轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子槽諧波的影響(譯文)

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子槽諧波的影響序言現(xiàn)代矢量控制技術(shù)在AC驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用并使性能得到了顯著的提高；然而，此技術(shù)通常需要一臺(tái)編碼器。近年來(lái)，研究主要集中在無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)上。無(wú)傳感器速度測(cè)定可通過直接或間接的方法實(shí)現(xiàn)。通常間接的方法取決于可能會(huì)誤導(dǎo)轉(zhuǎn)子速度評(píng)估的感應(yīng)機(jī)械的參數(shù)。直接的無(wú)傳感器速度的測(cè)量方法是根據(jù)定子電壓或電流頻譜進(jìn)行。轉(zhuǎn)子槽諧波實(shí)際上是指電機(jī)電壓和電流的頻譜分量。磁極鐵心中的槽產(chǎn)生槽部磁導(dǎo)諧波并調(diào)制氣隙磁場(chǎng)。這些諧波中的第一個(gè)的極數(shù)等于槽數(shù)的兩倍，所以為氣隙磁導(dǎo)引入了高空間頻率分布這一概念。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生了高頻槽諧波。轉(zhuǎn)子槽數(shù)影響頻率、極數(shù)和這些諧波的大小。此外，槽組合、槽開度或形狀、斜度、靜止偏心度、飽和級(jí)以及負(fù)荷也會(huì)影響RSH的的大小。所有這些的影響的相互作用使對(duì)影響的評(píng)估更復(fù)雜。這里所用的計(jì)算模式可以說明這些因素對(duì)RSH大小的重要性。所有這些信息有助于選擇滿意的、采用RSH的無(wú)傳感器速度控制驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。計(jì)算模式計(jì)算模式是基于使用多年的磁動(dòng)勢(shì)-磁導(dǎo)諧波分析技術(shù)。這種方法在過去通常是被選擇性地用來(lái)識(shí)別具體的諧波以深入而不是直接到分析諧波分量的級(jí)。如果需準(zhǔn)確地測(cè)量出全部的氣隙磁導(dǎo)諧波，那么某些特征如主磁通路線、漏磁引起的槽橋飽和以及偏心度就必須進(jìn)行合并。槽橋飽和使問題更加復(fù)雜化，這是因?yàn)樗螂姍C(jī)的不同而變化，隨槽電流的改變而改變。本文使用的方法是有限元（FE）分析，簡(jiǎn)易磁阻網(wǎng)孔分析以及偽三維（3D）模型方法（將電機(jī)軸向地分成若干個(gè)部分）三種方法。影響槽諧波大小和頻率的因素通常認(rèn)為，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)（如斜度）可以用來(lái)消除槽諧波效應(yīng)。應(yīng)先對(duì)槽諧波效應(yīng)進(jìn)行確定以便更好地理解已發(fā)生的磁動(dòng)勢(shì)-磁導(dǎo)相互作用。斜度效應(yīng)普遍認(rèn)為，n次空間諧波的斜度因素為（1）若轉(zhuǎn)子槽的斜度為任一空間諧波的2n電弧度，那么在轉(zhuǎn)子棒中的由定子感應(yīng)產(chǎn)生的電壓應(yīng)被抵消。這樣就不會(huì)產(chǎn)生諧波棒電流。同樣地，定子繞組中的感應(yīng)電流應(yīng)為零。斜度隨角度的變化如圖1所示。圖1斜度隨角度的變化曲線圖（5thHarmonic：第五諧波Fundamental：基頻）槽開度效應(yīng)圖2是一30kW電動(dòng)機(jī)在空載、50%負(fù)載和滿載三種情況下的RSH振幅變化。更大的槽開度是不實(shí)際的。很明顯，在相對(duì)較小的電動(dòng)機(jī)槽開度時(shí)可能會(huì)感應(yīng)出很強(qiáng)的RSH電流。應(yīng)當(dāng)指出的是，即使電動(dòng)機(jī)在空載下產(chǎn)生很小的扭矩，槽橋也必須飽和。否則轉(zhuǎn)子表面就會(huì)發(fā)生棒電流的電磁效應(yīng)。在運(yùn)行工況下，半封閉的槽有一有效的槽開度。圖2不同負(fù)載時(shí)56半封閉槽電動(dòng)機(jī)的槽諧波振幅[SlotOpening槽開度;MagnitudeofSlotHarmonic（%Fundamental槽諧波值（％基頻）;NoLoad空載;HalfLoad半負(fù)載;FullLoad滿載]轉(zhuǎn)子槽數(shù)效應(yīng)在不同槽數(shù)的轉(zhuǎn)子中磁極數(shù)和諧波頻率也會(huì)不同。增加轉(zhuǎn)子的槽數(shù)會(huì)增加磁導(dǎo)分布的空間頻率，也會(huì)減小變化的幅度。在同一負(fù)載下增加轉(zhuǎn)子槽數(shù)會(huì)減弱通過每根棒的電流，反過來(lái)又會(huì)降低槽橋的飽和度，減小諧波磁導(dǎo)的振幅和有效槽開度的寬度。圖3為不同轉(zhuǎn)子槽數(shù)的4極48定子槽感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在零偏心度下的最大槽諧波值。眾所周知，只要定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子槽數(shù)相同，就會(huì)出現(xiàn)較大的變動(dòng)力矩和磁鎖。若轉(zhuǎn)子槽數(shù)和定子槽數(shù)之差為極數(shù)的兩倍，還會(huì)導(dǎo)致很大的齒輪噪音。實(shí)際應(yīng)用中這些槽組合是不會(huì)使用的。圖3證明了這一點(diǎn)，當(dāng)槽數(shù)為44，48和52時(shí)的轉(zhuǎn)子槽諧波電流值很大。這是因?yàn)榛艅?dòng)勢(shì)與定子、轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)之間的相互作用產(chǎn)生了一磁極基數(shù)，如表1，2和3所示。圖34極48定子與不同轉(zhuǎn)子槽數(shù)的槽諧波電流值（NumberofRotorSlot轉(zhuǎn)子槽數(shù)AmplitudeofSlotHarmonic槽諧波振幅）表1諧波磁極對(duì)數(shù)與基磁動(dòng)勢(shì)和（44轉(zhuǎn)子和48定子）槽磁導(dǎo)波來(lái)源磁極對(duì)數(shù)相互作用轉(zhuǎn)子槽44444444444444定子槽48484800-48-48基磁動(dòng)勢(shì)22-22-22-2諧波磁極對(duì)數(shù)247452321-1-3表2諧波磁極對(duì)數(shù)與基磁動(dòng)勢(shì)和（48轉(zhuǎn)子和48定子）槽磁導(dǎo)波來(lái)源磁極對(duì)數(shù)相互作用轉(zhuǎn)子槽48484848484848定子槽48484800-48-48基磁動(dòng)勢(shì)22-22-22-2諧波磁極對(duì)數(shù)2494725231-1表3諧波磁極對(duì)數(shù)與基磁動(dòng)勢(shì)和（52轉(zhuǎn)子和48定子）槽磁導(dǎo)波來(lái)源磁極對(duì)數(shù)相互作用轉(zhuǎn)子槽52525252525252定子槽48484800-48-48基磁動(dòng)勢(shì)22-22-22-2諧波磁極對(duì)數(shù)25149272531表中表示了在不同諧波磁極對(duì)數(shù)間的6種可能的相互作用。表中的第一行為轉(zhuǎn)子槽磁導(dǎo)的磁極對(duì)數(shù)；第二行為定子槽磁導(dǎo)的磁極對(duì)數(shù)，正數(shù)表示加法，負(fù)數(shù)表示減法，DC氣隙磁導(dǎo)用0表示。槽組合與斜度使槽傾斜可以減小槽諧波分量的大小。圖4為斜度和轉(zhuǎn)子槽數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子槽諧波值的影響。當(dāng)這些轉(zhuǎn)子傾斜時(shí)，槽數(shù)為44，48和52的轉(zhuǎn)子的槽諧波分量的大小所受影響不大。但是對(duì)于其余的分量的影響很大。這是因?yàn)橛苫艅?dòng)勢(shì)已感應(yīng)出這些槽諧波電流。圖4有斜度和無(wú)斜度下的、不同槽數(shù)的4極48槽定子的槽諧波的電流值（NumberofRotorSlot轉(zhuǎn)子槽數(shù)；AmplitudeofSlotHarmonic槽諧波振幅；WithoutSkew無(wú)斜度；WithSkew有斜度）從圖1可以看出，磁通感應(yīng)諧波的次越高，則斜度對(duì)相應(yīng)的諧波的影響就越大。槽數(shù)為44，48和52的轉(zhuǎn)子的（槽諧波）分量的變化范圍為17%至23%，然而其它槽數(shù)的轉(zhuǎn)子的分量變化可達(dá)到31%。偏心度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：靜止偏心度會(huì)增加感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的線電流頻譜中的諧波分量，如圖5所示。這是因?yàn)?，靜止偏心度磁導(dǎo)與磁動(dòng)勢(shì)和磁導(dǎo)波的相互影響會(huì)使槽諧波頻率產(chǎn)生附加的空間諧波分量。這些分量會(huì)增加槽諧波的大小。圖5不同偏心度下的槽諧波大小[Eccentricity偏心度；SlotHarmonic（%Fundamental）槽諧波值（%基頻）；Measured測(cè)量值Calculated計(jì)算值]槽組合斜度和偏心度圖6為一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（定子槽數(shù)為48、封閉槽數(shù)為56及40的傾斜的轉(zhuǎn)子）的槽諧波計(jì)算值。可以看出，偏心度越大，槽諧波也就越大。圖6電動(dòng)機(jī)（定子槽數(shù)為48、封閉槽數(shù)為56及40的傾斜的轉(zhuǎn)子）在不同偏心度下的槽諧波大小[Eccentricity偏心度；SlotHarmonic（%Fundamental）槽諧波值（%基頻）;56ClosedSlotRotor56槽封閉轉(zhuǎn)子;40ClosedSlot,SkewedRotor40槽帶斜度的封閉轉(zhuǎn)子]通常，轉(zhuǎn)子棒總數(shù)為奇數(shù)的轉(zhuǎn)子不是首選，然而這種情況還是存在。磁動(dòng)勢(shì)與定子和轉(zhuǎn)子槽磁導(dǎo)波之間的相互影響導(dǎo)致了一磁通波。槽數(shù)為奇數(shù)的轉(zhuǎn)子不能在定子繞組中產(chǎn)生槽諧波電流，這是因?yàn)楫a(chǎn)生的空間諧波的分?jǐn)?shù)諧波。圖7為4極48定子槽的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)子槽數(shù)、在0%和25%的偏心度下的槽諧波值。注意：槽數(shù)為奇數(shù)（3的倍數(shù)除外）的轉(zhuǎn)子已產(chǎn)生較弱的槽諧波電流。圖74極48定子槽的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)子槽數(shù)、在不同偏心度下的槽諧波值（NumberofRotorSlot轉(zhuǎn)子槽數(shù)；AmplitudeofSlotHarmonic槽諧波振幅；25%Eccentricity25%的偏心度；NoEccentricity零偏心度）圖8為一用逆變器供電的、轉(zhuǎn)子槽數(shù)為57的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的線電流頻譜的一部份。圖8用逆變器供電的、轉(zhuǎn)子槽數(shù)為57的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的線電流頻譜[Frequency頻率；SlotHarmonic（%Fundamental）槽諧波值（％基頻）]不同轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的試驗(yàn)表4列出了試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子的類型。48槽定子用于所有的情況。表5總結(jié)了試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在不同負(fù)載下的頻譜分量。表4試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的特性轉(zhuǎn)子編號(hào)槽數(shù)斜度封閉R1401槽距是R256無(wú)半封閉R3561槽距是R456無(wú)是表5試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在不同負(fù)載下的槽諧波轉(zhuǎn)子負(fù)載基頻轉(zhuǎn)子槽諧波值轉(zhuǎn)子槽諧波％槽諧波頻率空載24.170.120.49946R1半負(fù)載31.20.250.54943滿載51.60.410.79939空載21.50.793.671448R2半負(fù)載320.872.711442滿載51.91.172.251432空載18.950.0710.371448R3半負(fù)載29.90.1280.421440滿載51.40.230.441433空載20.50.532.581449R4半負(fù)載310.632.031440滿載51.50.981.901432圖9表明了這些分量與負(fù)載的關(guān)系。R2 （半封閉轉(zhuǎn)子）和R4（封閉轉(zhuǎn)子）的負(fù)載下的性能在2.25%和1.90%基頻時(shí)隨槽諧波變化相似。在空載且飽和較低時(shí)，封閉槽的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的槽諧波為基頻的2.58%，而半封閉槽的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的槽諧波為基頻的3.67%。圖9測(cè)試轉(zhuǎn)子的槽諧波隨負(fù)載的變化[Load負(fù)載；AmplitudeofSlotHarmonic槽諧波振幅；56Slot，Closed56槽，封閉;56Slot,Closed，Skewed56槽，封閉,帶斜度;56Slot,Semi-closed56槽，半封閉;40Slot,Closed，Skewed40槽，封閉，帶斜度]轉(zhuǎn)子R3為56槽的帶斜度的轉(zhuǎn)子，與