开槽实心转子电机磁场及性能分析

胡 岩，张 帆

(沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870)

0 引 言

实心转子异步电机制造简单、可靠性高，适用于高速驱动领域[1]，但是效率低。在其转子表面轴向开槽可以改善电磁性能，提高电机起动转矩[2-3]。

实心转子的磁路与电路混合，转子上除了切向、径向分布的磁场、电流场，还存在轴向分布的磁场和电流场[4-6]，尤其在实心转子表面轴向开槽后电机磁场和电流场更为复杂，因此，要准确计算这种电机的转子参数比较困难。在以往的研究中常采用二维有限元法、解析法等方法对该类电机的磁场进行分析与研究，但采用上述方法得到的结论是在没有考虑转子的径向电流和轴向磁场变化的情况下得到的，分析结果存在较大误差[7-8]。开槽实心转子结构示意图如图1所示。

图1 开槽实心转子

通过三维有限元法能够充分考虑铁心饱和以及端部效应和磁场轴向分布等因素对开槽实心转子异步电机性能的影响[9]。电磁场的准确计算是设计步骤中关键的一步，它与电机损耗、转矩特性以及温升存在重要关系[10]。目前，对开槽实心转子异步电机三维电磁场的分析研究极少，更多的是通过二维物理模型来研究它的磁场分布规律及运行性能，这种简化计算存在的弊端是无法准确地反映电机真实的电磁场分布规律[11]。

本文采用三维有限元模型对实心转子异步电机进行仿真计算，同时和实心转子异步电机样机测试数据进行比较，证明所建三维模型的正确性。利用三维有限元模型来分析开槽个数和深度对实心转子电机性能的影响。

1 电机建模以及主要参数

实心转子异步电机的三维有限元物理模型的建立对三维有限元计算结果的准确性具有重要的意义。本文的实心转子异步电机设计参数如表1所示,电机的三维模型图如图2所示。

表1 电机模型主要参数表

图2 实心转子异步电机三维模型

2 有限元仿真

2.1 三维磁场分析

由于开槽实心转子异步电机的结构对称性，为了在不降低计算准确性的前提下同时减少求解时间，所以把求解部分设置为电机模型的四分之一。该电机及转子模型剖分图如图3所示。

(a) 电机

(b) 转子

各部分场量的计算结果是在有限元软件的后处理器中完成，电机在空载起动和堵转运行时的磁密云图如图4所示，开槽实心转子的磁密云图如图5所示。

(a) 空载时

(b) 堵转时

(a) 空载时

(b) 堵转时

由图4、图5可以分析得出，开槽实心转子内的涡流主要集中在其表面极薄的渗透层内，同时形成了一个横轴磁场。其中与主磁场方向相同的磁场具有增磁效应，与主磁场相反方向的磁场起到去磁作用。

由图5可以分析得知，转子表面上的磁通密度较大，使得磁场处于饱和状态，所以磁通在转子内部的分布很少，导致磁场向临近的方向偏转，最后沿定子铁心形成闭合。通过磁密云图分析可以得知，在转差率几乎为零时，开槽实心转子表面的磁通密度很小，转子中的磁通分布很均匀，这是由于此时的涡流反应很小。随着转差率的增大，转子表面的集肤效应更显著。当电机在堵转运行状态时，磁通大多聚集在实心转子的表面。

图6是开槽实心转子异步电机在堵转状况下运行时的转子附加损耗。开槽实心转子中的附加损耗主要是由气隙中的高次谐波导致的。开槽实心转子异步电机特殊的转子结构，使得高次谐波磁场在转子中进入深度较小，所以转子表面损耗占附加损耗的绝大部分。在开槽实心转子异步电机发生堵转时，转子的附加损耗最大，从而影响电机的效率和性能。因此，通过降低开槽实心转子的附加损耗可以提高该类电机的性能。

图6 电机堵转时转子附加损耗

图7是电机在空载起动和堵转状态时的气隙磁场波形图。根据图7分析可得，由于涡流效应的影响导致气隙磁场产生畸变，而且涡流效应越强烈，气隙磁场波形将会畸变得更加严重。

(a) 空载时

(b) 堵转时

2.2 电机性能分析

采用三维有限元法对该电机的空载起动和堵转状态进行仿真，通过对三维瞬态电磁场的求解，得出该电机的反电动势和定子电流的波形，如图8、图9所示。其中，图8为电机空载状态下的曲线波形，图9为电机在堵转状态下的曲线波形。

(a) 反电动势

(b) 定子电流

(a) 电磁转矩

(b) 反电动势

(c) 定子电流

2.3 实验验证和结果分析

为了验证三维电磁场有限元模型的准确性，制造了光滑实心转子异步电机的样机，并且对该样机在不同的工况下进行实验，同时测量了对应的实验数据[9]。该样机的测试数据如表2所示。该样机的三维有限元法计算的结果如表3所示。与实验数据对比，计算值对比，结果满足工程误差要求。

表2 光滑实心转子电机实验结果

表3 光滑实心转子三维有限元法相对误差分析

选取图8、图9稳定时的曲线，使用软件的数值计算器可以求出开槽电机的电磁转矩平均值和定子电流的有效值,与光滑实心转子的三维有限元法计算值对比，结果如表4所示。

表4 光滑实心转子与开槽实心转子三维有限元法结果对比

3 开槽实心转子的最佳参数

3.1 开槽实心转子的最佳开槽深度

为了确定开槽实心转子的最佳开槽深度，本文用三维有限元法分析了不同开槽深度的转子起动转矩。用有限元软件建立了开槽实心转子的三维模型图，如图10所示。

由图11可以看出，在光滑实心转子表面开槽时，输出转矩随开槽深度先增加后减小。

由图12分析可知，在实心转子表面轴向开槽以后，随着开槽深度的增加，实心转子的阻抗减小，电流、功率因数与输出转矩得到相应的提高。但是当开槽深度超过一定值时，一方面实心转子的饱和程度明显降低，磁场的透入深度降低，使实心转子的内阻抗不会由于开槽深度的增加而减小；另一方面随着齿部槽漏抗的增加，实心转子的总阻抗与阻抗角增加，从而导致实心转子异步电机的电流、功率因数和转矩都减小。通过分析得出，取最佳的开槽槽深等于透入深度时，电机的工作性能最好。

图10 开槽实心转子

图11 实心转子开槽深度和起动转矩的关系图

(a) 开槽深度2 mm

(b) 开槽深度6 mm

(c) 开槽深度8 mm

3.2 开槽实心转子的最佳开槽数量

为了确定开槽实心转子的最佳开槽数量，本文用三维有限元法分析了不同开槽数的转子起动转矩，如图13所示。

图13 实心转子开槽数和起动转矩的关系图

由图13可以看出，在光滑实心转子表面开槽时，起动转矩随转子槽数先增加后减小。

由图14可以观察到，在实心转子表面轴向开槽以后，随着开槽数量的增加，实心转子的阻抗减小，电流和功率因数也相应增加。但是当实心转子表面轴向开槽槽数太多时，功率因数上升的趋势慢慢缓和，将会导致有效气隙增加，从而使励磁电抗减小。在开槽数量的选择时要考虑充分，只有在合理的开槽数量情况下，才可以有效地提高电机的运行性能；同时，在具体选取时还要充分考虑实心转子的尺寸和机械特性。

(a) 开槽数为26

(b) 开槽数为28

(c) 开槽数为34

4 结 语

本文通过三维有限元模型仿真研究实心转子异步电机的电磁性能。对比光滑实心转子异步电机在空载和堵转情况下的仿真结果与样机测试数据，验证了所建三维模型的准确性。在三维有限元模型的基础上，对实心转子表面轴向开槽个数和深度对实心转子电机性能的影响进行研究。实心转子表面开槽会导致电机的等效气隙变大，在选择开槽个数和深度时要充分考虑各方面因素。只有在合理的开槽个数和深度情况下，才可以有效地提高电机的运行性能。本文分析结果可为该类电机的优化设计提供依据。