基于电磁场数值计算的变频供电交流电机轴电流问题的研究

PWM逆变器供电中点零序电压在交流电机中定转子耦合电容作用下，转子感应产生轴电压，轴承上流过轴电流，会对电机运行造成危害。对轴电流的产生机理，轴电压的分布以及轴电流密度分布的准确掌握是研究预防轴电流措施的依据。本项目应用电磁场有限元数值计算方法对PWM 逆变器供电下交流电机系统进行轴电流问题的分析。采用ANSYS有限元数值计算软件，求解电机高频耦合电容，为基于电路的仿真分析提供得精确的参数。在此基础上，对整个系统进行三维建模分析，求解在外部逆变器零序电压感应电场作用下，电机内部的时变电场的变化规律，直观的显示整个系统中的电流密度分布，判断轴电流的大小。本项目的研究将为预防和减小轴承电流提供可靠依据。

变频驱动技术被广泛应用于工业生产中，而逆变器输出电压中存在共模电压，在电机耦合电容作用下引起轴承电流，带来轴承的早期失效，危及驱动系统安全运行。轴电流的产生机理、轴电流的数学模型、等效电路参数获取以及轴电压和轴电流的测试方法属于轴电流研究的基础问题，对解决轴电流问题有重要的意义。本项目在轴电流等效电路的耦合电容计算方面提出了一种准确计算电容参数的有限元模型，并首次就电机绕组端部参数对电容的影响进行了评估，设计了一种测试轴承电容的简便方法。首次实现了PWM供电交流电机轴电压三维瞬态电磁场的分析，证明了轴电压与共模电压之间的跟随特性。结合弹性变形理论和流体力学，研究了轴承电容和电阻的计算方法。导出电机转速、轴承润滑脂温度、轴承受力与轴承耦合电容之间的规律。针对变频驱动系统中的循环型轴电流建立等效电路模型和仿真分析。搭建了轴电流测试平台，针对2.2kW和15kW的变频调速鼠笼异步电机进行了共模电压、轴电压、轴电流的测试研究。本项目在轴电流基础关键问题上的研究成果，对于高速列车牵引电机系统以及风力发电双馈异步电机系统等领域的轴电流问题的研究奠定了良好的基础。