5.5实心转子异步电动机的派生结构及性能改进

前面已经阐明，实心转子异步电动机有起动品质好等许多优良特性，但其利用系数（出力）+高，光滑实心转子电机仅能达到笼型转子的50%左右，且效率和功率因数较低，在小转差运行时更显突出。因此，在光滑实心转子的基础上，人们提出了许多派生结构和改进措施。现在常用且效果较好的，归纳起来可分为三种，即转子表面开槽；转子两端加良导体端环；或是开槽和端环的结构。至于开槽铸铝、幵槽加笼型铜条，或是转子表面加铜或铝复盖层(镀或镶套）等，已属于复合转子的范畴。

1.转子表面开轴向窄槽的参数计算和性能分析

实心转子表面开槽有两种型式，一种是开轴向窄槽；一种是沿轴向开环形槽。后者将在复合转子一节中介绍。上世纪20年代，前苏联学者塞费尔（me_H扣p)就设想在实心转子表面均匀铣出轴向槽以改善实心转子异步电动机的运行性能，近20年来，在理论研究和实验工作中的成果，使t述设想得到证实。

1.转子开轴向窄槽
后的磁场分布利用有限元法求得开槽实心转子磁力线分布，如图5-9所示。从图可见，幵槽后实心转子异步电动机的磁场分布更加复杂。

图5-10是将图5-9虚线框内的磁场图放大，并将磁力线密度增加一倍，可以更清楚地显示齿槽区域磁力线分布的基本特点：大部分磁力线沿齿槽轮廓线闭合；—部分磁力线越过槽部，其数量与转差率s有关。s较大时，磁力线集中在铁心表面处，穿越槽部的磁力线数较多；在槽下面铁轭区中的磁力线密度低于齿部上层处。

根据这些特点，可釆用等效磁路法来计算开槽实心转子异步电动机的参数和性能。

2.用等效磁路法计算开槽实心转子的参数
(1)等效磁路的确定

为了便于阻抗计算，将图5-9齿槽区域的磁力线分布图近似地

画成如图5-11的示意图，并进一步简化，如图5-llb所示。磁力线经过的途径分为齿区（C〉、槽区（S)和轭区（F)。经过轭区的磁通透入深度可按下式计算：当△ < /i时A\ = A当△ > /i时

(5-29)

这样，齿槽的等效磁路如图5-12a，相应的等效电路如图5-12b。

(2)等效阻抗计算

1)齿区（C) 取磁路长等于齿宽，透入深度为单位轴向长度的阻抗A为Zc=以人)-jUrt + jU 图5-10佐槽区域的磁力线分布图a) = 1.0 h) s = 0.2(5-30)式中A：rt、A：xt——开槽转子的电阻和电抗修正系数，考虑到开槽转子的漏抗较大，可取#：rt= 1.35,心=1.0,于是外=36.50〇

2)轭区(F)磁路长度取该区外轮廓线的平均值，透人深度

3)槽区(S)这是求取开槽转子特有的槽漏抗A。由图5-llb可知，磁力线基本t是沿槽轮廓线闭合的。为计算方便，假设沿边 界oiafc/的磁场强度//不变。由于横过槽的漏磁力线平行于槽底，漏磁途径的长度为6,则在高度y处的槽漏磁密为_/A)(2_y+6)///6,单位轴向长度的槽漏磁链

对应于槽区的单位轴向长度漏电抗(槽漏抗）

X_s = cuL_s = SO)! y = fi₀s〇}_X ~^^2h   (5-32)

式中f=(t+2h)H——漏磁链齿区总电流。

整个齿槽区的阻抗

式中——开槽实心转子的端部系数。这时，式(5-8)中的r以 r_s代入，式中Z₂——转子表面开槽的数目。

从式(5-33)可见，幵槽实心转子的阻抗小于光滑实心转子的，但阻抗角增大。折算至定子侧的开槽实心转子阻抗(5-35)

3.转子开槽对电机性能的影响

总的说来，转子开槽的影响在整个转速范围内均存在，但对小 转差运行时性能有较大的改善，具体表现为：在同一转差率下，由于开梢实心转子表面的有效区域增 力口，其转子阻抗减小，从而可提高电机的出力。在相同_s下，开槽实心转子内部漏抗增加和槽漏抗的存在，阻抗角p_2t>妁，随着S增大，增大，办增大。一般办=36.5。〜39°。cosy取决于励磁电流和?)_2t，在小s时，前者起主要作用，在大s时，后者起主要作用。因小s时，开槽实心转P阻抗较小，/₂较大，使/i增大，增大，使感应电动势A减小，励磁电流较小，结果，使开槽实心转子感应电动机具有较大的输入电流、电磁功率和_C〇S(p。当_S较大时，尽管上述现象依然存在，但励磁电流已不是影响cosp的主要因素，由于<p_2t较大，使cosp略有下

2.转子两端加良导体端环的参数计算和性能分析

1.加良导体端环后转子磁场分布

实心转子异步电动机的出力较小、功率因数较低，是由于其转子阻抗A和外大。而影响么大小的重要因素之一是由于转子中感应的涡流，在转子本体内自行闭合，存在着强烈的切向电流分量(还有较小的径向电流分量），如图5-8所示。

1.降，但其输入电流、电磁功率仍大于光滑实心转子电机。

2.转子开槽性能的改善，还有赖于选用合理的参数（槽数、槽尺寸)。计算分析表明，对于主要在小转差运行的电机，幵槽的最佳参数有如下的规律，可供参考。最佳槽数Z2/2p=5〜15。

 最佳槽深=0.01〜0.015m。

最佳槽宽 6 = (0.05 〜0*015)~ = 0.001 〜0.003ni。

是通过端环闭合，如图5-13所示。端环为非铁磁性材料周围又是空气，这样，使端部电抗大大减小，等效于端部系数仏减小，从而使么下降，提高了电机的出力和力能指标。

2.参数计算

下面只讨论端部系数和端环电阻的计算，
其余部分与光滑实心转子相同。

(1)端部系数计算转子本体端部系数^=(1+^9x^t）    (5*36)

式中〜、Pc——分别为转子本体铁磁材料和端环材料的电阻率，都应换算到工作温度KY)时之值，并且认为本体与端环的温度相同。

A1 = a^/l + (Le + 2CJ

Ck——端环的轴向长度；

Le  定子铁心长度，Le= M。

如果转子本体长度L2> Le= M，则式(5-36)应改为式中Sk= Ckx6k为端环截面积(见图5-14)。折算到定子侧端环电阻pc. (5-39)

折算到定子侧转子本体电阻m\(N^ ^dpi)2 LeRy= s~ 7t/)2^r/Cer (5"40)折算到定子侧转子本体电抗

3.转子两端加良导体端环并开轴向槽的参数计算与性能分析

这种结构兼有开槽和加端环两种实心转子的特点，也就综合有这两种特件。结构参数的选择原则如前所述。在参数计算中，端部系数

5.5.4铁铜（Fe-Cu)合金实心转子异步电动机

前述是从改进转子的结构来提髙实心转子电机的出力和改善性能。若转子本体采用合适的材料，也是一条有效途径。电磁场分析和参数计算表明，转子铁磁体选用一般钢材（从10号〜45号钢），其&偏大而a偏小，从而使转子的电阻、电抗都较大，电机的出力减小。因此，希望能有一种最佳磁导率的材料，当起动和大转差运行时，20 ~ 30，而在小转差运行时50〜80,电导率_^T = (1.5〜2•0)(7_Fe。目前，这种材料可釆用15%〜25%铜的Fe—Cu合金。其生产工艺有两种：一种是采用粉末冶金，能保证铁、铜的含量且比较均匀，适用于功率小批量大的电机；另一种是熔炼工艺，适用于功率较大的电机。由于铁、铜两相不很相容，要使二者均匀地结合，在工艺上有一定难度。计算和试验表明，同一台电机，转子改用Fe»Cu合金后，电机出力可提高20%以上。