合肥工业大学鲍晓华、明帅 等：变频驱动下双斜槽转子感应电机径向电磁力特性分析

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双斜槽转子感应电机具有良好的振动噪声性能，有望成为新能源驱动电机的重要电机类型。针对变频供电时双斜槽转子感应电机振动噪声研究的不足，合肥工业大学科研团队对变频供电下双斜槽转子感应电机的径向电磁力特性展开细致研究，通过理论推导结合有限元仿真表明双斜槽转子结构可以有效削弱变频供电所引入的部分高频径向电磁力，样机的振动实验结果验证了分析的正确性。

研究背景

图1 双斜槽转子实物图

双斜槽转子相较于传统斜槽转子可以进一步降低感应电机的振动噪声并抵消转子轴向力的不利影响，故有望代替传统转子感应电机，成为新能源驱动电机的重要电机类型。变频供电时，输出电压的高次时间谐波分量会恶化电机的振动噪声性能，使得电机产生高频啸叫。目前，针对变频供电时双斜槽转子感应电机振动噪声的研究还存在明显不足。

论文所解决的问题及意义

当前大多数研究主要针对双斜槽转子结构或变频器供电对感应电机振动性能的影响，未对二者同时存在的情况进行过分析。径向电磁力是电机发生振动的重要激励源，针对以上不足，本文对变频供电下双斜槽转子感应电机的气隙径向电磁力展开了细致的研究，分析双斜槽转子结构对变频供电所引入的附加径向电磁力的削弱规律，为双斜槽转子感应电机振动噪声的预测及其故障诊断技术奠定基础。

论文的方法及创新点

1、平均径向电磁力的解析建模

图2 双斜槽转子削弱谐波的原理图

双斜槽转子结构通过上半转子导条和下半转子导条的交错效应，使得两部分转子对应的齿谐波磁场相位相反，这样两部分转子内产生的谐波负作用可以相互抵消。从削弱谐波的基本原理出发，双斜槽转子感应电机在全轴长上的平均径向电磁力可以表现两部分转子对应的平均径向电磁力在电机全轴长上的矢量合成。通过解析计算可以发现双斜槽转子结构可以有效削弱变频供电引入的部分附加径向电磁力。

2、分层有限元仿真验证

图3 变频供电下直槽和双斜槽的径向电磁力的2D-FFT

通过分层有限元仿真得到变频供电下直槽和双斜槽的径向电磁力分布如图3所示，由图可知，主波与附加主波相互作用产生的附加径向电磁力及附加主波与饱和谐波相互作用产生的附加径向电磁力不能被双斜槽削弱，但与附加转子磁导谐波相互作用引入的附加径向电磁力波以及转子谐波与附加定子谐波相互作用产生的径向电磁力波可以被明显削弱，与理论分析相符。

3、样机振动试验

图4 振动试验平台

搭建振动试验平台进行机壳振动试验，可以得出，由于主波与附加主波以及附加主波与饱和谐波的相互作用，在频率为4300 Hz、4500 Hz、4700 Hz、4900 Hz、5100 Hz、5300 Hz、5500 Hz处均出现了较大的振动加速度，但当频率低于4300 Hz时，由于双斜槽转子结构的谐波削弱作用，不同供电方式下双斜槽感应电机的振动加速度频谱基本相同。

结论

本文对变频驱动下双斜槽感应电机的径向电磁力特性进行了研究，研究得出：变频供电不会改变径向电磁力的空间阶次，但会引入新的高频径向电磁力。其中，与变频器引入的附加转子磁导谐波相互作用所产生的径向电磁力及转子谐波与附加定子谐波相互作用所产生的径向电磁力可以被双斜槽结构有效的削弱，因此双斜槽转子结构可以降低变频供电时感应电机发生共振的可能。

团队介绍

合肥工业大学先进电机技术研究所长期致力于电机振动噪声分析与抑制；电机设计理论和技术；电机电磁场理论分析及计算；大型电机及高速电机的可靠性技术等相关方向的研究。 团队在鲍晓华教授的带领下，一直从事各类新型特种电机及其系统的教学及科研工作，并与万得集团、恒大集团、南华集团等进行相关电机项目合作，实现了高效低噪声汽车发电机、高可靠性大功率潜水电机及高功率密度高速电机等技术的产业化 。

本工作成果发表在2023年第10期《电工技术学报》，论文标题为“变频驱动下双斜槽转子感应电机径向电磁力特性分析”。本课题得到国家自然科学基金、安徽省科技重大专项和合肥工业大学智能制造技术研究院2019年度智能网联及新能源汽车技术科技成果转化及产业化专项资金的支持。

引用本文

鲍晓华, 明帅, 陈国玮, 刘佶炜. 变频驱动下双斜槽转子感应电机径向电磁力特性分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2613-2624. Bao Xiaohua, Ming Shuai, Chen Guowei, Liu Jiwei. Analysis of Radial Electromagnetic Force Characteristics of Inverter Drive Double Skewed Rotor Induction Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2613-2624.

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