- 頭條哈理工謝穎團隊提出新型斜槽感應電機模型，研究橫向漏電流的影響2022-08-02 作者：謝穎、毛攀 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語通常中小型電機多應用感應電機，通過轉子斜槽的結構達到抑制寄生轉矩、電磁振動和噪聲等目的，同時斜槽結構會增加轉子導條間的橫向電流，影響感應電機的起動性能以及電機效率。為此，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院的研究人員謝穎、毛攀、胡圣明、馬澤新、魏靜微，在2022年第4期《電工技術學報》上撰文，主要研究橫向電流對單斜槽感應電機性能的影響，通過總結單斜槽感應電機中橫向電流在轉子表面的分布規律，提出一種能計及橫向電流的2D多截面有限元模型，相比已有計算橫向漏電流時的3D模型，有效減少了仿真時間。 他們通過在轉子內建立過渡層的方式，利用多截面有限元的方法等效斜槽感應電機，在2D有限元仿真中考慮橫向漏電流，利用此模型預測三相感應電機中橫向漏電流對電機性能的影響，通過對Y802-2感應電機內橫向漏電流損耗進行仿真，并與三維有限元的損耗值進行對比，驗證模型的可行性與有效性，同時利用此模型分析橫向電阻值對電機的起動轉矩特性的影響。
感應電機作為傳統電機發展多年，因其具有眾多優勢應用于工業發展各領域。在電機設計中，為降低諧波損耗、抑制寄生轉矩與噪聲等，感應電機多采用斜槽方式，但采用斜槽（定子或轉子）技術后，斜槽結構使得氣隙主磁場扭斜，造成基波電流降低、軸向力不平衡，同時產生橫向漏電流損耗。橫向漏電流損耗隸屬于感應電機雜散損耗，其損耗占電機雜散損耗的1/3，研究橫向漏電流對減小單斜槽感應電機雜散損耗以及響應國家能源戰略號召具有重要意義。
感應電機轉子多為澆鑄籠型結構，在電機性能分析中，假定導條與鐵心絕緣性能良好，未考慮橫向漏電流的產生。在電機實驗中，由于轉子導條扭斜的結構，使同一根導條處于不同的基波磁場下，導條兩側感生出切向電動勢差，由于轉子導條與鐵心之間非絕緣特性，使得在相鄰導條間有電流產生，稱為橫向漏電流。橫向漏電流的產生使得轉子電流沿軸向分布不均勻、電機發熱不均，特別在堵轉情況下，橫向漏電流現象尤為顯著，嚴重時燒毀鐵心疊片間絕緣。
為提高感應電機運行效率，橫向漏電流對感應電機性能影響問題亟需關注。在電機設計中，忽略斜槽電機橫向漏電流影響，使得電機仿真與實驗結果呈現一定誤差，為研究人員預估電機性能帶來很大挑戰，同時對電機內故障時診斷的特征量帶來誤差。故而越來越多的研究學者開始關注感應電機的橫向漏電流損耗問題。
在解析計算較為成熟的前提下，在電機仿真中考慮橫向漏電流損耗成為難點。斜槽電機的氣隙磁場是隨時間變化的三維時變場，采用三維有限元方法分析橫向漏電流是最直接、最有效的方法，要準確計入時間諧波和空間諧波的電磁影響，特別是齒槽效應對橫向漏電流分布的影響，需要能夠反映轉子轉動過程的三維時步有限元模型，但三維仿真的時間太長。
因此，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院的研究人員針對二維場內難以計及橫向漏電流影響問題，依據轉子橫向損耗解析計算方程提出一種斜槽感應電機模型，在磁場仿真中考慮轉子橫向電阻回路，通過在二維場內添加過渡層（位于轉子導條與鐵心之間），將實驗測量得到的橫向漏電阻值轉化為過渡層電導率，通過此電機模型利用2D多截面有限元的方法等效斜槽，在二維場內計算感應電機橫向漏電流損耗，將其損耗值與三維模型仿真值相對比證明模型的可行性，最后利用此模型對轉子內橫向漏電流影響做進一步分析，探究橫向電阻值對電機起動轉矩的影響。
圖 實驗測量
科研人員表示，通過對橫向漏電流的研究，得出主要結論如下：
1）在籠型感應電機穩態運行時，由轉差率可知，轉子切割主磁場速度較慢，在轉子導條內感生電流頻率很低，故轉子中橫向漏電流回路阻抗在電機額定條件下穩定運行時呈現電阻性。
2）斜槽電機運行時橫向漏電流的產生加劇了轉子磁通密度分布的不對稱性，橫向漏電流分布沿軸向由中間向兩端逐漸增加，靠近端環附近橫向漏電流最為明顯，同時橫向漏電流損耗隨著橫向電阻的增加呈現先增加后減小的趨勢。
3）橫向漏電流主要表現為諧波性質，其值同轉子轉差率與橫向電阻相關，特別是在電機起動過程中對電機轉矩有顯著影響，而對電機穩態運行時的平均轉矩影響不大。
4）橫向漏電流沿軸向分布不均勻，對電機內沿軸向不同位置溫升的貢獻不同，對電機內部溫升影響有待后續研究；同時在轉子斷條故障情況下，回路的改變與轉差率的變化均會加劇橫向漏電流，在電機主磁場作用下對電機軸向振動的影響有待探究。
本文編自2022年第4期《電工技術學報》，論文標題為“二維場計及橫向漏電流影響的感應電機損耗與轉矩分析”，作者為謝穎、毛攀 等。本課題得到了國家自然科學基金資助項目的支持，謝穎為第一作者和通訊作者，系哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院教授和博士生導師，研究方向是電機內電磁場、溫度場、振動噪聲計算及感應電機故障診斷及檢測。
