多相感应电机通风槽板涡流损耗分析

张 文，齐 奇，吴新振



多相感应电机通风槽板涡流损耗分析

张 文1，齐 奇2，吴新振1

（1. 青岛大学，山东 青岛 266071；2. 青岛供电公司，山东 青岛 266001）

大容量多相感应电机通风槽板涡流损耗是造成铁心温升的一个重要原因，也是决定大容量电机安全运行的关键因素之一。本文以一台十二相异步电机为例，分析了通风槽板对电机轴向磁密分布的影响，并做出通风槽板涡流分布三维图，分析得到通风槽板的涡流分布特点，并对通风槽板结构进行优化，有效的减小了涡流损耗，为工程设计提供理论依据。

十二相异步电动机；通风槽板；涡流损耗；有限元计算；分析和优化

0 前言

多相感应电机具有可靠性高和转矩密度高等特点，能够满足舰船电力推进的要求，现已广泛应用于电力推进领域[1-3]。大容量感应电机不仅输出功率高损耗也同样巨大，为避免温升过高对电机造成损坏，常常在电机定转子铁心中安装通风槽板，来增加电机的通风散热能力。当通风槽板采用导磁导电的良性材料时，会在通风槽板中产生涡流，引起附加损耗，如果设计不合理，通风槽板中产生的涡流损耗会很大，造成局部温度过高，影响电机的性能和寿命，所以，研究大容量感应电机通风槽板涡流损耗的影响因素及优化措施非常重要。

目前，国内外学者对电机的构件引起的涡流附加损耗进行了深入研究，文献[4]对大型空冷水轮发电机端部齿压板的涡流损耗进行了分析，文献[5]对大型充水式潜水电机端部铁心、定子压圈、定子端部绕组等构件的涡流损耗进行了分析计算，并提出优化措施。国内外学者对通风槽板的制造工艺及结构做了大量改进优化，提高了电机的散热能力[6,7]，而对通风槽板涡流损耗方面的研究鲜有报道。

本文对通风槽板上的涡流附加损耗进行研究，以一台大容量十二相异步电机为样机，分析影响通风槽板涡流损耗的因素，并提出对通风槽板结构的优化措施，以减小通风槽板的涡流损耗。

1 物理模型及数学模型

1.1 物理模型及基本假定

十二相异步电机定子槽数为168，转子槽数为210，极对数为7，定子铁心中安装22个通风槽板，将定子铁心分成23段，每段铁心轴向长度相同。电机采用的通风槽板结构如图1所示，由通风槽片和通风条构成，且均采用Q235B材料，电导率为3.31×106S/m，其导磁性能较好，定转子铁心采用50WW350型号硅钢片。

图1 通风槽板结构图

由于电机磁路具有周期对称性，为减少计算时间，同时减小计算模型以及有限元剖分，建立周向1/7、轴向1/22模型，如图2所示。定子绕组分为两层，由于定子绕组采用整距集中绕组，每槽中上下层绕组的电流大小相等方向相同，故可用一个绕组等效，并做出以下假设：

（1）不计及位移电流，忽略铁心材料的磁滞效应，铁心材料各向同性；

（2）所有场量均按正弦规律变化；

（3）不考虑温度对电导率的影响，假定计算温度为75℃。

图2 通风槽板损耗求解区域

1.2 模型计算及边界条件设置

在三维涡流场求解区域中，涡流区域为定、转子绕组、通风槽板等导电构件所在区域，非涡流区域为定、转子铁心等非导电构件所在区域，采用，-法建立十二相异步电动机涡流场数学模型[8]：

（1）

同时，还存在以下关系：

上式中，为矢量电位，为标量磁位，为源电流密度，为磁场强度，为源电流密度在无界空间中所产生的磁场强度，为磁感应强度，为磁导率，为电导率。为使微分方程（1）和（2）有唯一解，设置1和2为周期性偶对称边界条件，其他边界设为平行边界条件。

2 模型有限元分析

2.1 磁场分析

首先分析电机的磁场分布，分别对铁心轴向中心处气隙磁密和通风槽板轴向中心处气隙磁密进行傅里叶分解，得到基波和谐波含量分布，如图3所示。

图3 气隙磁密分布

由图3分析可以看出，铁心处和通风槽板处气隙磁密中除基波外23次、25次、29次和31次谐波含量较高，其中23次、25次属于定子齿谐波，29次和31次属于转子齿谐波，通风槽板处相对于铁心处的磁密有所下降，其中基波和23次谐波减少量较大，25次、29次、31次谐波减少量较小。综上，基波和齿谐波是造成通风槽板涡流损耗的主要原因。

Q235材料是导磁导电较为良好的材料，做出Q235和50WW350硅钢片相对磁导率对比图，如图4所示，可以发现当磁密大于1.6T时两种材料的相对磁导率较为接近，由于通风槽板和电机铁心紧密接触，所以电机在较为饱和部位会向通风槽板泄露，引起涡流损耗。

图4 相对磁导率

电机在额定运行状态下，铁心和通风槽板的磁密分布如图5所示，可以发现，铁心齿部磁密较高且多处位置磁密大于1.6T，会造成磁密泄露，轭部磁密较小，根据通风槽板磁密分布图可以看出其齿部磁密较高、轭部较小满足上述分析结果。

(a) 铁心磁密分布

(b) 通风槽板磁密分布

图5 磁密分布图

2.2 通风槽板涡流分布

为分析通风槽板的涡流分布，分别作出通风槽片、齿部通风条、轭部通风条径向涡流分布，如图6所示。

由图6可以得出，通风槽片的平均涡流最大，齿部通风条的涡流次之，轭部通风条的涡流最小，并且轭部的涡流比齿部涡流大，通风槽片齿顶部涡流比齿部其它位置大。

2.3 通风槽板涡流损耗计算

在一个周期内，通风槽板涡流损耗的平均值P可由式（4）得到：

其中，上标表示单元值，为单元格数，下标，，表示涡流在，，轴方向的分量，下标和分别表示复矢量相应分量幅值的实部和虚部。根据式（4）可以求得22个通风槽板总的平均损耗为392.6kW。

3 通风槽板结构优化

通风槽板结构优化的原则是要保证通风槽板的结构强度，同时不能影响其通风散热能力。根据前文分析可知，通风槽板靠近气隙的齿顶处磁通密度很大，同时这部分涡流密度也很大，为大幅度减小这部分涡流损耗，提出将齿顶两个直角改为半径为11.5mm的两个1/4圆角的优化措施，图7给出了一个定子槽距下通风槽板优化前后对比图。

图7 通风槽板齿部优化

对通风槽板齿部结构优化后，涡流损耗减小为 269.9kW，相比优化前减小了31.3%，优化效果显著。

4 结论

以十二相异步电动机为样机，采用，-法对其进行有限元计算，从磁场分布和涡流分布两方面进行分析，得出以下结论：

（1）磁场中除基波外，齿谐波含量相对较高；通风槽板处磁密相对于铁心处磁密明显减小。

（2）轭部的涡流密度大于齿部的涡流密度，齿部涡流主要集中在齿顶；通过对通风槽板齿部结构优化，通风槽板的涡流附加损耗减小了31.3%。

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Analysis on Eddy Current Loss of Ventilation Slot Board in Multi-phase Induction Motor

ZHANG Wen1, QI Qi2, WU Xinzhen1

(1. Qingdao University, Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Power Supply Company, Qingdao 266001, China)

Eddy current loss of ventilation slot board in large capacity multi-phase induction motor is an important cause for core temperature rise, it is also one of the key factors for safety operation of large capacity motor. This paper, taking a twelve phases asynchronous motor as an example, analyzed the influence of ventilation slot board on the magnetic density distribution, developed a three-dimensional distribution map of eddy current in ventilation slot board. The characteristics of the eddy current distribution of the ventilated slot plate are analyzed, and the structure of ventilation slot board is optimized, thus reducing the eddy current loss effectively, and providing theoretical basis for engineering design.

twelve phases asynchronous motor; ventilation slot board; eddy current loss; finite element calculation; analysis and optimization

TM311

A

1000-3983(2018)05-0016-04

2018-05-23

张文（1993-），现为青岛大学电气工程方向全日制硕士研究生，研究方向为大容量多相感应电机附加损耗的研究。

国家自然科学基金（51677092）