交流电机转子导条间横向漏电流研究综述与展望

1、项目背景

斜槽鼠笼式异步电机和凸极同步电机的转子导条之间由于没有足够的绝缘处理存在经过铁心的横向漏电流，它使导条和铁心中的电流分布沿轴向发生变化，从而影响损耗、转矩、温升等一系列电磁和机械行为。鼠笼式异步电机横向漏电流方面已经取得相当多的研究成果。

横向漏电流对凸极同步电机阻尼绕组电磁行为的影响，横向漏电流对转子温升的影响，考虑横向漏电流因素的凸极同步电机磁极设计理论等问题，还有待于开展进一步的研究。

2、论文所解决的问题及意义

从产生机理、横向接触电阻及其测量方法、电磁分析模型及算法、对电机性能的影响等方面总结了鼠笼式异步电机横向漏电流的研究成果。介绍了凸极同步电机中横向漏电流的形成原因和相关案例。在此基础上，建议对横向漏电流相关的设计改进展开深入的研究。

3、论文重点内容

1）横向漏电流的产生

鼠笼式异步电机运行过程中，转子导体在时变磁场的作用下产生感应电动势，并形成转子电流。大部分转子电流在导条和端环中流动，在导条与铁心间没有绝缘的条件下，另一部分电流会进入叠片，并通过叠片流入其他导条，形成横向漏电流。采用斜槽的异步电机横向漏电流现象比较突出。对于某些特殊用途的异步电机，如果端环阻抗足够大，即便采用直槽，也会产生比较明显的横向漏电流。

2）影响接触电阻率的因素

导条与铁心的接触电阻是影响横向漏电流分布的重要因素，而生产工艺是影响导条与铁心接触电阻率的首要因素。压力铸铝导条接触电阻率一般明显小于离心铸铝导条，焊接型转子接触电阻率一般比铸铝导条的大。生产中对叠片的一些常规处理工艺，如磷化、氧化等，可以一定程度上提高转子槽内表面与导条的接触电阻率。即便采用相同的生产工艺，生产过程中的一些随机因素也会引起接触电阻率的差异。

此外，铸铝转子的接触电阻率还会随转子运行温度的升高而变大。

3）接触电阻的测量方法

接触电阻的测量一般在完整的或者切除了端环的鼠笼上进行。

①完整鼠笼法

图1给出在完整鼠笼上测量接触电阻的实验装置连接图。将低压直流电源接在一个带有转轴的转子上：一端接转轴；为使电流尽可能平均地流入各导条，另一端接在若干个等间距的风叶上(图1中选取4个，分别标为I、II、III和IV)。电流通过端环、导条、铁心和转轴形成回路。

图1完整鼠笼上测量导条与铁心接触电阻

完整鼠笼上测接触电阻方法比较容易实施，但认为各导条分别是一个等电位体可能引起较大的测量误差。另外，此方法实际上假设总电流在各导条上均匀分配，测量结果也无法完全反映出不同导条接触电阻的差异性。

②切除端环法

图2是两种典型的去除端环法测量接触电阻的示意图。去除端环法所测电阻值由实测电压除以实测电流得到，该实测电阻与导条电阻、接触电阻和铁心电阻存在一定的数学关系。一般认为，铁心电阻比接触电阻小很多，基本可以忽略。因此，可以根据上述数学关系通过实测电阻求出接触电阻值。

图2去除端环测量导条与铁心接触电阻

去除端环法测量接触电阻实施难度较高，对铸铝型鼠笼是一种破坏性测量方法，但对于焊接型鼠笼可以在安装好铜条之后、焊接端环之前进行。另外，由于去除端环法可逐对在导条上施加电压，能在一定程度上测出不同导条接触电阻的差异性。

4）横向漏电流的计算方法

①解析法

在早期的研究中，解析法是在计算机计算能力有限的情况下，基于各种简化和假设建立的，其准确度有限。尽管如此，多段级联电路的思想为后来发展起来的比较实用且准确的多截面场路耦合二维时步有限元方法奠定了理论基础。图3为横向漏电流的分布式解析模型。

图3横向漏电流的分布式解析模型

②三维有限元法

横向漏电流引起的转子电流和磁场轴向变化相当复杂，又考虑到电机端部磁场对横向漏电流的影响，采用三维有限元模型是分析横向漏电流电磁行为最直接、准确的方法。而要完整、准确地计及各种时间和空间谐波的电磁效应，特别是齿槽效应对横向漏电流的影响，需要能够反映转子转动过程的三维时步有限元模型。

然而三维时步有限元的计算量对于当今任何个人计算机来讲都是巨大的，因此，横向漏电流的三维有限元分析多数采用简化的模型。

③多截面二维有限元法

为避免三维有限元方法巨大的计算量，并尽可能不降低模型的准确度，二维多截面场路耦合时步有限元分析得以广泛应用。其具体做法是：将电机沿轴向分成若干层，假设每一层内是直槽，磁场不随轴向变化；为模拟斜槽效应，各层的转子部分绕电机轴线偏转一定的角度。各层内的磁场通过计及横向漏电流的电路耦合。多截面场路耦合有限元方法中一种计及横向漏电流的鼠笼电路模型如图4所示。

图4计及横向漏电流的多截面鼠笼电路模型

④各种计算方法总结

表1总结了上述各种计算方法的特点。在异步电机横向漏电流研究工作的初期，人们利用解析法建立了对横向漏电流的一些基础认识。随着计算机运算能力的提升，能够更加完整地反映横向漏电流相关电磁现象的有限元方法已经成为相关研究中不可或缺的工具。

表1异步电机横向漏电流计算方法

5）横向漏电流的影响

①杂散损耗

A.当接触电阻值趋近于导条电阻的数量级或者接近绝缘的数量级时，鼠笼谐波损耗都比较小，而在绝缘条件下更小；

B.当接触电阻值在上述两种极端情况之间时，鼠笼谐波损耗对接触电阻的变化相当敏感，随着接触电阻值的增大，呈现先增大后减小的趋势，并在某个接触电阻值条件下达到峰值；

C.在不同的转子斜槽度条件下，鼠笼谐波损耗随接触电阻的变化都呈现上述趋势，并且当接触电阻值在两种极端情况之间时，斜槽度越大，鼠笼谐波损耗越高；

D.鼠笼基波损耗受接触电阻和斜槽度的影响较小。将基波和谐波成分相加得到的鼠笼总损耗随接触电阻和斜槽度的变化趋势与鼠笼谐波损耗的变化趋势一致。

②转矩

鼠笼式异步电机的启动转矩在转子槽绝缘较好和较差的条件下较小。横向漏电流对启动转矩的影响如图5所示。在较小的接触电阻条件下，转子各层对启动转矩的贡献相对平均；在较大的接触电阻条件下，转子各层对启动转矩的贡献差异很大，甚至出现了相互抵消的现象，从而解释了转子槽绝缘较好和较差的条件下前者的启动转矩小的原因。

图5不同接触电阻条件下异步电机转子轴向各处产生的启动转矩(5层多截面有限元模型计算结果)

6）凸极同步电机中的横向漏电流问题

①凸极同步电机中的横向漏电流现象

凸极同步电机的阻尼绕组和异步电机的转子鼠笼具有相似的结构。为抑制定子齿谐波，凸极同步电机也经常采用斜槽技术，其阻尼绕组中也常常不可避免地存在横向漏电流。一般的同步电机在正常运行时，阻尼绕组电流比较小，然而在以下特殊情况下却相当大，且持续时间较长，需要格外关注。

A.某些低速水轮发电机转速很低，极数很多，直径往往比较小，每极每相槽数比较小。这可能造成相当大的阻尼绕组齿谐波电流。

B.同步电机在偏心、不对称负载等状态下长时间运行，阻尼绕组中形成的电流不容忽视。

C.同步发电机的低频振荡、同步电动机直接启动等暂态过程中形成的阻尼绕组电流也不容忽视。

②横向漏电流引起的转子局部异常温升

由于气隙不均匀，凸极同步电机各阻尼条的电流本来就不相等，而横向漏电流可能加剧这种不均匀分布(包括不同导条之间电流的差异、单根导条轴向不同位置电流的差异以及铁心中不同位置横向漏电流的差异)，从而造成转子局部过热。

图6给出了北美某水电站发电机磁极故障的一个典型案例。一根阻尼条周围出现不均匀烧熔，其中靠近端部的烧熔比中部严重。在公开的报道中，魁北克水电公司在对一台斜槽水轮发电机不同磁极的温度监测中发现，各磁极表面的温度分布出现了明显的差异，而对一台直槽水轮发电机的温度监测中却没有发现这种差异。这些案例说明凸极同步电机转子的局部异常温升可能与横向漏电流有关。

图6某水轮发电机磁极局部过热故障

4、展望与结论

横向漏电流是影响鼠笼式异步电机运行性能的重要因素之一。未来的研究还需要深入分析横向漏电流条件下交流电机转子的温升问题，特别是凸极同步电机阻尼绕组和磁极表面的局部异常温升现象。针对可能出现的交流电机转子局部过热故障，探索计及横向漏电流因素的温升分析方法，为提高转子可靠性改进传统的转子结构设计理论，特别是凸极同步电机的磁极和阻尼绕组设计理论。

引文信息

詹阳，孔伉伉，许国瑞，等.交流电机转子导条间横向漏电流研究综述与展望[J].中国电机工程学报,2018,38(7):2132-2143.