郭英桂，張永平

（晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院，山西晉中 030600）

0 引言

圖1 雙速子母電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

精梳機(jī)是紡織機(jī)械的主要產(chǎn)品之一，是一種制造粗細(xì)均勻的精梳條紡織機(jī)械.E7/5（或E7/5A）型高速精梳機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)選用雙速子母電機(jī)，由兩臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)通過(guò)齒輪箱連接在一起，從高速電機(jī)軸頭輸出功率，兩臺(tái)電機(jī)功率分別為4.6千瓦和0.83千瓦.低速運(yùn)行時(shí)，由低速電機(jī)通過(guò)齒輪箱減速與高速電機(jī)連接，從高速電機(jī)軸頭輸出低轉(zhuǎn)速186轉(zhuǎn)/分的功率；高速運(yùn)行時(shí)，高速電機(jī)的錐形轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下軸向竄動(dòng)，斷開與齒輪箱的連接，直接輸出轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/分的功率.電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)形式，成本高，控制復(fù)雜.經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，兩臺(tái)單獨(dú)的電機(jī)通過(guò)齒輪箱連接在一起，高速電機(jī)的錐形轉(zhuǎn)子經(jīng)常發(fā)生軸向竄動(dòng)，容易發(fā)生機(jī)械和電氣故障，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行.國(guó)內(nèi)目前有采用通用變頻器TD1000－4T0055G和普通Y系列電機(jī)Y132S-4（5.5千瓦）進(jìn)行雙速子母電機(jī)替代改造,性能可以滿足要求，但E7/5（E7/5 A）型精梳機(jī)僅需兩種轉(zhuǎn)速，使用變頻器是一種浪費(fèi)，且成本較高.現(xiàn)提出由一臺(tái)4/24電機(jī)代替上述兩種方案，省去復(fù)雜的轉(zhuǎn)換傳動(dòng)方式或變頻器調(diào)速方式，控制簡(jiǎn)單化，不僅價(jià)格可降低（比采用變頻調(diào)速方案價(jià)格低2/3），同時(shí)也避免了采用雙速子母電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械故障的產(chǎn)生.對(duì)于極數(shù)比為4/24雙速電機(jī)，電機(jī)極數(shù)跨距大，磁密設(shè)計(jì)需兼顧兩極要求；其次，安裝空間要求最大采用Y160電機(jī)的外形尺寸，則定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)增加后，在有限槽面積內(nèi)繞組設(shè)計(jì)及沖片的機(jī)械強(qiáng)度能否滿足要求是另一個(gè)主要問(wèn)題，這也是制約電機(jī)磁密設(shè)計(jì)的因素之一.

1 沖片及繞組分析

1.1 定、轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)

E7/5（E7/5 A）精梳機(jī)主電機(jī)配套的兩臺(tái)雙速子母電機(jī)，其功率比4.6 kw/0.83 kw，其安裝空間要求最大采用Y160電機(jī)的外形尺寸.電機(jī)設(shè)計(jì)定子沖片外徑φ260mm，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ170mm，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑φ60mm，可以滿足安裝要求.根據(jù)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽配合理論，通過(guò)分析計(jì)算，4/24兩級(jí)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片的槽數(shù)72/66較文獻(xiàn)[1]推薦的單級(jí)電機(jī)72/63、72/68槽配合，在滿足消除或消弱同步諧波轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，使得定轉(zhuǎn)子齒諧波次數(shù)沒(méi)有相等的機(jī)會(huì)，前者可避免出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在低速波“咬住”的現(xiàn)象.定子沖片設(shè)計(jì)如圖2所示，轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖2 定子沖片圖

圖3 轉(zhuǎn)子沖片圖

外徑為φ260mm定子電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)最大功率為10 kw左右，單純滿足4.6 kw，顯然具有較大的裕度，可同時(shí)兼顧24極、0.8 kw的設(shè)計(jì)，在外形尺寸要求下，兩極電機(jī)磁密設(shè)計(jì)滿足各自性能指標(biāo)前提下，需校核定子繞組槽滿率和定轉(zhuǎn)子沖片的強(qiáng)度是否符合加工工藝和安裝裝配要求.

1.2 沖片分析

1.2.1 定子沖片分析

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論，極數(shù)為24極電機(jī)，定子必須至少有72個(gè)槽.對(duì)于內(nèi)徑為φ170mm的定子沖片，沖制72個(gè)定子槽，定子齒距為t1=7.41mm.定子齒距的大小能否滿足工作要求，一方面從沖制加工考慮，沖片需進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核；另一方面，對(duì)于定子繞組加工而言，定子齒距t1若過(guò)小，定子沖片疊壓時(shí)槽口部位易炸開，不僅影響嵌線，如果疊壓后齒部得不到充分預(yù)緊，產(chǎn)生一定間隙，將直接影響電機(jī)氣隙磁密的分布，使電機(jī)性能指標(biāo)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求.此外，槽形需有足夠的槽面積放置定子繞組，對(duì)于外徑φ260mm定子沖片，定子齒寬設(shè)計(jì)值bT1=3.50mm.同樣定子齒寬大小是否滿足要求，一方面需進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核，若此值過(guò)小，會(huì)增加了工藝沖制加工的難度，且疊壓時(shí)易發(fā)生沖片變形或造成斷齒；另一方面，直接影響齒磁密的分布，易造成4極齒磁密較低而24極齒磁密過(guò)飽和的現(xiàn)象.

經(jīng)機(jī)械強(qiáng)度分析校核，定子齒距t1≥7.20mm，定子齒寬bT1≥3.30mm即可滿足強(qiáng)度要求，定子沖片槽形如圖4所示.

1.2.2 轉(zhuǎn)子沖片分析

電機(jī)設(shè)計(jì)有66個(gè)轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ170mm、內(nèi)徑φ60mm，轉(zhuǎn)子齒距t2=8.08mm，轉(zhuǎn)子齒寬設(shè)計(jì)值bT2=1.6m，轉(zhuǎn)子沖片槽形如圖5所示.轉(zhuǎn)子齒寬對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的制造及電機(jī)性能影響較大.如果設(shè)計(jì)尺寸過(guò)小，一方面沖片易發(fā)生變形，在疊壓加工過(guò)程中造成槽形錯(cuò)位，影響轉(zhuǎn)子齒磁密的分布；另一方面，為克服高次諧波影響，轉(zhuǎn)子采用斜槽，需扭斜一個(gè)定子齒距，如果轉(zhuǎn)子齒寬強(qiáng)度不夠，沖片在此處變形甚至斷裂，造成鋁液流入，使轉(zhuǎn)子槽數(shù)發(fā)生畸變，會(huì)直接影響電機(jī)性能指標(biāo).合適的轉(zhuǎn)子齒寬，是保證轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度，產(chǎn)生合適齒磁密的前題.

圖4 定子沖片槽形局部展開圖

圖5 轉(zhuǎn)子沖片槽形局部展開圖

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度分析計(jì)算，轉(zhuǎn)子齒寬bT2≥1.5mm，即能滿足強(qiáng)度要求.

1.3 定子繞組設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)極比4/24電機(jī)，兩個(gè)極數(shù)相差較大，由一套繞組通過(guò)變極方法實(shí)現(xiàn)比較困難，擬采用兩套繞組分別實(shí)現(xiàn)4極和24極.4極繞組采用交叉式放置于槽的下層，24極繞組采用鏈?zhǔn)椒胖糜诓鄣纳蠈?因繞組設(shè)計(jì)需在限定的定子槽形內(nèi)，兩套繞組各自的導(dǎo)體匝數(shù)和并繞根數(shù)的設(shè)計(jì)，在保證電機(jī)各部分磁密情況下，需有足夠的槽面積放置兩套繞組，槽滿率能否滿足嵌線工藝要求，是該電機(jī)設(shè)計(jì)需要校核的另一個(gè)主要指標(biāo).

文獻(xiàn)[2]給出槽滿率計(jì)算公式：

式中：N1—導(dǎo)體并繞根數(shù)；Z1—每槽導(dǎo)體數(shù)；

d—導(dǎo)體線徑；Se—槽有效面積.根據(jù)式（1）所求，4/24兩極繞組槽滿率為0.794，符合雙層繞組嵌線加工工藝要求槽滿率≤0.8的要求.

4/24電機(jī)兩極繞組與4極繞組為定子內(nèi)部三角形聯(lián)接，接線盒內(nèi)三根引出線；24極繞組為定子內(nèi)部星形聯(lián)接，接線盒內(nèi)三根引出線.六根引出線通過(guò)外部電路實(shí)現(xiàn)4極和24極的轉(zhuǎn)換控制，使接線與控制簡(jiǎn)單化.圖6為4極和24極繞組聯(lián)接及接線盒內(nèi)引線排列圖.

2 磁密研究

圖6 4極和24極繞組聯(lián)接及接線盒內(nèi)引線排列圖

2.1 氣隙磁密

由電機(jī)理論可知，電機(jī)磁密決定其主要性能指標(biāo)，是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).遠(yuǎn)極比4/24雙層繞組電機(jī)，拖動(dòng)精梳機(jī)工作時(shí)，4極電機(jī)為主運(yùn)動(dòng)形式，24極為輔助運(yùn)動(dòng)形式，處于短時(shí)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，以便于精梳機(jī)工作時(shí)精梳條生頭.兩極電機(jī)磁密設(shè)計(jì)，需根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，滿足符合加工工藝要求的電機(jī)性能參數(shù).關(guān)于兩極電機(jī)氣隙磁密，文獻(xiàn)[2]給出氣隙磁密滿足如下關(guān)系式：

式（2）中：Fs—波幅系數(shù)；P—電機(jī)極數(shù)；εL—滿載電勢(shì)；U1—繞組相電壓；f—電源頻率；

Zφ1—每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；Kdp1—繞組系數(shù)；D1—定子沖片內(nèi)徑；Leff—鐵心有效長(zhǎng)度.

其中，波幅系數(shù)Fs在鐵心不飽和時(shí)（飽和系數(shù)FT）取π/2，波幅系數(shù)如圖7所示.

圖7 波幅系數(shù)

由（2）式可見，在假設(shè)其他參數(shù)不變的前提下，氣隙磁密與電機(jī)極對(duì)數(shù)P成正比.因4/24兩個(gè)極數(shù)相差6倍，因此在電機(jī)磁密設(shè)計(jì)時(shí)，在同一定子鐵心中，同時(shí)滿足兩種遠(yuǎn)極比4/24磁密，兩極繞組設(shè)計(jì)需充分保證主運(yùn)動(dòng)4極磁密的同時(shí)，適當(dāng)兼顧輔助運(yùn)動(dòng)24極磁密也滿足設(shè)計(jì)要求；氣隙磁密與每相繞組有效導(dǎo)體數(shù)Zφ1Kdp1、定子沖片內(nèi)徑D1成反比.因氣隙磁密與兩極的繞組匝數(shù)有一定系數(shù)的反比關(guān)系，繞組設(shè)計(jì)時(shí)，4極導(dǎo)體匝數(shù)較少，24極導(dǎo)體匝數(shù)較多，二者的比值應(yīng)接近于極對(duì)數(shù)的反比，以較好地保證兩種極對(duì)數(shù)下氣隙磁密較接近，同時(shí)滿足兩極下電機(jī)均能符合實(shí)際工作環(huán)境要求，避免磁密有一極過(guò)飽和而另一極過(guò)低的情況出現(xiàn)，否則易造成一極運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱而另一極性能指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求.兩極氣隙磁密的設(shè)計(jì)值見表1：

由表1可知，低速時(shí)（24極）的氣隙磁密稍大于高速時(shí)（4極）的氣隙磁密，這與單繞組變極電機(jī)理論是相吻合的.4極和24極的工作氣隙相同，在保證4極氣隙磁密的情況下，24極磁路易出現(xiàn)飽和情況，設(shè)計(jì)時(shí)主運(yùn)動(dòng)4極磁密在滿足性能指標(biāo)前提下，應(yīng)適當(dāng)兼顧輔助運(yùn)動(dòng)24極磁密，兩極繞組有合適的匝數(shù)比，使兩種極對(duì)數(shù)下氣隙磁密較接近.

表1 4極、24極空載和滿載氣隙磁密設(shè)計(jì)值 單位：T

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是精梳機(jī)工作時(shí)的一個(gè)主要考核指標(biāo)，遠(yuǎn)極比電機(jī)在兩種極對(duì)數(shù)下的轉(zhuǎn)矩關(guān)系近似于下式：

式（3）中：T1、T2—4極、24極的輸出轉(zhuǎn)矩；Bδ01、BBδ02—4極、24極的氣隙磁密.

由表1和式（3）可知，兩種極數(shù)下電機(jī)均有較高的輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足精梳機(jī)實(shí)際拖動(dòng)工作的需求.

2.2 鐵心磁密

鐵心磁密設(shè)計(jì)合理與否，也可反向驗(yàn)證電機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)、定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)的合理性，硅鋼材料的利用率高低.鐵心磁密是電機(jī)溫升產(chǎn)生的主要因素之一，表2是兩種極對(duì)數(shù)下空載和滿載時(shí)鐵心各部分的磁密設(shè)計(jì)值：

表2 4極、24極空載和滿載鐵心各部分的磁密值 單位：T

表2中：BT10、BT20—空載定、轉(zhuǎn)子齒磁密；BT1、BT2—負(fù)載定、轉(zhuǎn)子齒磁密；Bc10、Bc20—空載定、轉(zhuǎn)子軛磁密；Bc1、Bc2—負(fù)載定、轉(zhuǎn)子軛磁密.

由表2可看出，4極電機(jī)的鐵心各部分磁密設(shè)計(jì)較好，各部分磁密基本工作于磁化曲線的膝部狀態(tài)，鐵心材料利用率高，鐵耗小，產(chǎn)生溫升低.24極電機(jī)的各部分磁密值中，定、轉(zhuǎn)子軛磁密Bc1、Bc2較低，而空載定子齒磁密BT10和空載轉(zhuǎn)子軛磁密Bc20較高，出現(xiàn)了飽和情況，這是設(shè)計(jì)時(shí)為保證4極電機(jī)的磁密而造成的.實(shí)際上輔助運(yùn)動(dòng)24極為短時(shí)運(yùn)行方式，因而部分較高的磁密值造成電機(jī)溫升增加的影響是較小的，能夠滿足精梳機(jī)實(shí)際工作環(huán)境的要求.

3 結(jié)論

在精梳機(jī)的裝配環(huán)境要求電機(jī)限定尺寸下，遠(yuǎn)極比4/24電機(jī)采用雙繞組方案設(shè)計(jì)，經(jīng)定子繞組設(shè)計(jì)、定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)與校核，兩極磁密設(shè)計(jì)值是合理的，能較好地滿足兩極電機(jī)性能指標(biāo)的要求，使該類電機(jī)制造成為可能.由一臺(tái)4/24雙繞組電機(jī)替代兩臺(tái)雙速子母電機(jī)或變頻調(diào)速電機(jī)，能夠滿足精梳機(jī)的拖動(dòng)與控制的要求，可避免出現(xiàn)較高的機(jī)械故障且有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

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