感应电机偏心对杂散损耗的影响

陈学锋， 孙 跃， 王汉丰， 鲍晓华

(1. 安徽皖南电机股份有限公司，安徽 泾县 242500；2. 合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

为了响应节约能源的号召，各种高效电机被不断开发并投入使用。高效电机各种结构设计的最终目的是减小各种损耗，提高电机效率，包括减小定转子铜耗、基本铁耗、机械损耗、杂散损耗。由于电机制造公差的原因，其总是存在偏心现象。偏心对电机损耗有一定影响，进而影响电机效率。先进的装配工艺只能减小偏心程度而无法消除。研究偏心对电机杂散损耗的影响具有重要意义。

国内外很多研究学者对电机偏心进行了研究。文献[1]指出，当电机偏心时，定子产生特定频率的谐波电流及检测电机偏心方法；文献[2]、文献[3]通过多回路模型研究电机偏心故障特征；文献[4]分析了电机偏心谐波特性，文献[5]仅介绍偏心对电机效率、单边磁拉力、轴承损耗的影响；文献[6]介绍负载情况下杂散损耗的变化。

本文介绍哪些损耗为电机杂散损耗、电机偏心引起气隙磁密的变化，进而得出偏心导致电机杂散损耗增加，运用有限元方法对Y160L-6进行模拟仿真，得出电机铁耗与转子铜耗随着电机偏心程度的增加而增加。

1 杂散损耗及电机偏心的理论分析

1.1 电机杂散损耗分析

感应电机的损耗分为基本铁耗PFe、定子铜耗PCu1、转子铜(铝)耗PCu2、机械损耗Pfw、杂散损耗Ps。基本铁耗、定转子铜耗与机械损耗较易测量与计算。杂散损耗很难计算，一般通过间接测量法得到，即

Ps=Pzsh-PFe-PCu1-PCu2-Pfw

(1)

式中，Pzsh表示感应电机的总损耗，可由输入功率减去输出功率求得。

杂散损耗分为基频损耗与高频损耗。基频损耗包括定子绕组的漏磁场在绕组中及绕组端部附近的金属部件中产生的损耗。高频损耗包括： (1) 定子磁势谐波产生的磁场在笼型转子导条中感应电流引起的谐波损耗；(2) 齿谐波与相带谐波引起的定转子表面损耗与脉振损耗；(3) 当电机转子采用斜槽且导条与铁心间接触电阻较小时，由于定子磁势各次谐波的作用，导条间产生横向漏电流，由漏电流引起的损耗。

当电机定转子不同心时，相对于对称电机，基频损耗不变。由于电机气隙不均匀，磁场谐波增加，高频损耗中的(1)、(2)将增大。为了减小电机斜槽漏电流产生的杂散损耗，导条与铁心间的电阻较大，故该损耗基本不变。由于上述原因，对于电机偏心对感应电机杂散损耗的影响，本文主要研究高频损耗中的(1)与(2)。

1.2 感应电机偏心分析

加工与安装工艺存在误差，导致感应电机定转子不同心。根据偏心的特点，分为3类： (1) 静态偏心。定转子不同心，转子以其几何轴心为旋转轴。(2) 动态偏心。定转子不同心，转子以定子几何轴心为旋转轴。(3) 混合偏心。定转子不同心，转子的旋转轴均不是定子与转子几何轴心。3种电机偏心示意图如图1所示。

图1 电机偏心示意图

偏心率k表示为

(2)

式中：e——电机定转子几何中心之间的距离；

δ0——电机的平均气隙长度。

电机偏心时气隙长度为

静态偏心：δ(θ)=δ0(1-kscosθ)

(3)

动态偏心：δ(θ,t)=δ0[1-kdcos(ωrt-θ)]

(4)

混合偏心：δ(θ,t)=δ0[1-kscosθ-kdcos(ωrt-θ)]

(5)

式中：ks——静态偏心率；

kd——动态偏心率；

ωr——转子旋转角频率，ωr=ω(1-s)/p；

θ——定子坐标系中沿定子内圆周不同位置的角度。

假设定、转子绕组正常，定子外加电压为三相正弦波，则在气隙中产生的k次谐波磁场为

fk(θ,t)=Fkmcos(ωt-kpθ)

(6)

将气隙倒数进行简化，当气隙较小时，Fourier展开之后取低次项，得

(7)

根据电机的磁密、磁势、磁导之间的关系，得电机的气隙磁密为

(1-kp)θ)+cos(wt-(1+kp)θ)]+

cos((ω-ωr)t+(1-kp)θ)]}

(8)

由式(8)可知，由于电机定转子不同心，气隙谐波磁密增加，谐波磁密在转子导条中产生谐波电流，反过来在气隙中产生更多的谐波磁密。

1.3 电机偏心对杂散损耗的影响

由于电机定转子不同心导致气隙不均匀，气隙谐波磁密成分大大增加，相对于对称电机，增加的杂散损耗如下： (1) 电机定转子表面涡流损耗、脉振损耗与磁密的平方近似成正比，所以当电机偏心时，其相应损耗大大增加；(2) 气隙谐波磁势的增加，相应的转子谐波电流增加，转子导条谐波损耗增加；(3) 定子绕组电流中会产生f1±mfr(f1为定子电流频率、m为正整数、fr为电机转子旋转频率)次谐波分量，故定子谐波铜耗增加。

2 对感应电机不同偏心度仿真分析

本文针对Y160L-6感应电机，运用有限元方法对其对称、静态偏心、动态偏心工作状况进行仿真研究。仿真结果验证了理论分析的正确性。

2.1 转子齿顶磁密分布

已知定转子表面涡流损耗、脉振损耗与磁密平方近似成正比，则该损耗与气隙磁密的大小密切相关。为了研究电机偏心对该部分损耗的影响，本文对不同偏心程度的转子表面磁密进行比较，如图2所示。

图2 电机不同偏心程度转子表面电磁密度分布

图2(a)表示的是电机不偏心、静态偏心率为0.2、静态偏心率为0.6时，沿转子表面圆周电磁密度分布曲线。通过比较三种情况下的幅值，由图可知，相对于不偏心，电机在静态偏心0.2情况下磁密变化较小，略微增大；而动态偏心时磁密幅值明显增大。图2(b)为静态偏心率、动态偏心率均为0.6时转子表面电磁密度分布。由图可知，在某一长度范围，静态偏心磁密相对较大，而在另一长度范围，动态偏心磁密相对较大，这是由于静态偏心最小气隙位置不变化，而动态偏心的最小气隙位置随转子旋转角度发生变化。

2.2 电机铁耗计算

电机偏心导致铁耗的变化量很难直接计算，而这变化的铁耗主要是杂散损耗。通过比较电机对称与偏心时的电机铁耗，分析偏心对电机杂散损耗的影响。运用有限元方法计算电机随时间变化的平均铁耗。电机不同偏心程度的铁耗变化如图3所示。

图3 电机不同偏心程度的铁耗变化

由图3可看出，随着电机偏心率的增加，电机平均铁耗逐渐增加。对于静态偏心、动态偏心，当其偏心率相等时，平均铁耗近似相等。所以，当电机偏心时，电机铁耗增加，即杂散损耗增加，而偏心的类型对其损耗影响较小。

2.3 电机转子铜耗增加

已知当电机偏心时，气隙谐波磁密增加，这些谐波磁密在转子导条中感应出谐波电流，转子谐波铜(铝)耗增加，这一部分属于杂散损耗。不同偏心程度下转子铜耗变化如图4所示。由图4可看出，随着电机偏心率的增加，转子平均铜耗逐渐增加。静态偏心与动态偏心率相等时，转子平均铜耗近似相等。所以，当电机偏心时，电机转子铜(铝)耗增加，即意味着杂散损耗增加，而偏心类型对其损耗影响较小。

图4 不同偏心程度下转子铜耗变化

3 结 语

通过理论分析与软件仿真结果对比得出，当电机偏心时，气隙磁场谐波增大，电机铁耗与转子铜耗增加，偏心程度越大，损耗增加的越大。而增加的铁耗主要是定、转子齿部表面损耗与脉振损耗，增加的转子铜耗主要是转子导条谐波损耗。由于定、转子齿部表面损耗与脉振损耗、转子导条谐波损耗属于电机杂散损耗，故当电机偏心时，电机杂散损耗增加，偏心程度越大，损耗增加的越大，而偏心类型对其影响较小。

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