深槽式双笼型异步电动机启动性能改善的机理研究

黄加明

（湖北工程职业学院，湖北黄石435003）



深槽式双笼型异步电动机启动性能改善的机理研究

黄加明

（湖北工程职业学院，湖北黄石435003）

摘要：在深槽式双笼异步电动机启动时，利用转子电流的“集肤效应”可使等效电阻增大、启动电流降低、启动转矩增大，从而改善启动性能。同时，随着转速的上升，转子频率降低、转子等效电阻无级减小，这使得电机启动平滑稳定。

关键词：异步电动机；启动性能；集肤效应；转子；磁通；电抗

1　改善异步电动机启动性能的重要意义

电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一。三相异步电动机由于其结构简单、维护方便等优点，被广泛应用于工农业生产和其他生产当中。众所周知，电动机的启动性能是电力拖动系统的一个重要指标。在电动机启动特性中，最主要的是启动电流和启动转矩。一台三相异步电动机如不采取相应措施直接投入电网启动，启动电流会很大，启动瞬间转矩所造成的机械冲击也会影响其本身及其拖动设备的使用寿命，过大的启动电流还会加速电机的绝缘老化。此外，电动机启动时会引起较大的电网压降，这会影响电网供电和其他设备的运行。因此，在实际应用中促使人们从笼型异步电动机的转子槽型入手，设法利用“集肤效应”（也称挤流效应）来实现启动时转子电阻较大而正常运行时转子电阻变小的要求。具有这种启动性能的笼型异步电动机就是深槽式异步电动机和双笼式异步电动机，下面对它们分别进行分析和研究。

2　深槽、双笼式异步电动机改善启动性能分析

2．1深槽式笼型异步电动机启动性能分析

图1　深槽式异步电动机转子导条集肤效应

深槽式笼型异步电动机的主要结构特点是转子的槽型特别深而窄，槽的高度与宽度之比一般为10～12，如图1（a）所示。首先根据电机学原理研究图1（a）中槽底导体1与槽口导体2交链磁力线的情况。

对于槽底导体1，假设其中流过的电流为i，图1（a）中的全部磁力线与之交链，磁链为ψ1，则其对应的电感为：

对于槽口导体2，假设其中流过的电流为i，图1（a）中只有少数几根磁力线与之交链，磁链为ψ2，则其对应的电感为：

由于ψ1≫ψ2，故L1≫L2。

根据电机学原理可知，电动机启动时，相当于转子处于堵转状态，转速n＝0，转差率s＝1，由式（3）可以近似地得出转子频率f2与定子频率f1（即交流电源工频频率）的关系为：

则f2．＝f1，槽底导体1与槽口导体2的电抗分别为：

于是X1≫X2。故越靠近槽底，各单元导体漏电抗越大，流过的电流越小；越靠近槽口，各单元导体漏电抗越小，流过的电流越大。

由以上分析可知，深槽式笼型异步电动机是利用转子槽漏电抗分布的不同，利用所引起的集肤效应来改善其启动性能的。转子导条可看成是由很多沿槽高排列的小导条并联而成的，各小导条电流的分布取决于它们漏阻抗的大小。启动时，转差率s＝1，转子频率f2．＝f1（交流电频率），这相当于正常运行时f2＝1～3Hz，是比较高的，转子槽中各并联小导条的漏电抗比电阻大，电流分配主要取决于漏电抗的大小。由图1（a）可见，沿槽高越靠近槽底的小导条交链的漏磁链越多，其漏电抗也越大，所以转子电流主要从槽口处漏电抗较小的小导条通过，转子导条沿槽高的电流密度分布情况如图1（b）所示。这时，转子电流被“挤”到槽口表面，这种现象被称之为集肤效应。其结果是，槽底部分的导条截面内几乎没有电流通过，相当于转子导条的有效截面减小了，如图1（c）所示，这使转子电阻增大、启动电流减小而启动转矩增大，可使电机满载启动。

随着转速升高至启动结束，转差率s逐渐减小，根据式（3）转子频率逐渐降低，集肤效应的影响逐渐降低，各并联小导条的漏电抗也逐渐降低至小于电阻，这时电流分配主要取决于各并联小导条电阻的大小，转子电流逐渐均匀地分布在转子导条的整个截面上，转子电阻逐渐降到正常值。

与普通笼型异步电动机相比，由于深槽式转子漏磁通增大，使正常运行时的转子漏抗增大，因此电动机的功率因数及过载能力会降低。所以，深槽式异步电动机启动性能的改善是依靠牺牲某些性能指标而取得的。

2．2双笼型异步电动机启动性能分析

图2　双笼型异步电动机转子槽型及机械特性

双笼型异步电动机的转子具有最典型的双笼型结构，在转子中嵌放两套笼型绕组，即上笼和下笼，如图2（a）所示。其上笼导条截面较小，且由电阻率较大的黄铜或铝青铜等制成，因而电阻较大。但它交链的槽漏磁通较少，故漏电抗小；下笼导体截面较大，用紫铜制成，电阻较小，但它交链的槽漏磁通较多，漏电抗大。如果上、下笼都用铸铝制成，则上笼截面远比下笼小得多，如图2（b）所示，因而上笼电阻比下笼大得多。

启动时转子电流频率高，集肤效应使电流多被“挤”到上笼，使上笼起主要作用，故称其为启动笼。由于上笼电阻大，故其可以减小启动电流而增大启动转矩。启动结束后，转子电流频率很低，下笼漏电抗减小，其本身电阻又小，转子电流主要从下笼导条中通过，下笼在正常运行时起主要作用，故称其为工作笼。双笼型异步电动机的机械特性是上、下笼机械特性的合成，如图2（c）所示。改变上、下笼导条的材料和面积，可以得到不同的合成机械特性，从而满足不同的负载要求。

双笼型异步电动机与深槽式笼型异步电动机一样有很好的启动性能，可以使电机满载启动，但前者的一些特性好于后者，不过深槽式笼型异步电动机制造简单，也比较便宜。

3　结束语

总之，深槽式笼型异步电动机是利用转子槽漏磁通所引起的电流集肤效应来改善启动性能的。启动时电流集肤效应使转子电流集中在槽中导条的上部，其效果就相当于减小了导条的有效截面积，增大了转子的电阻，从而改善了启动性能。双笼型异步电动机转子有上、下两套笼型绕组。上笼绕组截面积较小，具有较大的电阻，启动时上笼绕组起主要作用，可以改善启动性能。下笼绕组截面积较大，电阻较小，运行时下笼绕组起主要作用，电动机仍具有较好的运行性能。这两种异步电动机的缺点是功率因数低，双笼型异步电动机结构复杂、价格较贵，而深槽式笼型异步电动机结构简单、价格便宜。

参考文献：

［1］徐建俊．电机与电气控制［M］．北京：清华大学出版社，2007．

［2］徐君贤．电机与电器制造工艺学［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［3］范次猛．机电设备电气控制技术［M］．北京：高等教育出版社，2011．

［4］Gomez Gonzalez M，Jurado F，Pérez I．Shuffled frog-leaping algorithm for parameter estimation of a double-cage asynchronous machine［J］．IET Electric Power Applications，2012，6（8）：484-490．

［5］胡岩，刘涛，吴伟．复合笼型转子异步电动机启动性能［J］．电工技术学报，2012，27（12）：199-204．

［6］胡堃，何凤有，薛冰．深槽式笼型转子无刷双馈电机的仿真分析［J］．微特电机，2011，39（11）：34-36．

［7］薛冰，胡堃，樊贝．深槽式凸极转子无刷双馈电机有限元分析［J］．微特电机，2012，40（5）：13-15．

［8］Guimaraes Joao Marcondes Correa，Bernardes Jose Vitor，Hermeto Antonio Eduardo，Bortoni Edson Da Costa．Parameter determination of asynchronous machines from manufacturer data sheet［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（3）：689-697．

［9］Rosas Ramon Mujal，Boix Aragonès Oriol，Colom Fajula Xavier，Rolán Blanco Alejandro．Behavior of the threephase induction motor with spiral sheet rotor［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24（1）：68-76．

Research on the mechanism of improving the startup performance to the deep grooves on double cage asynchronous motors

HUANG Jia-ming
（Hubei Engineering Vocational College，Huangshi 435003，China）

Abstract：The improvement on the startup performance to the deep grooves on double cage asynchronous motors is introduced．When starting double cage induction motor，the rotor current uses the“skin effect”to make the rotor equivalent resistance increase，so the the starting current is reduced and the starting torque is increased，thus to improve the startup performance of the motor．With the increasing of the rotational speed，the rotor frequency is decreased，the rotor equivalent resistance is stepless reduced，and the smoothly startup of the motor is achieved．

Key words：induction motor；starting performance；skin effect；rotor；flux；reactance

中图分类号：TM353；TM343

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2016）02—0038—03

作者简介：

黄加明（1967-），男，湖北黄石人，副教授，电气工程师，主要从事电气自动化技术的教学和研究工作。

收稿日期：2016-02-15