三相变频异步电动机转子结构对转子损耗的影响

王迎春 ,王晓阳

（中车永济电机有限公司  山西永济 044502）

摘  要：通过对一台空载损耗异常的10极1100kW三相变频调速异步电动机转子损耗进行详细分析，得到转子槽口深度与空载转子铜耗之间的变化关系。并通过试验验证了转子槽口深度增大，转子导条高频谐波铜耗逐渐减小并趋于稳定。该论证结果对相关电机的设计提供参考经验。

关键词：转子槽口深度；谐波磁场

一、概述

电机产品在设计过程中，由于槽口深度设计不合理，引起电机过热甚至烧损的问题时有发生，严重影响了产品的质量。槽口深度是异步电机设计的一个重要参数。转子槽口深度对转子冲片的强度及鼠笼转子中高频电流损耗均有影响，实践表明不同的转子槽口深度对转子损耗有重要影响。

本文主要对一台功率1100kW、10极故障电机进行分析，从转子槽口深度对电机气隙谐波磁场的影响出发，通过分析电机转子槽口深度变化的电机模型，得到谐波磁场以及转子中的谐波电流随转子槽口深度的变化情况，并精确计算了转子铁心与导条上的涡流损耗。提出改进意见，并验证改进的合理性。

二、转子损耗分析

2.1 理论分析

转子中的高频铁耗和高频铜耗主要是由定子磁势谐波磁场以及由定、转子开槽引起的气隙磁导齿谐波磁场感生引起的。定子绕组的磁势谐波分为相带谐波磁势及齿谐波磁势。当定子绕组每极每相槽数为整数时，磁势谐波中相带谐波极对数ν为

              （1）

  式中为极对数。

定子绕组磁势谐波中齿谐波不随绕组排布所改变，其极对数νt为

            （2）

式中为定子槽数。

对于该故障电机，根据式（1）、（2）可知，定子槽数Z1=90，p=10，气隙谐波中主要成分是定子一阶相带谐波（-5和7次）、二阶相带谐波(－11和13 次)、三阶相带谐波(－17和19次)、定子一阶齿谐波(－17和19次)、 定子二阶齿谐波(－35和37次)。在转子导条中，反向旋转的5次谐波和正向旋转的7次谐波将感应出6倍于基波频率的转子电流，同理第11次谐波和第13次谐波感应出12倍于基波频率的转子电流，其他次数谐波感应出18、24、30、36倍基波频率的转子电流。该故障电机的基波频率为50Hz，气隙谐波将在转子导条感应出300Hz、600Hz、900Hz等频率的高频电流。高频情况下，转子导条内的集肤效应非常明显，在这些频率下，转子的实际交流电阻远远大于直流电阻。当各次谐波电流的幅值较大时，将产生较大的转子高频铜耗。

2.2 仿真分析

    分别对转子槽口深度为1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、 3.5 mm的5个电机模型进行空载损耗分析，空载工况下转子导条损耗如图1所示，由图1可知槽口深度为 1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、 3.5 mm时转子导条铜耗分别为28.39kW、18.56kW、11.29kW、3.96kW、3.68kW。随着转子槽口深度增大，转子导条铜耗逐渐减小。减小的这部分转子损耗主要是转子导条上的谐波铜耗。

图 1  不同槽口深度转子导条中的损耗

通过分析可知：

气隙中的高磁谐波在转子导条上产生的高频铜耗，由于集肤效应，转子导条上部谐波电流密度比导条下部大，高频谐波电流主要集中在转子导条靠近转子槽口的位置上。转子槽口深度越浅，气隙中的高次谐波在转子导条靠近转子槽口部分产生的高频铜耗就越明显，也是造成转子过热的原因。

三、现场实例

        通过对改进后的电机进行型式试验，试验数据表明更改后

的电机空载损耗降低了14kW，与理论计算与仿真分析结果相一致。转子槽口深度增大，转子导条铜耗逐渐减小，转子损耗降低。

四、结束语

      本文通过ANSYS Maxwell二维有限元仿真计算了10极

1100kW三相变频调速异步电动机空载气隙磁密进行傅里叶分解，分析了空载工况不同转子槽深度，得到转子槽口深度与空载转子铜耗之间的变化关系。并通过试验验证了转子槽口深度增大，转子导条高频谐波铜耗逐渐减小并趋于稳定。本文的研究对于电机设计以及工程应用中考虑转子槽口深度及槽配合对转子损耗的影响具有一定的参考意义。