变频异步电动机转子槽研究综述

摘 要：为了提高变频异步电动机的性能，除了变频器本身不断改进提高外，变频电机的改进设计也在不断的研究中。文章主要综述了在变频异步电动机中的槽配合、槽形选择、槽形尺寸设计以及各种常用转子槽形的特点，接着对目前转子槽的研究热点进行了探讨，并展望转子槽的研究方向。

关键词：变频异步电动机；转子槽数；转子槽形

引言

变频电源供电的异步电动机与工频正弦波供电的异步电动机的主要区别为两方面。一方面是变频电源供电的异步电动机是在低频到高频的宽频范围内运行的，另一方面是变频电源输出波形是非正弦的。电源输出波形中除了基波外还有谐波分量。由于变频供电谐波对异步电动机的影响较大，为了提高变频异步电动机的性能，除了变频器本身不断改进提高外，变频电机的改进设计也在不断的研究中。其中，转子槽是电机机电能量转换的主要载体，在变频异步电动机中起着关键作用。在电机运行时，变频电源中的各次谐波会在导体中产生集肤效应，使导体有效截面积减少，电阻增大，造成损耗增大。电源高次谐波产生的旋转磁场与转子的转差较大，所以由于谐波引起的集肤效应转子损耗是不可忽略的，再加上变频异步电动机采用降频降压软起动方式。所以变频异步电动机中转子槽的设计思想不仅发生变化，而且变得尤为重要。

1 转子槽数设计的变化

在变频异步电机中，从异步和同步附加转矩的方面来考虑，谐波电流的存在对定转子槽数配合的选择没有影响，仍可采用普通异步电机的槽数配合来减小同步和异步附加转矩。同步附加转矩的槽配合如表1。异步附加转矩的槽配合为选择恰当的定、转子槽数间的比值或者斜槽来降低KvKskv2的积值。其中Kv为v次空间谐波转子的耦合系数，K■=■，Kskv为v次空间谐波转子的斜槽系数。不过，选择实现5/6短矩系数的槽数，可以大大削弱5次谐波和7次谐波产生的附加转矩影响。

从脉动转矩方面来考虑，虽然脉动转矩的平均值为零，但是它会使电机的角速度发生波动，使电机产生振动和噪声，特别是低频时，电动机甚至有步进感。所以，定转子槽配合主要避免一阶定转子齿谐波产生的低阶力波（如表2所示）。选择电机槽数时应使激振力波的频率避开电动机的固有频率。防止电机发生共振[1]。

转子槽数与定子槽数的配合对异步电机影响是多方面的，包括电机功率因数、附加损耗、电磁噪声、附加转矩等方面。在变频异步电动机中，定转子槽数配合不当会由于变频电源中的高次谐波的作用而变得更严重。设计电机时应综合考虑各方面的因素，按全局最优的观点正确选择合理的定转子槽数配合。

2 转子槽形设计的变化

变频异步电动机采用降频降压软起动，具有既可以提高起动力矩，又可以降低起动电流的优点。因此，在电机设计时无需过多的考虑电机的起动性能。由于变频器输出的谐波分量使转子的集肤效应影响比重增大，而集肤效应的强弱取决于转子电流的频率和槽形尺寸。因此，在变频异步电动机设计时，应特别注意转子槽形的选择，最大限度地减少集肤效应的影响，设计出集肤效应小的转子槽形。

2.1 电机转子槽形选择的变化

在异步电机中，常用的转子槽形有平底槽、圆底槽、梨形槽、凸型槽、刀型槽、双笼型槽、闭口槽。其中平底槽、圆底槽、梨形槽为平行齿半闭口槽。

2.1.1 平行齿。平行齿的转子槽可以将槽型的面积充分的利用，使得齿部的磁密分布得很均匀，电机运行能力好。具有平行齿的转子槽形电机电气性能基本相似，平行齿梯形槽为半闭口槽，半闭口槽的槽开口较小，有利于铁心表面损耗、齿部损耗的减小，同时还可以减小气隙系数和励磁电流，增加槽面积利用率，同时由于槽绝缘的弯曲程度小，不易破损。

2.1.2 平行槽。虽然平行槽齿根的磁密比较大，造成磁密不均匀的现象，并且机械强度也非常差。但是平行槽的启动电阻以及启动漏抗都比平行齿梯形槽大，集肤效应比平行齿的槽形显著，采用平行槽还可以提高启动转矩。所以，在异步电机中，平行槽更有利改善起动性能。

2.1.3 凸形槽。槽上半部近于平行槽，下半部为平行齿。在异步电机中，其突出优点是集肤效应显著，能降低起动电流，改善起动性能，但是凸形槽形状复杂，冲模加工困难。

2.1.4 刀形槽。较凸形槽而言，便于冲模加工并保留凸形槽的优点。

2.1.5 双笼槽。双笼槽是可以分为上笼和下笼两种结构形式的，根据结构又可以分为好多种。不仅调整起来非常的灵活，而且启动转矩比较高，启动的电流非常低。不过双笼槽在结构方面比较复杂，特别是上笼和下笼之间过渡槽的设计、高度与气动性能之间的关系。

2.1.6 闭口槽。闭口槽能简化冲模制造，削弱齿槽效应和集肤效应，减少电机的附加损耗，增加转子的槽漏抗。

普通异步电动机常采用集肤效应较为显著的平行槽、凸形槽、刀形槽来获得较好的启动性能，变频异步电动机应选择集肤效应小的槽形来抑制电源谐波带来的影响，而集肤效应较差的双笼形槽结构复杂，一般不予考虑。所以变频器供电的异步机中常用平行齿的转子槽形。采用平行齿梯形槽不仅可以使集肤效应影响降低，而且其槽口漏磁导率不受转子频率及集肤效应的影响，增大槽口漏磁导率可以提高转子各谐波作用下的漏抗，在电压型变频器供电电动机能抑制高次谐波。

对于闭口槽的使用，分两种状况分析。在中小型变频异步电动机中，转子采用闭口槽既可增大槽漏抗、抑制高次谐波电流、降低脉动转矩，又可以降低损耗、减少振动噪声。在中大型变频异步电动机中，由于最大转矩与转子基波漏抗成反比，当采用闭口槽，槽漏抗增加时，电动机的最大转矩将减小，这在中小型变频电机中并没有上升为主要矛盾，但对于最大转矩有较高要求的异步电动机而言，闭口槽并不适用。此时，转子不采用闭口槽。

在异步电动机中，除了选择合适的槽形来满足电动机性能设计要求，还采用斜槽来削弱谐波磁场引起的附加转矩和电磁噪声。但是，在变频异步电动机中，附加转矩主要是由各次谐波产生的。采用斜槽反而会造成漏磁增加，磁场扭转损耗增加。所以变频异步电动机中采用直槽。

在变频异步电动机中，为抑制高次谐波损耗的增加，转子常采用半闭口槽、闭口槽，还常采用磁性槽楔来减小谐波磁势引起的附加损耗和其他不良影响。

2.2 转子槽形尺寸变化

2.2.1 转子槽形面积尽可能大。在传统电机设计中通常采用增大转子电阻来得到较大的起动转矩和较小的起动电流，而变频电机的设计不需要考虑电机的起动特性，所以转子槽面积可以尽可能的大，转子槽的面积直接影响到转子的铜损耗以及电机的效率。这样可以减小转子电阻，降低转子基波铜损耗以弥补高次谐波引起的损耗，提高电机效率。

2.2.2 转子槽形宜浅不宜深。在电压型变频器供电异步电动机中，抑制高次谐波应增加电机总漏抗，但由于谐波频率较高，集肤效应显著，转子漏抗在转子频率增加时会迅速减小。所以转子槽形设计尽量避免瘦长型。在转子最大磁通密度允许的情况下，尽可能把转子槽形设计得宽而浅。

2.2.3 转子槽形为上宽下窄形。这样可以获得更好的平行齿性能，降低集肤效应的影响。

3 转子槽热点研究

3.1 研究转子槽形尺寸对性能的影响

转子槽形尺寸对于电动机的一系列性能参数如起动电流、起动转矩、最大转矩、起动过程中的转矩、转差率、转子铜耗、功率因素、效率、温升等都有较大的影响。此外，槽的各个部分尺寸对这些技术参数又有程度不同、性质不同的影响。文献[3]在保持转子导条面积不变的前提下，改变转子槽形的尺寸，并分析两种槽形尺寸的转子在额定功率下的温度场。计算结果得出了转子槽改变为浅而宽的槽形后，转子导条铜损耗降低。文献[4]分析求解不同尺寸转子槽的谐波铜耗，并分析槽形尺寸变化与转子谐波铜耗之间的关系。

3.2 槽形尺寸的优化设计

由于槽形尺寸对电机性能的影响，许多学者研究了关于槽形尺寸的优化设计来提高电机的性能。文献[5]主要是通过有限元法来计算变频电动机在稳态运行时的槽参数，并对转子槽形进行了优化设计，设计出集肤效应小的转子槽形。

3.3 对特殊槽形的设计改进分析

文献[6]采用特殊形状的U形铁心桥来减少转子绕组损

耗，并利用理论研究与数值计算兼顾的一种方法来对U形铁心桥优化设计。

3.4 转子槽相关参数的计算研究

在变频异步电动机中，由于变频电源谐波的影响，集肤效应对电动机的影响变大。而准确地计算电机转子集肤效应系数在异步电机设计、运行性能分析中都具有重要的意义。文献[7]对转子常用槽形的集肤效应进行分析研究，提出了一个基于神经网络的电机转子槽集肤效应系数预测模型。

4 展望

电机设计中，转子槽设计的改变旨在提高变频异步电动机的性能，而转子槽对于电机的影响是多方面的。所以，对于转子槽的研究还可以从多方面进行深入研究。在关于槽配合的讨论主要从附加转矩角度，可以从附加损耗、电磁噪声等角度来进行进一步探讨。可以尝试在考虑高次谐波集肤效应影响下，转子槽漏抗等转子参数进行计算研究。

参考文献

[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2011，1（2）.

[2]戴文进.张景明，等.电机设计[M].北京：清华大学出版社，2010，6（1）.

[3]刘琳琳，戈宝军，张志强.变频电动机转子三维温度场计算及槽形影响分析[J].

[4]辛本雨.降低谐波铜耗的变频调速异步电机转子槽设计[D].重庆：重庆大学，2009.

[5]曹君慈.变频电动机正弦时变场的有限元分析及优化设计

[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2004.

[6]何春波，刘生.变频调速异步电动机转子槽优化设计[J].防爆电机，2007，42（1）.

[7]方瑞明.利用神经网络预测高速变频电机转子闭口槽集肤效应系数[J].电机与控制学报，2005，9（2）.

作者简介：许艳敏（1989-），女，福州大学在读硕士研究生，研究方向：新型电机。