1、項目背景

斜槽鼠籠式異步電機和凸極同步電機的轉子導條之間由于沒有足夠的絕緣處理存在經過鐵心的橫向漏電流，它使導條和鐵心中的電流分布沿軸向發(fā)生變化，從而影響損耗、轉矩、溫升等一系列電磁和機械行為。鼠籠式異步電機橫向漏電流方面已經取得相當多的研究成果。

橫向漏電流對凸極同步電機阻尼繞組電磁行為的影響，橫向漏電流對轉子溫升的影響，考慮橫向漏電流因素的凸極同步電機磁極設計理論等問題，還有待于開展進一步的研究。

2、論文所解決的問題及意義

從產生機理、橫向接觸電阻及其測量方法、電磁分析模型及算法、對電機性能的影響等方面總結了鼠籠式異步電機橫向漏電流的研究成果。介紹了凸極同步電機中橫向漏電流的形成原因和相關案例。在此基礎上，建議對橫向漏電流相關的設計改進展開深入的研究。

3、論文重點內容

1）橫向漏電流的產生

鼠籠式異步電機運行過程中，轉子導體在時變磁場的作用下產生感應電動勢，并形成轉子電流。大部分轉子電流在導條和端環(huán)中流動，在導條與鐵心間沒有絕緣的條件下，另一部分電流會進入疊片，并通過疊片流入其他導條，形成橫向漏電流。采用斜槽的異步電機橫向漏電流現(xiàn)象比較突出。對于某些特殊用途的異步電機，如果端環(huán)阻抗足夠大，即便采用直槽，也會產生比較明顯的橫向漏電流。

2）影響接觸電阻率的因素

導條與鐵心的接觸電阻是影響橫向漏電流分布的重要因素，而生產工藝是影響導條與鐵心接觸電阻率的首要因素。壓力鑄鋁導條接觸電阻率一般明顯小于離心鑄鋁導條，焊接型轉子接觸電阻率一般比鑄鋁導條的大。生產中對疊片的一些常規(guī)處理工藝，如磷化、氧化等，可以一定程度上提高轉子槽內表面與導條的接觸電阻率。即便采用相同的生產工藝，生產過程中的一些隨機因素也會引起接觸電阻率的差異。

此外，鑄鋁轉子的接觸電阻率還會隨轉子運行溫度的升高而變大。

3）接觸電阻的測量方法

接觸電阻的測量一般在完整的或者切除了端環(huán)的鼠籠上進行。

①完整鼠籠法

圖1給出在完整鼠籠上測量接觸電阻的實驗裝置連接圖。將低壓直流電源接在一個帶有轉軸的轉子上：一端接轉軸；為使電流盡可能平均地流入各導條，另一端接在若干個等間距的風葉上(圖1中選取4個，分別標為I、II、III和IV)。電流通過端環(huán)、導條、鐵心和轉軸形成回路。

圖1完整鼠籠上測量導條與鐵心接觸電阻

完整鼠籠上測接觸電阻方法比較容易實施，但認為各導條分別是一個等電位體可能引起較大的測量誤差。另外，此方法實際上假設總電流在各導條上均勻分配，測量結果也無法完全反映出不同導條接觸電阻的差異性。

②切除端環(huán)法

圖2是兩種典型的去除端環(huán)法測量接觸電阻的示意圖。去除端環(huán)法所測電阻值由實測電壓除以實測電流得到，該實測電阻與導條電阻、接觸電阻和鐵心電阻存在一定的數(shù)學關系。一般認為，鐵心電阻比接觸電阻小很多，基本可以忽略。因此，可以根據(jù)上述數(shù)學關系通過實測電阻求出接觸電阻值。

圖2去除端環(huán)測量導條與鐵心接觸電阻

去除端環(huán)法測量接觸電阻實施難度較高，對鑄鋁型鼠籠是一種破壞性測量方法，但對于焊接型鼠籠可以在安裝好銅條之后、焊接端環(huán)之前進行。另外，由于去除端環(huán)法可逐對在導條上施加電壓，能在一定程度上測出不同導條接觸電阻的差異性。

4）橫向漏電流的計算方法

①解析法

在早期的研究中，解析法是在計算機計算能力有限的情況下，基于各種簡化和假設建立的，其準確度有限。盡管如此，多段級聯(lián)電路的思想為后來發(fā)展起來的比較實用且準確的多截面場?路耦合二維時步有限元方法奠定了理論基礎。圖3為橫向漏電流的分布式解析模型。

圖3橫向漏電流的分布式解析模型

②三維有限元法

橫向漏電流引起的轉子電流和磁場軸向變化相當復雜，又考慮到電機端部磁場對橫向漏電流的影響，采用三維有限元模型是分析橫向漏電流電磁行為最直接、準確的方法。而要完整、準確地計及各種時間和空間諧波的電磁效應，特別是齒槽效應對橫向漏電流的影響，需要能夠反映轉子轉動過程的三維時步有限元模型。

然而三維時步有限元的計算量對于當今任何個人計算機來講都是巨大的，因此，橫向漏電流的三維有限元分析多數(shù)采用簡化的模型。

③多截面二維有限元法

為避免三維有限元方法巨大的計算量，并盡可能不降低模型的準確度，二維多截面場?路耦合時步有限元分析得以廣泛應用。其具體做法是：將電機沿軸向分成若干層，假設每一層內是直槽，磁場不隨軸向變化；為模擬斜槽效應，各層的轉子部分繞電機軸線偏轉一定的角度。各層內的磁場通過計及橫向漏電流的電路耦合。多截面場?路耦合有限元方法中一種計及橫向漏電流的鼠籠電路模型如圖4所示。

圖4計及橫向漏電流的多截面鼠籠電路模型

④各種計算方法總結

表1總結了上述各種計算方法的特點。在異步電機橫向漏電流研究工作的初期，人們利用解析法建立了對橫向漏電流的一些基礎認識。隨著計算機運算能力的提升，能夠更加完整地反映橫向漏電流相關電磁現(xiàn)象的有限元方法已經成為相關研究中不可或缺的工具。

表1異步電機橫向漏電流計算方法

5）橫向漏電流的影響

①雜散損耗

A.當接觸電阻值趨近于導條電阻的數(shù)量級或者接近絕緣的數(shù)量級時，鼠籠諧波損耗都比較小，而在絕緣條件下更小；

B.當接觸電阻值在上述兩種極端情況之間時，鼠籠諧波損耗對接觸電阻的變化相當敏感，隨著接觸電阻值的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在某個接觸電阻值條件下達到峰值；

C.在不同的轉子斜槽度條件下，鼠籠諧波損耗隨接觸電阻的變化都呈現(xiàn)上述趨勢，并且當接觸電阻值在兩種極端情況之間時，斜槽度越大，鼠籠諧波損耗越高；

D.鼠籠基波損耗受接觸電阻和斜槽度的影響較小。將基波和諧波成分相加得到的鼠籠總損耗隨接觸電阻和斜槽度的變化趨勢與鼠籠諧波損耗的變化趨勢一致。

②轉矩

鼠籠式異步電機的啟動轉矩在轉子槽絕緣較好和較差的條件下較小。橫向漏電流對啟動轉矩的影響如圖5所示。在較小的接觸電阻條件下，轉子各層對啟動轉矩的貢獻相對平均；在較大的接觸電阻條件下，轉子各層對啟動轉矩的貢獻差異很大，甚至出現(xiàn)了相互抵消的現(xiàn)象，從而解釋了轉子槽絕緣較好和較差的條件下前者的啟動轉矩小的原因。

圖5不同接觸電阻條件下異步電機轉子軸向各處產生的啟動轉矩(5層多截面有限元模型計算結果)

6）凸極同步電機中的橫向漏電流問題

①凸極同步電機中的橫向漏電流現(xiàn)象

凸極同步電機的阻尼繞組和異步電機的轉子鼠籠具有相似的結構。為抑制定子齒諧波，凸極同步電機也經常采用斜槽技術，其阻尼繞組中也常常不可避免地存在橫向漏電流。一般的同步電機在正常運行時，阻尼繞組電流比較小，然而在以下特殊情況下卻相當大，且持續(xù)時間較長，需要格外關注。

A.某些低速水輪發(fā)電機轉速很低，極數(shù)很多，直徑往往比較小，每極每相槽數(shù)比較小。這可能造成相當大的阻尼繞組齒諧波電流。

B.同步電機在偏心、不對稱負載等狀態(tài)下長時間運行，阻尼繞組中形成的電流不容忽視。

C.同步發(fā)電機的低頻振蕩、同步電動機直接啟動等暫態(tài)過程中形成的阻尼繞組電流也不容忽視。

②橫向漏電流引起的轉子局部異常溫升

由于氣隙不均勻，凸極同步電機各阻尼條的電流本來就不相等，而橫向漏電流可能加劇這種不均勻分布(包括不同導條之間電流的差異、單根導條軸向不同位置電流的差異以及鐵心中不同位置橫向漏電流的差異)，從而造成轉子局部過熱。

圖6給出了北美某水電站發(fā)電機磁極故障的一個典型案例。一根阻尼條周圍出現(xiàn)不均勻燒熔，其中靠近端部的燒熔比中部嚴重。在公開的報道中，魁北克水電公司在對一臺斜槽水輪發(fā)電機不同磁極的溫度監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，各磁極表面的溫度分布出現(xiàn)了明顯的差異，而對一臺直槽水輪發(fā)電機的溫度監(jiān)測中卻沒有發(fā)現(xiàn)這種差異。這些案例說明凸極同步電機轉子的局部異常溫升可能與橫向漏電流有關。

圖6某水輪發(fā)電機磁極局部過熱故障

4、展望與結論

橫向漏電流是影響鼠籠式異步電機運行性能的重要因素之一。未來的研究還需要深入分析橫向漏電流條件下交流電機轉子的溫升問題，特別是凸極同步電機阻尼繞組和磁極表面的局部異常溫升現(xiàn)象。針對可能出現(xiàn)的交流電機轉子局部過熱故障，探索計及橫向漏電流因素的溫升分析方法，為提高轉子可靠性改進傳統(tǒng)的轉子結構設計理論，特別是凸極同步電機的磁極和阻尼繞組設計理論。

引文信息

詹陽，孔伉伉，許國瑞，等.交流電機轉子導條間橫向漏電流研究綜述與展望[J].中國電機工程學報,2018,38(7):2132-2143.