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        高壓電機(jī)氣隙長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子損耗的關(guān)系初探

        2014-08-08 01:18:28邢建賓吳艷紅
        電機(jī)與控制應(yīng)用 2014年10期
        關(guān)鍵詞:齒距磁通氣隙

        邢建賓, 吳艷紅

        (1.雙龍集團(tuán)上海防爆電機(jī)鹽城有限公司,江蘇 鹽城 224000;(2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究有限公司,上海 200063)

        0 引 言

        一般情況下高壓三相異步電動(dòng)機(jī)定子采用平行槽。即開口槽,槽形寬度較大,與轉(zhuǎn)子齒距相對(duì)比較接近。在運(yùn)行中容易在轉(zhuǎn)子齒中形成較大幅度的脈振磁通量,造成轉(zhuǎn)子的脈振損耗增大,損壞轉(zhuǎn)子或燒毀軸承。本文通過(guò)實(shí)例說(shuō)明氣隙長(zhǎng)度在減小轉(zhuǎn)子損耗、降低轉(zhuǎn)子溫度的作用。同時(shí),提出脈振振幅、定子槽寬、氣隙長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子齒距之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式和轉(zhuǎn)子脈振損耗的計(jì)算式,列舉了部分產(chǎn)品的氣隙長(zhǎng)度計(jì)算值與圖紙標(biāo)注的對(duì)照表。

        1 實(shí)例說(shuō)明

        在電機(jī)設(shè)計(jì)中,雜散損耗一般以0.005倍的額定功率來(lái)估算,所以通過(guò)設(shè)計(jì)程序的計(jì)算結(jié)果無(wú)法充分說(shuō)明電機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣。

        某廠生產(chǎn)高壓礦用防爆電機(jī)YBQ2-4501-4P 10 kV 220 kW IP6X一臺(tái)拖動(dòng)潛水泵。負(fù)載試驗(yàn)時(shí)多次發(fā)生燒毀軸承的問(wèn)題。經(jīng)測(cè)溫試紙測(cè)量,電機(jī)運(yùn)行3 h時(shí)定子鐵心溫度60 ℃,轉(zhuǎn)子表面溫度140 ℃,軸承內(nèi)蓋處溫度120 ℃。分析原因?yàn)檗D(zhuǎn)子溫度高和軸承溫升疊加,使軸承溫度過(guò)高被燒毀。該電機(jī)的電磁方案和損耗情況如表1、表2所示。

        表1 電磁負(fù)荷及主要性能參數(shù)計(jì)算值

        表2 電機(jī)的各種損耗計(jì)算值 kW

        由表1、表2可知,該電機(jī)的電磁負(fù)荷較低,性能指標(biāo)比較合理,各種損耗符合常規(guī)設(shè)計(jì)范圍,電機(jī)性能較好。后將轉(zhuǎn)子氣隙長(zhǎng)度由2.5 mm放大到3.5 mm。再次經(jīng)測(cè)溫試紙測(cè)量,電機(jī)運(yùn)行3小時(shí)時(shí)定子鐵心溫度55 ℃,轉(zhuǎn)子表面溫度65 ℃,軸承內(nèi)蓋處溫度50 ℃,電機(jī)故障被排除。

        從上述實(shí)例的設(shè)計(jì)計(jì)算值可說(shuō)明,各項(xiàng)指標(biāo)正常,電機(jī)的定轉(zhuǎn)子氣隙長(zhǎng)度對(duì)降低轉(zhuǎn)子損耗、降低轉(zhuǎn)子溫度有舉足輕重的作用。

        2 定轉(zhuǎn)子參數(shù)和氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系

        根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論可知,定轉(zhuǎn)子的雜散損耗除了表面損耗以外還有定轉(zhuǎn)子齒中的脈振損耗。表面損耗與定子的極距τ有關(guān),極距與定子諧波波長(zhǎng)相比要大得多,所以表面損耗存在于轉(zhuǎn)子表面的淺層,對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響較小。而脈振損耗與定轉(zhuǎn)子的齒距有關(guān),齒距與諧波波長(zhǎng)比較接近,所以脈振損耗是轉(zhuǎn)子損耗的主要成分。由于定轉(zhuǎn)子有齒、槽和氣隙的存在,如果定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)不當(dāng),會(huì)使脈振損耗表現(xiàn)突出,造成很大影響。

        轉(zhuǎn)子槽寬度和定子齒距往往不一致,使定轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中,齒部產(chǎn)生脈振磁通量。定子齒部脈振磁通密度的振幅如下:

        (1)

        (2)

        式中:Bp1——定子齒部脈振磁通密度的振幅;

        Bt1——定子齒部磁通密度;

        δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度;

        t1——定子齒距;

        b02——轉(zhuǎn)子槽形寬度。

        定子槽寬度和轉(zhuǎn)子齒距往往也不一致,轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度的振幅為

        (3)

        (4)

        式中:Bp2——轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度的振幅;

        Bt2——轉(zhuǎn)子齒部磁通密度;

        δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度;

        t2——轉(zhuǎn)子齒距;

        b01——定子槽形寬度。

        由于轉(zhuǎn)子槽形寬度較小,定子齒距較大,兩者比例關(guān)系較遠(yuǎn),所以一般定子齒部脈振磁通密度的振幅較小,對(duì)轉(zhuǎn)子影響很小。而定子槽形寬度較大,轉(zhuǎn)子齒距也較大,兩者比例關(guān)系接近,轉(zhuǎn)子脈振磁通振幅較大。

        對(duì)轉(zhuǎn)子而言,要使脈振損耗降低,則需要使脈振振幅降低,變換式(3)得

        (5)

        將式(4)代入式(5),得

        (6)

        令k2=BP2/BT2,代入式(6),得

        (7)

        k2——轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度振幅與轉(zhuǎn)子齒部磁通密度的比值。

        k2反應(yīng)了脈振磁通附加的比例,減小這個(gè)幅度將有利于減小轉(zhuǎn)子齒部的脈振損耗。它的存在也可以理解為:調(diào)整定子槽形寬度和轉(zhuǎn)子齒距的比例關(guān)系,進(jìn)而取得合適的氣隙長(zhǎng)度使轉(zhuǎn)子脈振損耗最小化。通常k2的值在0.1~0.15,也即說(shuō)明:當(dāng)轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度振幅小于轉(zhuǎn)子齒部磁通密度的10%~15%時(shí),定子槽寬、轉(zhuǎn)子齒距、氣隙長(zhǎng)度之間形成的比例關(guān)系才是適當(dāng)?shù)?。小功率、多極數(shù)、轉(zhuǎn)子開口槽時(shí)k2取大值,大功率、少極數(shù)、轉(zhuǎn)子閉口槽時(shí)k2取小值,Y2系列電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高,k2值取小值,普通Y系列由于電機(jī)內(nèi)部空間寬敞,k2值取大值。式(7)表達(dá)了定轉(zhuǎn)子參數(shù)b01、t2與氣隙長(zhǎng)度δ通過(guò)k2相聯(lián)系的密切關(guān)系。在電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),在獲得較好電磁性能的同時(shí),應(yīng)兼顧四者的關(guān)系,才可以取得質(zhì)量滿意的產(chǎn)品。

        3 轉(zhuǎn)子脈振損耗與定轉(zhuǎn)子參數(shù)和氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系

        轉(zhuǎn)子齒部脈振損耗的表達(dá)式為

        Pp2=0.07(z1nBp2)2Gi2×10-6

        (8)

        式中:z1——定子槽數(shù);

        N——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;

        Gi2——轉(zhuǎn)子齒部的質(zhì)量。

        將式(6)以等式形式代入(8)得

        (9)

        式(9)表明:在轉(zhuǎn)速、定子槽數(shù)一定的情況下,減小定子槽形寬度、增大轉(zhuǎn)子齒距、增大氣隙長(zhǎng)度、降低轉(zhuǎn)子齒部磁密、減小轉(zhuǎn)子齒部質(zhì)量均可減小轉(zhuǎn)子的脈振損耗,這些因素的調(diào)整依據(jù)是式(7)、式(9)和相關(guān)計(jì)算單或試驗(yàn)值。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)上述論述可知,定子槽寬、轉(zhuǎn)子齒距、氣隙長(zhǎng)度之間有著重要的關(guān)聯(lián)性,定子內(nèi)徑、槽配合、定子槽寬、氣隙長(zhǎng)度選擇是否協(xié)調(diào)妥當(dāng),關(guān)系著電機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣。部分產(chǎn)品的氣隙長(zhǎng)度依據(jù)式(7)計(jì)算所得與圖紙標(biāo)注氣隙長(zhǎng)度的對(duì)照表如表3所示。表明式(7)是可靠、有效的。建議電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)先設(shè)定k2為0.1~0.15,然后由此調(diào)整定轉(zhuǎn)子槽配合、定子槽形寬度和氣隙長(zhǎng)度完善設(shè)計(jì)方案,定轉(zhuǎn)子槽配合選擇時(shí)注意避免選用產(chǎn)生較大電磁噪聲和其他缺陷的槽配合。

        表3 計(jì)算得氣隙長(zhǎng)度與圖紙標(biāo)注氣隙長(zhǎng)度對(duì)照表

        【參考文獻(xiàn)】

        [1] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)修訂本[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990

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