1、項(xiàng)目背景

斜槽鼠籠式異步電機(jī)和凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間由于沒(méi)有足夠的絕緣處理存在經(jīng)過(guò)鐵心的橫向漏電流，它使導(dǎo)條和鐵心中的電流分布沿軸向發(fā)生變化，從而影響損耗、轉(zhuǎn)矩、溫升等一系列電磁和機(jī)械行為。鼠籠式異步電機(jī)橫向漏電流方面已經(jīng)取得相當(dāng)多的研究成果。

橫向漏電流對(duì)凸極同步電機(jī)阻尼繞組電磁行為的影響，橫向漏電流對(duì)轉(zhuǎn)子溫升的影響，考慮橫向漏電流因素的凸極同步電機(jī)磁極設(shè)計(jì)理論等問(wèn)題，還有待于開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

2、論文所解決的問(wèn)題及意義

從產(chǎn)生機(jī)理、橫向接觸電阻及其測(cè)量方法、電磁分析模型及算法、對(duì)電機(jī)性能的影響等方面總結(jié)了鼠籠式異步電機(jī)橫向漏電流的研究成果。介紹了凸極同步電機(jī)中橫向漏電流的形成原因和相關(guān)案例。在此基礎(chǔ)上，建議對(duì)橫向漏電流相關(guān)的設(shè)計(jì)改進(jìn)展開(kāi)深入的研究。

3、論文重點(diǎn)內(nèi)容

1）橫向漏電流的產(chǎn)生

鼠籠式異步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在時(shí)變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并形成轉(zhuǎn)子電流。大部分轉(zhuǎn)子電流在導(dǎo)條和端環(huán)中流動(dòng)，在導(dǎo)條與鐵心間沒(méi)有絕緣的條件下，另一部分電流會(huì)進(jìn)入疊片，并通過(guò)疊片流入其他導(dǎo)條，形成橫向漏電流。采用斜槽的異步電機(jī)橫向漏電流現(xiàn)象比較突出。對(duì)于某些特殊用途的異步電機(jī)，如果端環(huán)阻抗足夠大，即便采用直槽，也會(huì)產(chǎn)生比較明顯的橫向漏電流。

2）影響接觸電阻率的因素

導(dǎo)條與鐵心的接觸電阻是影響橫向漏電流分布的重要因素，而生產(chǎn)工藝是影響導(dǎo)條與鐵心接觸電阻率的首要因素。壓力鑄鋁導(dǎo)條接觸電阻率一般明顯小于離心鑄鋁導(dǎo)條，焊接型轉(zhuǎn)子接觸電阻率一般比鑄鋁導(dǎo)條的大。生產(chǎn)中對(duì)疊片的一些常規(guī)處理工藝，如磷化、氧化等，可以一定程度上提高轉(zhuǎn)子槽內(nèi)表面與導(dǎo)條的接觸電阻率。即便采用相同的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)過(guò)程中的一些隨機(jī)因素也會(huì)引起接觸電阻率的差異。

此外，鑄鋁轉(zhuǎn)子的接觸電阻率還會(huì)隨轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度的升高而變大。

3）接觸電阻的測(cè)量方法

接觸電阻的測(cè)量一般在完整的或者切除了端環(huán)的鼠籠上進(jìn)行。

①完整鼠籠法

圖1給出在完整鼠籠上測(cè)量接觸電阻的實(shí)驗(yàn)裝置連接圖。將低壓直流電源接在一個(gè)帶有轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子上：一端接轉(zhuǎn)軸；為使電流盡可能平均地流入各導(dǎo)條，另一端接在若干個(gè)等間距的風(fēng)葉上(圖1中選取4個(gè)，分別標(biāo)為I、II、III和IV)。電流通過(guò)端環(huán)、導(dǎo)條、鐵心和轉(zhuǎn)軸形成回路。

圖1完整鼠籠上測(cè)量導(dǎo)條與鐵心接觸電阻

完整鼠籠上測(cè)接觸電阻方法比較容易實(shí)施，但認(rèn)為各導(dǎo)條分別是一個(gè)等電位體可能引起較大的測(cè)量誤差。另外，此方法實(shí)際上假設(shè)總電流在各導(dǎo)條上均勻分配，測(cè)量結(jié)果也無(wú)法完全反映出不同導(dǎo)條接觸電阻的差異性。

②切除端環(huán)法

圖2是兩種典型的去除端環(huán)法測(cè)量接觸電阻的示意圖。去除端環(huán)法所測(cè)電阻值由實(shí)測(cè)電壓除以實(shí)測(cè)電流得到，該實(shí)測(cè)電阻與導(dǎo)條電阻、接觸電阻和鐵心電阻存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。一般認(rèn)為，鐵心電阻比接觸電阻小很多，基本可以忽略。因此，可以根據(jù)上述數(shù)學(xué)關(guān)系通過(guò)實(shí)測(cè)電阻求出接觸電阻值。

圖2去除端環(huán)測(cè)量導(dǎo)條與鐵心接觸電阻

去除端環(huán)法測(cè)量接觸電阻實(shí)施難度較高，對(duì)鑄鋁型鼠籠是一種破壞性測(cè)量方法，但對(duì)于焊接型鼠籠可以在安裝好銅條之后、焊接端環(huán)之前進(jìn)行。另外，由于去除端環(huán)法可逐對(duì)在導(dǎo)條上施加電壓，能在一定程度上測(cè)出不同導(dǎo)條接觸電阻的差異性。

4）橫向漏電流的計(jì)算方法

①解析法

在早期的研究中，解析法是在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限的情況下，基于各種簡(jiǎn)化和假設(shè)建立的，其準(zhǔn)確度有限。盡管如此，多段級(jí)聯(lián)電路的思想為后來(lái)發(fā)展起來(lái)的比較實(shí)用且準(zhǔn)確的多截面場(chǎng)?路耦合二維時(shí)步有限元方法奠定了理論基礎(chǔ)。圖3為橫向漏電流的分布式解析模型。

圖3橫向漏電流的分布式解析模型

②三維有限元法

橫向漏電流引起的轉(zhuǎn)子電流和磁場(chǎng)軸向變化相當(dāng)復(fù)雜，又考慮到電機(jī)端部磁場(chǎng)對(duì)橫向漏電流的影響，采用三維有限元模型是分析橫向漏電流電磁行為最直接、準(zhǔn)確的方法。而要完整、準(zhǔn)確地計(jì)及各種時(shí)間和空間諧波的電磁效應(yīng)，特別是齒槽效應(yīng)對(duì)橫向漏電流的影響，需要能夠反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的三維時(shí)步有限元模型。

然而三維時(shí)步有限元的計(jì)算量對(duì)于當(dāng)今任何個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)講都是巨大的，因此，橫向漏電流的三維有限元分析多數(shù)采用簡(jiǎn)化的模型。

③多截面二維有限元法

為避免三維有限元方法巨大的計(jì)算量，并盡可能不降低模型的準(zhǔn)確度，二維多截面場(chǎng)?路耦合時(shí)步有限元分析得以廣泛應(yīng)用。其具體做法是：將電機(jī)沿軸向分成若干層，假設(shè)每一層內(nèi)是直槽，磁場(chǎng)不隨軸向變化；為模擬斜槽效應(yīng)，各層的轉(zhuǎn)子部分繞電機(jī)軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度。各層內(nèi)的磁場(chǎng)通過(guò)計(jì)及橫向漏電流的電路耦合。多截面場(chǎng)?路耦合有限元方法中一種計(jì)及橫向漏電流的鼠籠電路模型如圖4所示。

圖4計(jì)及橫向漏電流的多截面鼠籠電路模型

④各種計(jì)算方法總結(jié)

表1總結(jié)了上述各種計(jì)算方法的特點(diǎn)。在異步電機(jī)橫向漏電流研究工作的初期，人們利用解析法建立了對(duì)橫向漏電流的一些基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，能夠更加完整地反映橫向漏電流相關(guān)電磁現(xiàn)象的有限元方法已經(jīng)成為相關(guān)研究中不可或缺的工具。

表1異步電機(jī)橫向漏電流計(jì)算方法

5）橫向漏電流的影響

①雜散損耗

A.當(dāng)接觸電阻值趨近于導(dǎo)條電阻的數(shù)量級(jí)或者接近絕緣的數(shù)量級(jí)時(shí)，鼠籠諧波損耗都比較小，而在絕緣條件下更??；

B.當(dāng)接觸電阻值在上述兩種極端情況之間時(shí)，鼠籠諧波損耗對(duì)接觸電阻的變化相當(dāng)敏感，隨著接觸電阻值的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在某個(gè)接觸電阻值條件下達(dá)到峰值；

C.在不同的轉(zhuǎn)子斜槽度條件下，鼠籠諧波損耗隨接觸電阻的變化都呈現(xiàn)上述趨勢(shì)，并且當(dāng)接觸電阻值在兩種極端情況之間時(shí)，斜槽度越大，鼠籠諧波損耗越高；

D.鼠籠基波損耗受接觸電阻和斜槽度的影響較小。將基波和諧波成分相加得到的鼠籠總損耗隨接觸電阻和斜槽度的變化趨勢(shì)與鼠籠諧波損耗的變化趨勢(shì)一致。

②轉(zhuǎn)矩

鼠籠式異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子槽絕緣較好和較差的條件下較小。橫向漏電流對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響如圖5所示。在較小的接觸電阻條件下，轉(zhuǎn)子各層對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)相對(duì)平均；在較大的接觸電阻條件下，轉(zhuǎn)子各層對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)差異很大，甚至出現(xiàn)了相互抵消的現(xiàn)象，從而解釋了轉(zhuǎn)子槽絕緣較好和較差的條件下前者的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的原因。

圖5不同接觸電阻條件下異步電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向各處產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(5層多截面有限元模型計(jì)算結(jié)果)

6）凸極同步電機(jī)中的橫向漏電流問(wèn)題

①凸極同步電機(jī)中的橫向漏電流現(xiàn)象

凸極同步電機(jī)的阻尼繞組和異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子鼠籠具有相似的結(jié)構(gòu)。為抑制定子齒諧波，凸極同步電機(jī)也經(jīng)常采用斜槽技術(shù)，其阻尼繞組中也常常不可避免地存在橫向漏電流。一般的同步電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組電流比較小，然而在以下特殊情況下卻相當(dāng)大，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，需要格外關(guān)注。

A.某些低速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，極數(shù)很多，直徑往往比較小，每極每相槽數(shù)比較小。這可能造成相當(dāng)大的阻尼繞組齒諧波電流。

B.同步電機(jī)在偏心、不對(duì)稱(chēng)負(fù)載等狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，阻尼繞組中形成的電流不容忽視。

C.同步發(fā)電機(jī)的低頻振蕩、同步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)等暫態(tài)過(guò)程中形成的阻尼繞組電流也不容忽視。

②橫向漏電流引起的轉(zhuǎn)子局部異常溫升

由于氣隙不均勻，凸極同步電機(jī)各阻尼條的電流本來(lái)就不相等，而橫向漏電流可能加劇這種不均勻分布(包括不同導(dǎo)條之間電流的差異、單根導(dǎo)條軸向不同位置電流的差異以及鐵心中不同位置橫向漏電流的差異)，從而造成轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱。

圖6給出了北美某水電站發(fā)電機(jī)磁極故障的一個(gè)典型案例。一根阻尼條周?chē)霈F(xiàn)不均勻燒熔，其中靠近端部的燒熔比中部嚴(yán)重。在公開(kāi)的報(bào)道中，魁北克水電公司在對(duì)一臺(tái)斜槽水輪發(fā)電機(jī)不同磁極的溫度監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，各磁極表面的溫度分布出現(xiàn)了明顯的差異，而對(duì)一臺(tái)直槽水輪發(fā)電機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種差異。這些案例說(shuō)明凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的局部異常溫升可能與橫向漏電流有關(guān)。

圖6某水輪發(fā)電機(jī)磁極局部過(guò)熱故障

4、展望與結(jié)論

橫向漏電流是影響鼠籠式異步電機(jī)運(yùn)行性能的重要因素之一。未來(lái)的研究還需要深入分析橫向漏電流條件下交流電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升問(wèn)題，特別是凸極同步電機(jī)阻尼繞組和磁極表面的局部異常溫升現(xiàn)象。針對(duì)可能出現(xiàn)的交流電機(jī)轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱故障，探索計(jì)及橫向漏電流因素的溫升分析方法，為提高轉(zhuǎn)子可靠性改進(jìn)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，特別是凸極同步電機(jī)的磁極和阻尼繞組設(shè)計(jì)理論。

引文信息

詹陽(yáng)，孔伉伉，許國(guó)瑞，等.交流電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間橫向漏電流研究綜述與展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(7):2132-2143.