斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)發(fā)展多年，因擁有眾多優(yōu)勢仍受到企業(yè)和電機(jī)設(shè)計(jì)人員的青睞。感應(yīng)電機(jī)采用單斜槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)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(yīng)電機(jī)能消除不平衡的軸向力，進(jìn)一步減小電機(jī)的振動(dòng)噪聲。

雙斜槽轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是對普通斜槽轉(zhuǎn)子分段改造，來改進(jìn)電機(jī)的電磁性能，基于此種思想，一些新型斜槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受到更多研究者的關(guān)注。這些新型斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響很大，甚至不能正常全壓起動(dòng)，因此有必要分析其起動(dòng)性能；而且傳統(tǒng)的解析公式不能準(zhǔn)確計(jì)算這種特殊結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)，給電機(jī)設(shè)計(jì)人員帶來了諸多不便。

斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)中氣隙磁通沿軸向不等，若導(dǎo)條與鐵心之間未完全絕緣，則相鄰導(dǎo)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(xué)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(xiàn)[7]從估算和測試橫向電阻的角度進(jìn)行了詳細(xì)的研究。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[8,9]把斜槽轉(zhuǎn)子等效電路與二維有限元方法相結(jié)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(jì)算模型中均未考慮磁場飽和軸向變化對電機(jī)起動(dòng)性能的影響。

在國內(nèi)，斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)中磁場飽和在軸向變化對電機(jī)性能的影響還沒有受到一些學(xué)者的重視。文獻(xiàn)[10]中的外國學(xué)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(jī)的起動(dòng)性能有相當(dāng)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(xiàn)[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(dāng)時(shí)計(jì)算三維有限元模型存在難度。文獻(xiàn)[12]提到，既然三維有限元模型能夠更加精確地計(jì)算橫向電流對電機(jī)性能的影響，學(xué)術(shù)研究就應(yīng)該致力于此目標(biāo)。

對斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的等效電路參數(shù)數(shù)值算法的研究已有多年，文獻(xiàn)[13]做出了階段性總結(jié)，但用這種方法計(jì)算新型斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)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(jì)算精度，文獻(xiàn)[14]提出了一種用二維有限元方法準(zhǔn)確計(jì)算屏蔽電機(jī)等效電路參數(shù)的方法，具有一定的參考價(jià)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(fù)雜的因素。

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

本文以一種不帶中間環(huán)的雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)為分析樣機(jī)，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(jì)算出其等效電路參數(shù)及轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，同時(shí)分析橫向電阻對雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能的影響。將計(jì)算結(jié)果與有限元中的虛位移法計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文提出的方法能夠精確計(jì)算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的等效電路參數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖3 雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)有限元模型的剖分視圖

圖8 堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測試平臺

圖9 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線測試平臺

結(jié)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(jì)算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)過程中的動(dòng)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(jié)果表明等效電路參數(shù)法能夠提高雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)過程中的電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算精度。

本文指出雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)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(shí)指出，橫向電流對雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩有一定影響，即橫向電阻增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，但最大轉(zhuǎn)矩減小。

最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提的方法能夠精確計(jì)算雙斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)及性能分析具有一定的參考價(jià)值。

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