王培欣,司紀(jì)凱,封海潮,劉 巍,曹文平

(1.河南理工大學(xué),焦作454003;2.Aston University,Birmingham,UK B47ET)

0 引 言

實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)(以下簡稱SRIM)電機研究與發(fā)展概況(上)一文中,總結(jié)分析了高速實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機電磁特性,實心動子旋轉(zhuǎn)直線感應(yīng)電機以及多自由度平面感應(yīng)電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理,討論了實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機未來的研究熱點與發(fā)展趨勢。

實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,機械強度與平衡性高,適合頻繁重載起動或者長時間工作在制動狀態(tài)[1-3],但是實心轉(zhuǎn)子造成電機較軟的機械特性,額定工作狀態(tài)滑差大,嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子損耗會造成電機效率過低,極大地影響了SRIM的應(yīng)用與發(fā)展。

針對SRIM的特點與缺陷,為改善SRIM輸出性能,提高SRIM工業(yè)應(yīng)用能力,國內(nèi)外的研究學(xué)者對SRIM做出大量的研究工作。在應(yīng)用范圍方面,提出的起重用實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機、高速實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機與實心動子多自由度感應(yīng)電機等都具有極高的應(yīng)用與研究價值;在SRIM性能改良方面,提出的多層(組合式)實心轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子兩端加銅端環(huán)、光滑實心轉(zhuǎn)子表面開槽以及開槽鑄良性導(dǎo)電體等轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu),對改良提升電機性能具有較高的幫助;在SRIM解析計算方面,提出多層理論、透入深度法、等效磁路法、等效電路法以及時步有限元計算等解析計算方法有利于SRIM電磁場以及電機參數(shù)等方面的研究;在SRIM控制與建模方面,提出矢量控制、智能控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制系統(tǒng),為SRIM的控制系統(tǒng)研究做出巨大的貢獻。文獻[4]針對SRIM運行性能較差的情況,采用轉(zhuǎn)子開槽以及槽內(nèi)設(shè)置合金材料鑄鋁等方式改進電機性能,并分析了轉(zhuǎn)子槽型和所用合金材料對電機性能的影響。文獻[5]總結(jié)了實心轉(zhuǎn)子異步電動機二維等效電路參數(shù)的解析計算方法,并在此基礎(chǔ)上對集中解析計算方法進行改良,提高解析計算方法的計算精度。文獻[6]針對SRIM的控制方法,提出一種基于Kalman濾波的無位置傳感器伺服控制系統(tǒng),采用Kalman進行位置轉(zhuǎn)速觀測,提高控制系統(tǒng)的精度。

本文針對SRIM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機性能的改善作用,參考了國內(nèi)外研究學(xué)者數(shù)十篇針對SRIM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究成果,總結(jié)了現(xiàn)有SRIM轉(zhuǎn)子開槽、表面覆銅等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其派生轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分析了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對SRIM輸出性能的改善作用,最后介紹了SRIM的解析計算方法,為SRIM的進一步研究與發(fā)展提供參考。

1 實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究

由于SRIM的機械特性較軟,過大的轉(zhuǎn)子損耗造成電機效率與力能指標(biāo)過低,嚴(yán)重影響了SRIM的應(yīng)用。為了改良SRIM的機電性能,各國的研究工作者提出了采用多層(組合式)實心轉(zhuǎn)子,復(fù)合型轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子兩端加銅端環(huán),光滑實心轉(zhuǎn)子表面開槽以及開槽鑄良性導(dǎo)電體(一般為鋁籠或銅籠結(jié)構(gòu))等實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[2],并對此作出大量的研究工作。通過改進的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),降低SRIM的轉(zhuǎn)子阻抗,抑制轉(zhuǎn)子渦流,減小轉(zhuǎn)子損耗,提高電機性能以及抑制轉(zhuǎn)子高頻諧波的影響等方面具有顯著的作用。

1.1 實心轉(zhuǎn)子軸向開槽

上世紀(jì)20年代,前蘇聯(lián)學(xué)者就設(shè)想在SRIM轉(zhuǎn)子表面均勻銑出軸向槽,用以改善SRIM的運行性能。原華中工學(xué)院傅豐禮教授采用有限元法與等效磁路法就SRIM轉(zhuǎn)子開軸向槽進行系統(tǒng)的研究與計算[7-8]。SRIM轉(zhuǎn)子開軸向槽后的磁力線分布如圖1所示。由圖1可見,SRIM轉(zhuǎn)子開軸向槽后使電機的磁場分布更加復(fù)雜。

圖1 齒槽區(qū)域磁力線分布

SRIM轉(zhuǎn)子開軸向槽后的齒槽區(qū)域的磁力線分布的基本特點:(1)大部分磁力線沿著齒槽輪廓線閉合;(2)有一定量的磁力線穿過槽部,其值與轉(zhuǎn)差率s有關(guān),轉(zhuǎn)差率越大,穿過槽部的磁力線越多;(3)鐵軛區(qū)域的磁力線密度低于齒部。

通過對SRIM轉(zhuǎn)子開軸向槽的分析計算,轉(zhuǎn)子開軸向槽在電機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在一定的影響,特別是小轉(zhuǎn)差率運行時能夠較大地改善電機性能。轉(zhuǎn)子開槽性能的改善還依賴于選取合理的槽參數(shù),包括槽型、槽數(shù)、槽深以及槽寬。在相同轉(zhuǎn)差率下,開槽實心轉(zhuǎn)子表面的有效區(qū)域增加,降低了轉(zhuǎn)子阻抗,提高電機的出力,同時,由于開槽實心轉(zhuǎn)子內(nèi)部漏抗的增加,使得阻抗角增大。

文獻[9]分析了不同轉(zhuǎn)子槽型對電機附加轉(zhuǎn)矩的影響,找出適合研究實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的最優(yōu)轉(zhuǎn)子槽型。針對轉(zhuǎn)子槽造成的附加轉(zhuǎn)矩降低電機整體性能的現(xiàn)象,通過改變轉(zhuǎn)子槽型的方法能夠有效的降低轉(zhuǎn)子槽波動,并采用ANSYS對梨形槽、梯形槽與圓形槽轉(zhuǎn)子的氣隙磁通密度進行了分析。轉(zhuǎn)子槽型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子槽型

根據(jù)對不同槽型轉(zhuǎn)子時的氣隙磁通密度傅里葉分解發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子開梨形槽時,氣隙磁通密度所含諧波最少,相比于梯形槽與圓形槽,梨形槽引起的附加轉(zhuǎn)矩最小。

1.2 實心轉(zhuǎn)子開槽鑄良性導(dǎo)電體

由于實心轉(zhuǎn)子阻抗與阻抗角較大,使得SRIM的出力較小,功率因數(shù)較低。影響轉(zhuǎn)子阻抗的主要因素是因為實心轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的渦流,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部閉合,存在著強烈的切向感應(yīng)電流分量。采用實心轉(zhuǎn)子開槽鑄良性導(dǎo)電體后,轉(zhuǎn)子渦流通過槽內(nèi)導(dǎo)電體及其端環(huán)閉合,使得轉(zhuǎn)子端部電抗大大減小,阻抗下降,提高了電機的功能指標(biāo)。

文獻[10-11]對實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子開槽鑄鋁進行了研究,對其進行二維與三維的求解,確定了電機的端部系數(shù)公式,并對影響端部系數(shù)的各種因素進行了研究和討論。光滑實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的力能指標(biāo)較低,在光滑實心轉(zhuǎn)子上開槽鑄鋁能夠提高其力能指標(biāo),改善電機的性能。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示,當(dāng)轉(zhuǎn)子開槽槽型為矩形,假定無鑄鋁端環(huán)的條件下,開槽鑄鋁層等效為各向異性的介質(zhì),設(shè)沿坐標(biāo)軸方向的磁導(dǎo)率分別為 μx,μy,μz;電導(dǎo)率為 σx,σy,σz。

圖3 開槽實心轉(zhuǎn)子示意圖

由麥克斯韋方程可以得出開槽鑄鋁層的三維求解方程:

二維求解方程:

端部系數(shù)公式:

通過對開槽鑄鋁實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的開槽鑄鋁層的二維與三維電磁場計算,導(dǎo)出其端部系數(shù)公式,分析了影響端部系數(shù)的因素:(1)端環(huán)的寬度與端部系數(shù)成反比。(2)槽深d與端部系數(shù)成正比。(3)槽寬bn與軸向等效電導(dǎo)率成正相關(guān),與端部系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。(4)鑄鋁的電導(dǎo)率σAL與開槽鑄鋁層的軸向等效電導(dǎo)率成正相關(guān),與端部系數(shù)成負(fù)相關(guān)。(5)齒槽區(qū)的鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率μt對端部系數(shù)的影響很小。

文獻[12-14]利用有限元解析的方法分析實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子槽型為半閉口槽與開口槽在高頻與基頻旋轉(zhuǎn)電壓載波輸入的條件下,選出對于無速度傳感器控制的最優(yōu)轉(zhuǎn)子開槽檢測效果。建立了考慮轉(zhuǎn)子開槽影響的適用于低頻與高頻的感應(yīng)電機空間向量模型,并對3種轉(zhuǎn)子開槽形式:轉(zhuǎn)子開斜槽、轉(zhuǎn)子開半閉口槽與轉(zhuǎn)子開口槽進行了實驗,驗證了所建模型的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)子開槽模型如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子槽型示意圖

根據(jù)載波頻率與轉(zhuǎn)子磁鏈對轉(zhuǎn)子槽對定子電感的影響結(jié)果,開口槽電機的閾值載波頻率要高于半閉口槽,同時在減少轉(zhuǎn)子磁鏈時,開口槽會放大轉(zhuǎn)子開槽的影響。

1.3 雙層式轉(zhuǎn)子

雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠使SRIM在保持良好的起動品質(zhì)的同時具有較高的力能指標(biāo)。雙層轉(zhuǎn)子是由兩層鐵心組成的,包括外層的具有合適相對磁導(dǎo)率的鐵磁體圓筒,內(nèi)層是由普通硅鋼片疊成的圓柱體。雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機在起動時,具有較大的轉(zhuǎn)差率,進入轉(zhuǎn)子的電磁波透入深度小于外層的鐵磁體厚度,主磁通并沒有進入硅鋼疊片的圓柱體內(nèi),起動時主磁通分布如圖5(a)所示,此時電機的電磁過程與工作特性與光滑實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機相同,具有良好的起動性能。電機進入穩(wěn)定運行時,轉(zhuǎn)差率降低,電磁波的透入深度大于鐵磁體厚度,主磁通進入硅鋼疊片中,使轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電動勢增大,轉(zhuǎn)矩與出力提高,其穩(wěn)定運行時的主磁通分布如圖5(b)所示。

圖5 雙層轉(zhuǎn)子主磁通

雙層轉(zhuǎn)子的外層鐵磁材料圓筒的厚度與相對磁導(dǎo)率對于雙層轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的性能來說非常重要,一般根據(jù)式(4)選取合適的實心筒厚度[15]。

若厚度選擇過大,超出穩(wěn)定運行時電磁波的透入深度,則電機特性與光滑實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機相同;若厚度選擇過小,則轉(zhuǎn)子磁阻增大,電機電磁轉(zhuǎn)矩降低,出力減小。

1.4 復(fù)合型轉(zhuǎn)子

復(fù)合型轉(zhuǎn)子類似于雙層式轉(zhuǎn)子,外層為實心鐵磁體圓筒,內(nèi)層為安置有普通籠型繞組的硅鋼疊片鐵心。它既有光滑實心轉(zhuǎn)子優(yōu)良的起動性能,又有籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機小轉(zhuǎn)差率運行時較高的力能指標(biāo),與雙層式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機相比,由于硅鋼疊片開槽嵌有籠型繞組,具有更好的小轉(zhuǎn)差率運行性能和更高的出力。復(fù)合型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的工作性能類似于雙層式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機,外層鐵磁體圓筒厚度對于電機的性能影響很大,選取合適的鐵磁體圓筒厚度至關(guān)重要。

文獻[16]對具有環(huán)形槽的復(fù)合型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的三維電磁場進行分析并計算其端部系數(shù)。復(fù)合型轉(zhuǎn)子由于諧波磁通的透入深度小,導(dǎo)致諧波渦流損耗較大,電機效率因此降低。通過復(fù)合型轉(zhuǎn)子外層鐵磁體圓筒表面開環(huán)形槽,抑制諧波渦流,提高電機效率。具有環(huán)形槽的復(fù)合型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 復(fù)合型轉(zhuǎn)子示意圖

通過解析計算和實驗驗證得出,復(fù)合型轉(zhuǎn)子表面開環(huán)形槽后,有效地降低了轉(zhuǎn)子諧波渦流損耗,提高了電機的效率。

1.5 其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

除上述實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以外,還有鍍銅實心轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子開槽加銅端環(huán)等以及一些針對具體情況復(fù)合多種以上轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)。

文獻[17-18]研究一種高速實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機,其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用軸向開槽兩端加銅端環(huán)結(jié)構(gòu),如圖7(a)所示。高速電機高頻諧波的存在,造成轉(zhuǎn)子損耗過高,電機溫升大,嚴(yán)重影響了高速電機的安全運行與使用壽命。通過在轉(zhuǎn)子表面開徑向槽的方式,切斷轉(zhuǎn)子高頻諧波路徑,降低轉(zhuǎn)子損耗。開槽后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。

圖7 轉(zhuǎn)子開槽示意圖

仿真與實驗研究表明,轉(zhuǎn)子表面開徑向槽,切斷轉(zhuǎn)子高頻諧波路徑,降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的同時,增大定轉(zhuǎn)子之間氣隙,提高電機的效率。除此之外,轉(zhuǎn)子開徑向槽后電機的溫升大大降低。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進很大程度上提高了實心轉(zhuǎn)子電機性能,除此之外,選用合適的材料以及新材料的應(yīng)用也是一種有效的途徑。例如,對于同一臺SRIM,轉(zhuǎn)子改用鐵銅合金后,電機的出力能夠提高20%左右。對于SRIM最佳的鐵磁材料應(yīng)具有以下特性,再起動與大轉(zhuǎn)差率運行條件下,材料磁導(dǎo)率μr=20～30,相對較小;在穩(wěn)定小轉(zhuǎn)差率運行時,材料磁導(dǎo)率μr=50～80,電導(dǎo)率σ=(1.5～2)σFe。

2 SRIM解析方法

國內(nèi)外對于SRIM的解析計算研究具有數(shù)十年的歷史,并對此作出巨大的貢獻,提出許多行之有效的解析計算方法。SRIM的電磁參數(shù)計算與性能分析的方法有透入深度法、多層理論、單位磁阻抗法、等效磁路法、等效電路法等二維解析計算方法,其中透入深度法與多層理論應(yīng)用廣泛,除此之外還有三維解析法以及時步有限元法。

2.1 透入深度法

透入深度法的基本原理是認(rèn)為SRIM的轉(zhuǎn)子渦流集中均勻分布在轉(zhuǎn)子表面的透入深度層Δ內(nèi),而且渦流僅沿軸向流動沒有切向與徑向渦流分量。SRIM透入深度如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子透入深度示意圖

其中,透入深度Δ:

SRIM的轉(zhuǎn)子電阻與電抗都與轉(zhuǎn)差率s有著密切的關(guān)系,因此,在給定具體的轉(zhuǎn)差率s下,初步選取轉(zhuǎn)子電流,計算出轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)率,在直角坐標(biāo)系下,根據(jù)透入深度與電阻表達式R=ρL/A,求得折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻:

若考慮磁滯、渦流反應(yīng)、端部效應(yīng)等影響因素,則需要引入相對應(yīng)的修正系數(shù)Kr,Ke等對轉(zhuǎn)子電阻進行修正。

2.2 多層理論

多層理論對實心轉(zhuǎn)子的研究時將二維轉(zhuǎn)子求解域沿圓周方向展開,沿徑向分層,如圖9所示,將轉(zhuǎn)子沿Y軸方向分為N層。在以下假設(shè)條件下:(1)定子繞組三相對稱,外施對稱的三相電壓,基波磁動勢等效為由沿定子內(nèi)表面分布的基波正弦面電流產(chǎn)生,定子開槽用氣隙系數(shù)考慮。(2)定轉(zhuǎn)子軸向無限長,端部效應(yīng)以端部系數(shù)考慮。(3)定子鐵心不飽和,磁導(dǎo)率無窮大,電導(dǎo)率為零。(4)不考慮鐵心材料的磁滯,也不考慮定轉(zhuǎn)子曲率。

則各層都滿足以下的矢量磁位方程:

式中:n表示第n層的厚度;τ為極距,μn為第n層的磁導(dǎo)率;第一層滿足邊界條件 Hx1=η1By1。

根據(jù)以上轉(zhuǎn)子層間傳遞矩陣,以轉(zhuǎn)子電流作為收斂依據(jù),通過迭代計算求解轉(zhuǎn)子電磁場,由轉(zhuǎn)子表面第N層ByN和HxN可求得折算到定自側(cè)的轉(zhuǎn)子等效阻抗:

圖9 轉(zhuǎn)子二維分層法示意圖

式(7)求解得到轉(zhuǎn)子分層后層間的傳遞矩陣:

上述SRIM的解析計算方法在針對具體的研究對象具有一定的適用性,同時也有其局限性。例如:透入深度法僅適用于光滑實心轉(zhuǎn)子電機,而且轉(zhuǎn)子阻抗角假定為常數(shù),計算時會引入一定的誤差;多層理論適用范圍較廣,可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的實心轉(zhuǎn)子電機,但是在多層復(fù)合實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的解析計算上,改進場量傳遞矩陣表達為級連阻抗表達(分層阻抗理論),具有更高的優(yōu)越性;隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,時步有限元法對實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的解析計算具有更高的精度,但是其耗時太長。

3 結(jié) 語

實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機以其結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點在高速電機領(lǐng)域/多自由度電機領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,有著不可取代的價值。但是實心轉(zhuǎn)子造成電機效率低下、力能指標(biāo)低等問題,是影響SRIM現(xiàn)實生產(chǎn)應(yīng)用的重要原因。本文總結(jié)了SRIM轉(zhuǎn)子開槽、表面覆銅等轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及在此基礎(chǔ)上的派生轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),分析了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對SRIM輸出性能的改善作用,最后介紹了實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的解析計算方法。