轴向复合感应电动机起动性能的计算

轴向复合感应电动机起动性能的计算华中理工大学新型电机实验室李松韦忠朝王雪帆摘要：首次提出了一种有轴向复合转子的新型笼型感应电动机，并推导了该电机的等效电路，还对其起动性能进行了分析和计算。关键词：实心转子；轴向复合1引言笼型感应电动机具有结构简单、运行可靠、效率较高、制造容易、成本较低、坚固耐用等优点，但也存在一些缺点，其中一个主要问题就是：起动转矩不大，过载能力不强。这一问题，至今尚未得到圆满解决。为此，人们对实心转子电机进行了深入研究。理论分析和实验结果表明：当实心转子感应电机在恒定外施电压下从静止状态（转差率s＝1）起动到稳定工作状态（转差率很小），转子阻抗自动经历了一个由大到小的变化过程［2，3］，与绕线式转子在起动过程中连续地平滑地减小转子起动电阻颇为相似。所以，实心转子感应电机的一个突出的特点是具有良好的起动性能：起动转矩高，起动电流小（约占普通感应电机的1/2～1/3），单位起动电流的起动转矩大。但其致命的缺点是运行效率较低。笼型感应电机运行性能较好，但起动性能较差；而实心转子感应电机虽然运行效率很低，但其起动性能特别优越：本文通过对这两种转子在结构上进行轴向复合，得到一种复合的电机性能，即既具有实心转子的起动性能，又有笼型转子感应电动机运行时力能指标高的优点。2新型笼型感应电机基本结构和工作原理新型笼型感应电动机的定子绕组同普通感应电动机类似。而转子采用轴向分段结构，一段是普通笼型转子，一段是实心转子，并且鼠笼转子段的笼条延伸出来，并插入实心转子中。其结构大致如图1所示。图1轴向复合转子感应电动机结构其中，鼠笼转子段与普通笼型电机转子无异，是在硅钢片铁心中，安置普通笼型绕组；而实心转子段由铁磁体构成，电路和磁路合为一体。从而构成所谓轴向复合转子。由于普通笼型电机的转子由铸铝导条或铜条导电，其电阻率较低，故转子电阻比较小；而实心转子是靠铁磁材料导电，其电阻率相比之下要大得多，因此通过增加一实心转子段，可以使转子的阻抗变大，从而大大降低了起动电流。由于实心转子段具有近似恒定的转子功率因数角（约为35度），它比起动时鼠笼转子的功率因数角（一般在80度左右）要小得多，因而二者的轴向复合，在起动时可以使转子功率因数比普通笼型电机有一个显著的提高。在起动时，转差率s=1，转子的透入深度最小，适当选取插入其中的导条的位置，使透入深度小于导条距转子表面的距离，那么可以认为，气隙磁通与插入实心转子段中的导条之间没有相互作用。这时，一方面可以利用实心转子段具有较大电阻的性质来改进起动特性，另一方面，转子导条电流在实心转子内也会感应产生涡流，从而也可以阻碍转子导条电流的增加；而在小转差运行时，透入深度增大，当透入深度大于埋在其中的导条距转子表面的距离时，气隙磁通就与导条交链，从而在导条中感应电势和电流，产生电磁转矩。因此，该电动机的运行性能又可以得到改善。另外，本新型笼型感应电机通过适当调节实心转子段和鼠笼转子段两者的比例，可以得到不同的电机特性，从而更好地满足各种场合对电机性能的不同需求。因此，这种新型笼型感应电动机的设计比较灵活，应用范围比较广，这也是它一个比较突出的优点。3等效电路分析和参数计算众所周知，在电机的设计与计算中，电机的等效电路及参数具有特殊重要的意义。一方面它将电机内部复杂的电磁场计算转换为电路的计算；另一方面，它又反映了电机定子和转子的电磁关系以及电压、电流、功率的平衡关系。因此，要对新型笼型感应电动机进行分析，就必须从电机的电磁基本理论出发，通过对其工作原理和运行特性的分析，指出它区别于普通感应电机的特点，推导出新型笼型感应电动机的等效电路，才能为后面的设计和计算提供基础。当对新型笼型感应电动机定子绕组施以正弦电压1时，通过定子绕组的电流1会产生定子阻抗压降1z1。定子阻抗为z1＝r1+jx1,r1为定子电阻，x1为定子漏电抗。同时，定子电流1产生定子磁势1，在空气隙中建立主磁通Φm。由于转子轴向分段，我们可以认为主磁通由鼠笼转子段磁通Φa和实心转子段磁通Φb两部分组成。磁通Φa通过鼠笼转子段，形成闭合磁回路，它在定子绕组中感应电势E1a。磁通Φb通过实心转子段形成闭合磁回路，它在定子绕组中感应电势E1b。外施电压1与定子阻抗压降和定子绕组感应电势相平衡。即:(下标a表示鼠笼转子段的物理量，下标b表示实心转子段的物理量)。电机负载运行时，定子电流有两个分量，一个是激磁电流im，用于建立电机负载运行时的主磁通；另一个是负载分量i2，产生磁势，用以抵消转子侧磁势。与普通电机的分析相类似，我们可得：由此，我们可以画出电机的等效电路见图2。图2等效电路由于ima和imb是对应于同一定子电流的激磁分量，故两者相等ima=imb，由此可得i2a=i2b=i2。于是，我们就可以得到一个更为简化的等效电路。如图3所示。图3简化等效电路鼠笼转子段和实心转子段的参数计算，可以参考鼠笼感应电机和实心转子电机的计算方法进行［2，3］。值得注意的是，鼠笼转子段所对应的阻抗z2a应包括两部分：一是导条在迭片式转子中的电阻和电抗，另一是插入到实心转子中去的导条所对应的参数。由于这两段导条具有电路上的联系，即在它们之间流通的电流是相等的，因此把插入到实心转子中去的导条所对应的参数折算到鼠笼转子段，可以方便计算；而其磁路是在实心铁磁体中闭合，因此它的参数计算又类似实心转子中参数的计算方法。转子电流通过导条时，会在导条电阻和导条漏电抗上产生阻抗压降。同时导条电流在实心转子内部产生磁通，并就地感应电流和电势。类似普通感应电机的分析，我们可以得出如下的等效电路见图4。图4转子等效电路参数可按如下公式计算：（1）R1in：同普通笼条一样，按公式R=计算。（2）X1in：由于导条埋在实心转子的内部，气隙磁通被实心转子表层屏蔽掉，因而在考虑透入深度未达到笼条的情况时，气隙磁通与导条插入段没有相互感应作用。因而插入导条段的谐波漏抗不存在。而端部漏抗则包括在鼠笼转子的参数计算之中。至于插入导条段的槽漏抗，由于槽漏抗的路径比主磁路路径的磁阻要大得多，因而插入导条段的槽漏抗很小，可以忽略不计。（3）R2in,X2in：笼条对实心转子的感应电阻和电抗的计算，可以采用透入深度法来计算。①预取转子电流i2（已折算到定子侧的转子电流，单位为A），则每根导条中流通的电流为：i2dt=i2.m1zΦ1.kdp/Q2。式中，zΦ1.kdp为定子绕组每相串联有效匝数。m1为定子相数。Q2为转子鼠笼条数。②根据安培环路定量H.L=Σi得导条周围的平均磁场强度为其中，lm为转子每根鼠笼条中电流感应产生的磁通的平均磁路长度，可根据转子具体槽型和透入深度进行计算。③根据铁磁材料的磁化曲线可查得：导条周围的磁密Bdt=f(Hdt)④透入深度式中，sω1=ω2为转子电流的角频率，ω1为电源角频率，s为转差率。ρ2为实心转子铁磁材料的电阻率；μrdt为实心转子铁磁材料的相对磁导率；μ0为真空（空气）的磁导率，μ0=4π×10-7H/m；⑤考虑到磁滞、涡流反应等的影响，引入电阻修正系数Kr，电抗修正系数Kx，端部效应系数Ke，另外，为计及转子曲率的影响，引入修正系数K1。这些修正系数由实心转子段的计算得到。于是根据可得：其中，ρ为转子鼠笼条的电阻率，Lsolid为鼠笼条在实心转子段中的长度。（4）激磁电抗Xmin的计算导条周围的磁密为Bdt，按前面的公式可以计算得到。故导条电流Idt所感应产生的磁通为Φdt=Bdt.△.Lsolid。由于导条只有一根，故于之交链的磁链Ψdt=Φdt=Bdt.△.Lsolid（5）上述参数的计算都与转子电流的大小有关，而转子电流的大小是未知的，只有在完成参数计算之后，才能根据前述等效电路来得出：因此必须通过预取—迭代的方法才能得出较准确的参数。至此，我们已经推出了新型笼型电机的等效电路的基本模型，并作为以后分析和计算的基础。4转子分段比例对起动性能的影响对该新型轴向复合电机的起动性能进行计算和仿真，对鼠笼段和实心转子段的不同比例，其起动特性如图5所示。由仿真结果可以看出，随着实心转子的比例的加大，电机的起动电流减小，电机每单位电流的起动转矩变大，但综合起动转矩出现一个拐点。通过合适选择鼠笼段和实心转子段的比例，就可以得到恰当的起动特性。图5复合电机的起动特性5结论本文提出的新型感应电动机通过对这两种转子在结构上进行轴向复合，实现优势互补，从而得到一种复合的电机性能，既具有实心转子的优良起动性能，又兼有笼型转子感应电动机小转差运行时力能指标高的优点。从等效电路图中可以直观地看出，通过给鼠笼转子轴向上添加一段实心转子，实际上等效地给转子串入了一个阻抗。分析两段的比例关系对电机性能的影响，可以使电机的综合性能最佳。对机座号Y315s－2（IP44），功率110kW的感应电动机，将转子采用轴向复合结构，当鼠笼转子段占60％、实心转子段占40％时，计算其起动性能，并与设计标准值比较如表1。表1起动电流倍数起动转矩倍数设计标准值7.01.8采用轴向复合转子5.2823.265可见，该轴向复合转子感应电机的起动性能比普通感应电机要好的多。选自《电机电器技术》锦州市研制成功YSE系列实心转子电动机时间：2004-11-29由锦州市特种电动机厂生产的YSE、YDSE系列实心转子制动电动机，采用高导磁、低电阻新材料，新的转子结构等新技术。该电机具有软起动特性，起动电流小，转矩高，特别选用于重载频繁启动，周期重复短时运行，广泛应用于起重机，彻底解决了起重机长期以来起动时的“冲击”问题，使起重机运行质量有很大提高，该技术在国内处领先水平。