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        異步電動機設(shè)計策略初探

        2012-02-22 08:22:18洪君山
        微特電機 2012年7期
        關(guān)鍵詞:沖片沖裁氣隙

        洪君山

        (泉州泉風(fēng)電機有限公司,福建泉州362000)

        1 異步電動機的基本尺寸的確定

        異步電動機輸出功率大小決定于定子內(nèi)徑大小的平方和鐵心疊長的乘積,即

        在電動機的功率P、極對數(shù)p確定以后,定子的外徑D1、疊長L也基本確定(一般按中心高選取標準沖裁尺寸,也可以在體積不受限制時,向上一個機座號選取D1,以減少L)。其中,定子內(nèi)徑Di的選取非常關(guān)鍵。通常是根據(jù)現(xiàn)成沖片的尺寸,憑經(jīng)驗選取。首先,某些基本條件是一定要滿足的,如溫升、效率、功率因數(shù)、起動性能和過載能力等均不能低于標準規(guī)定值,且要有一定的余量,以防大批量制造時由于工藝過程產(chǎn)生的下偏差而造成不合格品。

        定子內(nèi)徑Di的選取常采取三種辦法:

        (1)按中心高選取標準沖裁尺寸后,以現(xiàn)成沖片選取Di,然后通過電磁計算確定L及其它參數(shù)。這種做法在耗材、力能指標等方面不可能有大的突破。

        (2)在體積不受限制情況下,可向上一個機座號選取D1、Di,然后通過電磁計算確定L及其它參數(shù)。這種做法有可能減少耗材和小量提高效率,因為L減少了,在定子槽內(nèi)的電磁線減短了,電磁線的總長減少而減少了電阻,從而減少銅耗;同理,轉(zhuǎn)子鋁耗也有所減少,故效率有小量提高。這一做法對于需要減小軸向尺寸的電機,效果比較理想。

        (3)按中心高選取標準沖裁尺寸后,通過電磁計算合理確定Di、L及其他參數(shù)。由于對電機的各種參數(shù)進行精心安排和選取,所以可以在材耗減少和力能指標提高有較大幅度的突破。

        2 異步電動機電磁計算參數(shù)的選取

        第一種方法效果不顯著,第二種方法是第三種方法的一種簡單做法,弄清楚第三種方法就能掌握第二種方法,故本文著重敘述第三種方法。在電磁計算前應(yīng)對額定參數(shù)進行假設(shè)。

        (1)確定異步電動機的軸功率P(不一定按功率等級系列選,應(yīng)按實際軸功率)、極對數(shù)p。額定電壓U、頻率f等參數(shù),按電機的使用電源參數(shù)選取。

        (2)額定起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)TST、額定最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tm。TST、Tm的確定一般按同功率等級標準選取,但對于一些特別用途的電機,如風(fēng)機、水泵、砂輪機等,一般對TST要求較低,但對Tm要求較高,可按具體設(shè)計對象的要求酌情選取。起動電流倍數(shù)IST一般按標準選取。

        (3)確定效率η,可選高于標準1.5~3%。

        (4)確定功率因數(shù)cos φ,可選取高于標準4%~5%。

        (5)定子外圓D1一般按同功率等級的機座號標準套裁的沖裁尺寸選用。當然,如果外形有特殊要求,亦可選用向上或向下一個沖裁尺寸。

        (6)定子內(nèi)圓Di的選取是整個設(shè)計的關(guān)鍵。如果按照巳有系列尺寸選用,雖然簡單,即使你花大力氣進行優(yōu)化,在節(jié)約耗材和節(jié)能方面也不會有太大的突破。特別是一些特殊用途的電機,更是不能令人滿意。

        依經(jīng)驗,此參數(shù)可按系列同極數(shù)尺寸與下一極數(shù)尺寸平均值選取。例如單相YC-2電機中心高90 mm,標準D1=145 mm,Di1=77 mm,下一極數(shù)4,Di2=87 mm,故Di=82 mm。有時,由于現(xiàn)成轉(zhuǎn)子壓鑄模具為80,且產(chǎn)品數(shù)量有限,為降低開發(fā)成本,即可選80。又例如DO256-2,中心高56,D1=90 mm,Di1=48 mm,下一級極數(shù)4,Di2=54 mm,故Di=51 mm,但經(jīng)計算,取53 mm,效果非常顯著。

        (7)定、轉(zhuǎn)子鐵心疊長L一般按同功率等級疊長減少12% ~15%選取,電磁計算有一定結(jié)果后,再最后確定。對于沒有參考尺寸時,可以用公式:

        式中:參數(shù)均為設(shè)定值,1-εL為滿載電勢系數(shù),0.72~0.91,KS為磁飽和系數(shù),1.05 ~1.35,KE為端壓降系數(shù),0.76 ~0.85,A 為線負荷,N 為同步轉(zhuǎn)速,Bδ為氣隙磁密,0.4~0.65 T,計算結(jié)果取整或按所使用硅鋼片厚度的倍數(shù)選用。

        (9)氣隙長度δ可按中心高系列所采用的氣隙長度選用,可按工藝條件及精度要求選用,氣隙長度是個非常敏感的參數(shù),會直接影響效率和功率因數(shù)的高低,對最大轉(zhuǎn)矩、噪聲也有影響。也可按C.G.維諾特的經(jīng)驗公式:確定。

        (10)基本參數(shù)確定后,就可進行定、轉(zhuǎn)子開槽計算。

        (a)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q1、Q2的確定,一般可按國家系列同型號的槽配合選用,如按減少噪聲、振動、起動性能(單相電機)、諧波等條件,在齒寬沖裁允許的情況下,可增加槽數(shù)選用。

        (b)轉(zhuǎn)子開槽,可按原選用型號轉(zhuǎn)子槽面積定,或可稍加長和加寬,Di加大后,轉(zhuǎn)子齒距增大,轉(zhuǎn)子軛部也增長,故轉(zhuǎn)子槽面積可適當增大,以減少鋁耗??刹捎闷叫旋X的梨形槽,以利于沖裁模具的制造和使用壽命。同時齒寬可較大些,以減少齒磁密。

        (c)定子開槽,由于Di增大,定子齒距也增大,故定子槽可做成寬扁型,寬扁的槽形,槽漏磁導(dǎo)相對要小些,對減少漏抗有利。且面積可少13% ~18%,這可使定子軛部加長,補償因增加Di引起軛部的減少;一般設(shè)計成平行齒梨形槽,這有利于沖裁和定子繞組散熱,且槽有效面積較高,可選大齒寬,減小磁密,也減少了齒部磁耗。軛部有效長度CL1、CL2可比選用型號軛部稍小15% ~20%,這可減少軛磁耗。

        3 電磁計算

        3.1 定子繞組的計算

        根據(jù) Q1、Q2確定每極槽數(shù) QP1、QP2,并計算定、轉(zhuǎn)子槽面積 S1、S2。

        繞組匝數(shù)的確定三相每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù):

        式中:Sδ為 氣 隙 每 極 截 面 積,Sδ= τpLδ=;τp為極矩;Bδ為氣隙磁密,0.4 ~0.65 T;KW為繞組系數(shù)。

        單相每極串聯(lián)導(dǎo)體數(shù):

        式中:α為極弧系數(shù);fB為波形系數(shù);Kym為主繞組系數(shù)(根據(jù)選用正弦繞組確定)。

        繞組的結(jié)構(gòu)盡可能安排三相選用上、下層雙層繞組;單相選用正弦繞組,主、副繞組可安排上、下層的同槽結(jié)構(gòu)。目的是盡量減少諧波份量、電磁噪聲和增加起動能力,但應(yīng)核算槽滿率。對微小電機(100 W以下)只能采用單層或集中繞組,但因?qū)ζ饎佑懈咭螅貏e是2極單相電機,還是盡量采用正弦繞組,更能保證運行可靠。

        根據(jù)繞組電流選取電磁線的線徑。由于Di增大,且定、轉(zhuǎn)子齒寬增大,所以,繞組總導(dǎo)體數(shù)可減少,又效率和功率因數(shù)都會增加,因此激磁電流和額定電流均會減少,故繞組線徑可適當減小,電密一般可取 7.5 ~8.2 A/mm2,以進一步減少銅材。

        槽絕緣一般總厚度應(yīng)選用0.17~0.3 mm。

        根據(jù)以上計算和選用每極槽數(shù)、正弦繞組各槽分配百分比,確定各槽導(dǎo)體數(shù),然后計算各槽的槽滿率。總槽滿率應(yīng)控制在68% ~76%之間,太滿會造成嵌線困難,太松對繞組散熱不利。

        計算繞組半匝長Lm。繞組端部長,在不影響繞組跨度和整形的情況下,應(yīng)盡可能減短,減小半匝長,以減小電阻,且也減小了繞組端部漏抗。

        計算繞組總電阻分定子相電阻和主繞組電阻。

        3.2 電磁計算

        電磁計算的關(guān)鍵在于調(diào)整各部尺寸,使電密適當,各部磁通密度均衡,氣隙磁密最好在0.68 T以下,齒磁密在1.55 T以下,軛磁密在1.45 T以下。當然,斷續(xù)負載的電機可根據(jù)負載情況適當放寬。

        電磁計算已為大家熟知,本文不再贅述。

        4 實 例

        2005年為泉風(fēng)電機公司設(shè)計的一臺微型軸流風(fēng)機QA22090電機,由于軸流風(fēng)機要求軸向尺寸小,效率高,溫升低,其軸功率 P=40 W,p=2,U=220 V,f=50 Hz。如果選用DO25022定、轉(zhuǎn)子沖片,定子尺寸:D1=80 mm,Di=44 mm,L=45 mm,即使將L減小,軸向尺寸也不能滿足要求。故加大外徑至90 mm,然后按第三種方案設(shè)計定、轉(zhuǎn)子沖片,并確定疊長L。按DO25612電機定子內(nèi)徑為48,把它擴至53 mm,通過電磁計算、模具制造、工藝加工制造和經(jīng)省中心檢驗所檢測。現(xiàn)把新設(shè)計電機與DO25022,AO25622電機作全面比較,性能比較如表1所示,材耗比較如表2所示。優(yōu)化后的電機特性曲線如圖1所示。

        圖1 MS曲線

        表1 性能比較

        表2 材料消耗比較

        HS-1 5612電機改繞組后用于一微型齒輪變速電機M100。由于性能高于客戶提供樣機,特別是力能指標高5.6%,客戶非常滿意。

        2008年5 月為本公司主產(chǎn)品風(fēng)機QA20060電機定、轉(zhuǎn)子沖片改造,原電機定子外徑81 mm,內(nèi)徑40 mm,疊長30 mm。重新設(shè)計后,外徑81,內(nèi)徑42 mm,疊長25 mm。風(fēng)機風(fēng)葉不變,負載不變。由于內(nèi)徑增大,長度減小,繞組匝數(shù)減少,半匝長減小,電阻減少,效率提高,負載轉(zhuǎn)速略有增加,因此風(fēng)量也增加了。矽鋼片節(jié)約16.7%,電磁線節(jié)約12%。該風(fēng)機每年產(chǎn)量12萬臺套以上,經(jīng)濟效益顯著。

        從以上表格和數(shù)據(jù)可以看出,通過第三種方案設(shè)計,實例電機在材耗減少的情況下,電機性能不但沒有下降,反而有一定的提高,特別是力能指標的提高。HS-3 5622三相電機由于用作卷簾門電機,需要高起動力矩,故轉(zhuǎn)子電阻取大些(轉(zhuǎn)子端環(huán)做得小些),所以該電機起動轉(zhuǎn)矩達到4倍,最大轉(zhuǎn)矩達到2.9倍,額定電流大一點,功率因數(shù)和額定轉(zhuǎn)速小一些。

        從電機的溫升看,新設(shè)計的電機都在30 K以下,在節(jié)材方面還有相當潛力。

        [1] 施斌耀.單相電動機電磁計算程序[M].中小型電機技術(shù)情報,1981.

        [2] 陳世坤.電機設(shè)計[M].西安:西安交大出版社,1982.

        [3] 程福秀,林金銘.現(xiàn)代電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

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