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感應(yīng)電機(jī)作為傳統(tǒng)電機(jī)發(fā)展多年，因其具有眾多優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展各領(lǐng)域。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，為降低諧波損耗、抑制寄生轉(zhuǎn)矩與噪聲等，感應(yīng)電機(jī)多采用斜槽方式，但采用斜槽（定子或轉(zhuǎn)子）技術(shù)后，斜槽結(jié)構(gòu)使得氣隙主磁場(chǎng)扭斜，造成基波電流降低、軸向力不平衡，同時(shí)產(chǎn)生橫向漏電流損耗。橫向漏電流損耗隸屬于感應(yīng)電機(jī)雜散損耗，其損耗占電機(jī)雜散損耗的1/3，研究橫向漏電流對(duì)減小單斜槽感應(yīng)電機(jī)雜散損耗以及響應(yīng)國家能源戰(zhàn)略號(hào)召具有重要意義。

感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子多為澆鑄籠型結(jié)構(gòu)，在電機(jī)性能分析中，假定導(dǎo)條與鐵心絕緣性能良好，未考慮橫向漏電流的產(chǎn)生。在電機(jī)實(shí)驗(yàn)中，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條扭斜的結(jié)構(gòu)，使同一根導(dǎo)條處于不同的基波磁場(chǎng)下，導(dǎo)條兩側(cè)感生出切向電動(dòng)勢(shì)差，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與鐵心之間非絕緣特性，使得在相鄰導(dǎo)條間有電流產(chǎn)生，稱為橫向漏電流。橫向漏電流的產(chǎn)生使得轉(zhuǎn)子電流沿軸向分布不均勻、電機(jī)發(fā)熱不均，特別在堵轉(zhuǎn)情況下，橫向漏電流現(xiàn)象尤為顯著，嚴(yán)重時(shí)燒毀鐵心疊片間絕緣。

為提高感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行效率，橫向漏電流對(duì)感應(yīng)電機(jī)性能影響問題亟需關(guān)注。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，忽略斜槽電機(jī)橫向漏電流影響，使得電機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)一定誤差，為研究人員預(yù)估電機(jī)性能帶來很大挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)電機(jī)內(nèi)故障時(shí)診斷的特征量帶來誤差。故而越來越多的研究學(xué)者開始關(guān)注感應(yīng)電機(jī)的橫向漏電流損耗問題。

在解析計(jì)算較為成熟的前提下，在電機(jī)仿真中考慮橫向漏電流損耗成為難點(diǎn)。斜槽電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是隨時(shí)間變化的三維時(shí)變場(chǎng)，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(zhǔn)確計(jì)入時(shí)間諧波和空間諧波的電磁影響，特別是齒槽效應(yīng)對(duì)橫向漏電流分布的影響，需要能夠反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程的三維時(shí)步有限元模型，但三維仿真的時(shí)間太長(zhǎng)。

因此，哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員針對(duì)二維場(chǎng)內(nèi)難以計(jì)及橫向漏電流影響問題，依據(jù)轉(zhuǎn)子橫向損耗解析計(jì)算方程提出一種斜槽感應(yīng)電機(jī)模型，在磁場(chǎng)仿真中考慮轉(zhuǎn)子橫向電阻回路，通過在二維場(chǎng)內(nèi)添加過渡層（位于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與鐵心之間），將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的橫向漏電阻值轉(zhuǎn)化為過渡層電導(dǎo)率，通過此電機(jī)模型利用2D多截面有限元的方法等效斜槽，在二維場(chǎng)內(nèi)計(jì)算感應(yīng)電機(jī)橫向漏電流損耗，將其損耗值與三維模型仿真值相對(duì)比證明模型的可行性，最后利用此模型對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)橫向漏電流影響做進(jìn)一步分析，探究橫向電阻值對(duì)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響。

圖 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

科研人員表示，通過對(duì)橫向漏電流的研究，得出主要結(jié)論如下：

1）在籠型感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由轉(zhuǎn)差率可知，轉(zhuǎn)子切割主磁場(chǎng)速度較慢，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)感生電流頻率很低，故轉(zhuǎn)子中橫向漏電流回路阻抗在電機(jī)額定條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)電阻性。

2）斜槽電機(jī)運(yùn)行時(shí)橫向漏電流的產(chǎn)生加劇了轉(zhuǎn)子磁通密度分布的不對(duì)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(huán)附近橫向漏電流最為明顯，同時(shí)橫向漏電流損耗隨著橫向電阻的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

3）橫向漏電流主要表現(xiàn)為諧波性質(zhì)，其值同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率與橫向電阻相關(guān)，特別是在電機(jī)起動(dòng)過程中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩有顯著影響，而對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩影響不大。

4）橫向漏電流沿軸向分布不均勻，對(duì)電機(jī)內(nèi)沿軸向不同位置溫升的貢獻(xiàn)不同，對(duì)電機(jī)內(nèi)部溫升影響有待后續(xù)研究；同時(shí)在轉(zhuǎn)子斷條故障情況下，回路的改變與轉(zhuǎn)差率的變化均會(huì)加劇橫向漏電流，在電機(jī)主磁場(chǎng)作用下對(duì)電機(jī)軸向振動(dòng)的影響有待探究。

本文編自2022年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“二維場(chǎng)計(jì)及橫向漏電流影響的感應(yīng)電機(jī)損耗與轉(zhuǎn)矩分析”，作者為謝穎、毛攀 等。本課題得到了國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持，謝穎為第一作者和通訊作者，系哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授和博士生導(dǎo)師，研究方向是電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、振動(dòng)噪聲計(jì)算及感應(yīng)電機(jī)故障診斷及檢測(cè)。