计算公式的推导忽略端盖、机座壁、铁芯压板等非磁性金属结构件的影响,用气隙电流代替气隙的作用,用镜像电流代替铁磁媒质的作用,将电机端部磁场问题简化为均匀空气媒质中磁场问题,简化后的电机端部如所示。
绕组端面近似由直线部分的通电导体在P点产生的磁场矩形面ABDE和渐伸线部的三角面BCD组成(BCD应为渐开线抛物型,计算表明,采用三角面近似处理误差并不大);设线圈端部ABCDE中流过电流为i,则GA和EF段径向电流(含其镜像)为2i,FG段气隙电流(含其镜像)为2i(2P-β)/(2P),FHG段气隙电流(含其镜像)为2iβ/(2P).
由毕奥2萨法定理,任一通电导体段如在平面ABDE上P点处产生的磁密的大小为B=μ0i4π1d(cosα1+cosα2),(1)式中,d为P点到线段C′D′的距离;α1和α2分别为线段PC′,PD′与线段C′D′,D′C′的内夹角。磁密的方向eB由下式决定:eB=C′B′×C′P/|C′B′×C′P|=eBxi+eByj+eBzk,(2)式中,eBx,eBy和eBz分别为eB在x,y和z轴上的方向分量,可由C′,B′及P三点的坐标确定。
平面ABDE的单位法向矢量n=ED×EA/|ED×EA|=nxi+nyj+nzk.(3)于是通电导体段C′B′在P点产生的ABDE法向磁密Bn=Benn=<μ0i/(4π)>(1/d)(cosα1+cosα2).(4)由此可得通电导体段C′B′产生的穿过平面ABDE的磁通量<=∫SABDEBnds.(5)一般情况下,上式无法给出解析式;但在给定了平面ABDE四点坐标(三角面三点坐标)及C′点和B′点的坐标后,可以通过数值积分法计算;其他各段电流产生的穿过平面ABDE及三角面BCD的磁通量均可采用同样的方法计算,并由此进一步计算线圈端部的磁通量和磁链,最后可以求得绕组端部的电感系数。
计算过程较为复杂。为简化计算过程,将定子圆面展成平面且不考虑端部喇叭口的影响,简化后的矩形面和三角面将同在xoy平面,如所示(有关的点重新编号),现将它们的磁通量分开计算。
三角面磁通量的计算将三角面矩形化分块处理,如中的A′B′C′D′,其中C′和D′分别落在CF和DF上,A′B′和B′C′边垂直于y轴,用式(6)~(10)计算各分块矩形面的磁通量,之后,可以方便地求得整个三角面的磁通量<2。
计算表明,分块数量不用太多,即可获得较好的精度。采用式(6)和(7)计算气隙电流及其镜像产生的磁通量时,不同的气隙段应以不同的电流代入。于是,线圈两个端面的磁通总量为:<=2(<1+<2);若线圈的匝数为N,则可通过公式l=N2 端部电感系数的计算与测量专门绕制了定子绕组线圈和测量线圈对一交流绕组端部的自感、互感系数进行了计算和测量,测量线圈采用了非常细的漆包线,其形状和定子线圈端部的形状相同,将测量线圈嵌入定子线圈端部内并扎紧,如所示;转子铁芯内无图3测量线圈示意图导体。计算时假设线圈电流集中在槽的中心位置;在计算线圈自感时,将线圈等效为圆线棒,线圈端面的磁链计算面取圆线棒内表面围成的面积,圆线棒的内磁链引起的内电感为μ0le/(8π)(le为端部的长度).
采用式(1)~(5)等的数值计算法为方法一,采用式(6)~(10)等的解析计算法为方法二。计算和测量结果。表1线圈端部参数计算和测量结果(×10-4H)两线圈相隔的槽距0123456方法一结果气隙电流及其镜像的位置对计算结果的影响较大,计算时可以认为气隙电流集中在气隙中心线上;开槽转子(包括凸极转子)的等效气隙用卡氏系数修正。
当两线圈距离较近时,两种方法的计算结果均与实测结果接近。两线圈距离较远时,方法二的误差增大;不过,由于其数值相对较小,对进一步所要计算的相与相之间的漏感系数影响不大。采用解析与数值相结合的方法计算交流电机端部漏感系数时,由于基本上消除了计算过程的误差,因此可以获得较好的结果。若将定子圆面展成平面,并不考虑端部喇叭口时,则本文所给出的有关公式可以使计算过程大为简化,同时其误差并不大。