斜槽轉(zhuǎn)子感應電機發(fā)展多年，因擁有眾多優(yōu)勢仍受到企業(yè)和電機設計人員的青睞。感應電機采用單斜槽轉(zhuǎn)子結構會導致基波電流降低、軸向力不平衡，還可能帶來橫向電流損耗。相比單斜槽轉(zhuǎn)子，雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機能消除不平衡的軸向力，進一步減小電機的振動噪聲。

雙斜槽轉(zhuǎn)子的結構是對普通斜槽轉(zhuǎn)子分段改造，來改進電機的電磁性能，基于此種思想，一些新型斜槽轉(zhuǎn)子結構受到更多研究者的關注。這些新型斜槽轉(zhuǎn)子感應電機的起動轉(zhuǎn)矩，受轉(zhuǎn)子結構的影響很大，甚至不能正常全壓起動，因此有必要分析其起動性能；而且傳統(tǒng)的解析公式不能準確計算這種特殊結構的等效電路參數(shù)，給電機設計人員帶來了諸多不便。

斜槽轉(zhuǎn)子感應電機中氣隙磁通沿軸向不等，若導條與鐵心之間未完全絕緣，則相鄰導條之間的鐵心中就存在電流流通，此電流稱為橫向電流。在國內(nèi)，江建中等學者很早就提出要建立三維有限元模型分析橫向電流引起的附加損耗。

在國外，文獻[7]從估算和測試橫向電阻的角度進行了詳細的研究。隨著有限元技術的發(fā)展，文獻[8,9]把斜槽轉(zhuǎn)子等效電路與二維有限元方法相結合，分析了橫向電流對等效電路參數(shù)的影響，并提供了橫向電阻的估算方法，但這類計算模型中均未考慮磁場飽和軸向變化對電機起動性能的影響。

在國內(nèi)，斜槽轉(zhuǎn)子感應電機中磁場飽和在軸向變化對電機性能的影響還沒有受到一些學者的重視。文獻[10]中的外國學者探討了氣隙磁通在軸向變化對等效電路參數(shù)的影響，最后證明了磁場飽和在軸向變化對電機的起動性能有相當大的影響，而對額定狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩性能幾乎沒有影響。文獻[11]提出三維有限元的模型，可以分析磁場飽和軸向變化，但是當時計算三維有限元模型存在難度。文獻[12]提到，既然三維有限元模型能夠更加精確地計算橫向電流對電機性能的影響，學術研究就應該致力于此目標。

對斜槽轉(zhuǎn)子感應電機的等效電路參數(shù)數(shù)值算法的研究已有多年，文獻[13]做出了階段性總結，但用這種方法計算新型斜槽轉(zhuǎn)子感應電機參數(shù)的精度受到質(zhì)疑。有限元法可以提高等效電路參數(shù)的計算精度，文獻[14]提出了一種用二維有限元方法準確計算屏蔽電機等效電路參數(shù)的方法，具有一定的參考價值，但是該方法并不能考慮到橫向電流和磁場飽和軸向變化這些復雜的因素。

文獻[15]采用二維有限元與三維有限元相結合的方法分析不同轉(zhuǎn)子結構感應電機的起動性能，能夠在不犧牲精確度的情況下提高計算速度，但這種方法并不針對雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機。

本文以一種不帶中間環(huán)的雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機為分析樣機，建立考慮橫向電流和軸向磁場飽和變化的三維有限元模型，利用所提方法計算出其等效電路參數(shù)及轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，同時分析橫向電阻對雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機起動轉(zhuǎn)矩性能的影響。將計算結果與有限元中的虛位移法計算結果和實驗結果進行對比，驗證本文提出的方法能夠精確計算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機的等效電路參數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩。

圖3 雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機有限元模型的剖分視圖

圖8 堵轉(zhuǎn)實驗測試平臺

圖9 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線測試平臺

結論

本文建立一種考慮橫向電流和磁場飽和軸向變化的三維有限元分析模型，能夠精確計算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機起動過程中的動態(tài)等效電路參數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩。通過虛位移法和等效電路參數(shù)法對比分析，結果表明等效電路參數(shù)法能夠提高雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機起動過程中的電磁轉(zhuǎn)矩的計算精度。

本文指出雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機的氣隙磁通密度基波分量軸向呈中間小、兩端大的分布趨勢，且這種分布通過磁場飽和軸向變化影響等效電路參數(shù)。同時指出，橫向電流對雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機起動轉(zhuǎn)矩有一定影響，即橫向電阻增大，起動轉(zhuǎn)矩增大，但最大轉(zhuǎn)矩減小。

最后通過實驗驗證了本文所提的方法能夠精確計算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應電機等效阻抗并得到轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。本文所建立的三維有限元模型和所提出的方法對各種新型斜槽轉(zhuǎn)子電機設計及性能分析具有一定的參考價值。

進一步閱讀，請點擊下方鏈接，訪問期刊官方網(wǎng)站，可下載全文PDF版。

「鏈接」