劉碩

【摘 要】在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機作為重要的驅(qū)動設備，廣泛應用于冶金、電力等領域，異步電動機在各種復雜工況下正常運行時，其電磁力對電機本體的作用十分顯著，因此定量分析電動機繞組所受電磁力具有重要的理論意義和實際應用價值。本文分析了異步電動機繞組所受的電磁力分布情況以及電機結(jié)構(gòu)參數(shù)與繞組電磁力的關系。所得結(jié)論可為高壓異步電動機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

【關鍵詞】異步電動機 繞組電磁力 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機作為重要的驅(qū)動設備，廣泛應用于冶金、電力等領域，異步電動機在各種復雜工況下正常運行時，其電磁力對電機本體的作用十分顯著。同時，電磁力作用于電機繞組也會引起電機噪聲和振動。因此，定量分析電動機繞組所受電磁力具有重要的理論意義和實際應用價值。本文利用電機繞組電磁力數(shù)值計算模型，計算了電機正常運行時繞組所受的徑向電磁力和切向電磁力，并分析了電磁力與電機結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關系，從而為異步電動機的結(jié)構(gòu)和電磁方案優(yōu)化提供理論參考。

2電磁力計算模型

根據(jù)洛倫茲電磁力計算模型，電機運行時繞組所受的電磁力計算公式為：

（1）

式中 為電流密度矢量， 為磁通密度矢量， 為體積單元。利用式（1）計算出單位體積上電機繞組所受的電磁力矢量，然后對該矢量進行疊加計算，從而求出整個繞組所受的電磁力，如式（2）所示。

（2）

應用坐標變換，分別求出徑向和切向上導體所受的電磁力 和 ，其計算式為：

（3）

3 電機正常運行時繞組受力計算

本文以一臺工頻高壓異步電動機為例，分析電機正常運行時，其定轉(zhuǎn)子繞組所受的徑向電磁力和切向電磁力分布規(guī)律，如圖1所示。

（a）定子下層繞組 （b）定子上層繞組

圖1電機運行時繞組電磁力分布規(guī)律

從圖1可以看出，電機正常運行時，定轉(zhuǎn)子繞組所受的電磁力有明顯差異，繞組所受的徑向力遠大于切向力，且電機轉(zhuǎn)子導條所受的電磁力最大，這將對繞組本身、槽絕緣及槽楔等產(chǎn)生很大的影響。

4 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)與繞組電磁力的關系

4.1 定子槽型與繞組電磁力的關系

異步電動機采用的定子槽型如圖（2）所示，本文對比分析了兩種槽型結(jié)構(gòu)下繞組所受電磁力的分布情況。兩種定子槽型結(jié)構(gòu)下徑向電磁力的分布情況如圖3所示。

圖2異步電機定子槽形

（a） 定子下層繞組 （b） 定子上層繞組

圖3 不同定子槽型結(jié)構(gòu)下繞組所受徑向電磁力分布

從圖3看出，兩種槽型結(jié)構(gòu)下電機繞組所受的電磁力分布規(guī)律幾乎相同，但是半閉口槽結(jié)構(gòu)下電機繞組受力較小，這表明定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)可以減小電機繞組所受的電磁力。對數(shù)據(jù)進行對比分析得出，定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)時，定子繞組受力大約為開口槽結(jié)構(gòu)的89%，轉(zhuǎn)子導條受力峰值大約開口槽結(jié)構(gòu)的85%，因此異步電動機的定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)時，可以有效降低定、轉(zhuǎn)子繞組所受的電磁力。

3.2 轉(zhuǎn)子槽型與繞組電磁力的關系

在電機起動過程中，轉(zhuǎn)子導條感應電流的分布和氣隙磁導的均勻程度都與轉(zhuǎn)子槽型有很大的關系，本節(jié)將研究轉(zhuǎn)子采用閉口槽與半閉口槽兩種結(jié)構(gòu)時，電機繞組所受電磁力的分布情況。兩種槽形結(jié)構(gòu)下電機繞組所受的電磁力分布情況如圖4所示。

（a） 定子下層繞組 （b）定子上層繞組

圖4 轉(zhuǎn)子槽型對繞組徑向電磁力影響對比

由圖4可見，兩種槽形結(jié)構(gòu)下電機繞組所受電磁力的分布情況幾乎相同，但是電磁力明顯減小，表明轉(zhuǎn)子閉口槽結(jié)構(gòu)會影響電機運行時繞組中的電流分布，從而影響繞組受力。從圖4還可以看出，轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)下的定子繞組受力大約半閉口槽結(jié)構(gòu)下的82%，轉(zhuǎn)子導條受力大約為半閉口槽結(jié)構(gòu)下的80%，這表明轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)可以有效減小電機繞組所受的電磁力。

3.3 定轉(zhuǎn)子槽配合與繞組電磁力的關系

定轉(zhuǎn)子的槽配合也會影響繞組所受的電磁力。本文將研究電機槽配合分別為72/56、72/58、72/62時繞組電磁力的分布情況。圖5為不同槽配合下電機繞組所受的徑向電磁力分布情況。

由圖5可見，不同槽配合對定子繞組所受的徑向電磁力分布影響不大，但會改變電機繞組所受的電磁力峰值，從圖中可以看出，對于電機定子繞組所受的電磁力，槽配合為72/62時為 72/56時的1.08倍；而對于轉(zhuǎn)子導條所受的徑向電磁力峰值，槽配合為72/62時為 72/56時的0.92倍。因此，槽配合對定轉(zhuǎn)子所受的徑向電磁力的影響規(guī)律正好相反。

（a）定子下層繞組 （b） 定子上層繞組

圖5不同槽配合對繞組徑向電磁力影響對比

4 結(jié)語

本文利用洛倫茲力計算模型，分析了電機運行時定子繞組和轉(zhuǎn)子導條所受的電磁力分布規(guī)律，同時定量分析了定、轉(zhuǎn)子槽型以及槽配合等結(jié)構(gòu)參數(shù)與電機繞組徑向電磁力的關系，得出以下結(jié)論：

（1）電機正常運行時，電機繞組所受的徑向電磁力遠大于切向電磁力。（2）定子采用半閉口槽，轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)，可以有效減小電機繞組所受的徑向電磁力，且轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)時下降更為明顯。（3）電機槽配合會影響電機繞組所受的電磁力，對于本文中采用72/56、72/58、72/62三種槽配合，定子繞組所受的徑向電磁力在第一種槽配合時最小，轉(zhuǎn)子導條所受的電磁力在第三種槽配合時最小。

參考文獻：

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[2]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

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