIM转子开槽、表面覆铜等转子结构以及在此基础上的派生转子结构,分析了不同转子结构对SRIM输出性能的改善作用,最后介绍了实心转子感应电机的解析计算方法。