唐慶華

(中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

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四速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

唐慶華

(中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

介紹了中心高為315mm，極數(shù)為4/8/16/32的船用四速電動(dòng)機(jī)，其定子繞組采用兩套獨(dú)立變極繞組，轉(zhuǎn)子為鼠籠結(jié)構(gòu)。并介紹了四速電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)與制造過程的焦點(diǎn)，闡述了環(huán)流的分析及單層繞組變極方法的應(yīng)用，并且在實(shí)踐樣機(jī)制造過程中得到驗(yàn)證。

四速電動(dòng)機(jī)；繞組系數(shù)；環(huán)流

0 引言

我公司制造了一臺(tái)非標(biāo)四速船用鼠籠轉(zhuǎn)子電機(jī)，該電機(jī)中心高315mm，額定功率148/74/37/17kW，額定電壓440V，額定頻率60Hz，極數(shù)為4/8/16/32p，防護(hù)等級(jí)IP56，絕緣等級(jí)F級(jí)，冷卻方式為IC71(電機(jī)機(jī)座兩端各開一個(gè)窗口，其中一個(gè)為進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)為出風(fēng)口)，安裝方式IM1001。

該電機(jī)用于船廠的起重機(jī)主起升工作平臺(tái)，其工作制按S2-60min/45min/30min/15min進(jìn)行考核。電機(jī)要求帶繞組和軸承測(cè)溫裝置。該電機(jī)屬于原起重機(jī)構(gòu)上進(jìn)口原型電機(jī)的備件電機(jī)，要求全壓運(yùn)行時(shí)4極的起動(dòng)電流低于1500A。本文主要從電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)注意事項(xiàng)等方面介紹了該四速電機(jī)。

1 電磁設(shè)計(jì)

我公司參照了客戶提供的原型電機(jī)的外部控制方式：起升時(shí)，按從低速向高速逐極切換；下降時(shí)，按從高速向低速逐極切換。并且4/8p為一套繞組，當(dāng)4p觸點(diǎn)通電運(yùn)行時(shí)，8p觸點(diǎn)短接，另外兩個(gè)極數(shù)斷電。16/32p為另一套繞組，當(dāng)16p觸點(diǎn)通電運(yùn)行時(shí)，32p觸點(diǎn)短接，另外兩個(gè)極數(shù)斷電。

由此可見，該電動(dòng)機(jī)是將兩套相互獨(dú)立的繞組嵌入同一個(gè)定子鐵心的槽中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行控制時(shí)通電順序的不同，就會(huì)產(chǎn)生工作繞組和休息繞組的區(qū)別(注：當(dāng)4/8p繞組通電的時(shí)候，沒有給電的另一套16/32p繞組則是休息繞組，反之亦然)。當(dāng)工作繞組中通電時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)不僅在鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而且根據(jù)變壓器原理也會(huì)在休息繞組的定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果該休息繞組本身已構(gòu)成閉合回路，并且回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不能互相抵消，則非工作繞組中會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的疊加影響將導(dǎo)致工作繞組的電流急劇增加，影響工作繞組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還將因迅速過熱而導(dǎo)致繞組和絕緣燒毀。

所以，對(duì)于雙繞組多速電動(dòng)機(jī)，我們要使繞組聯(lián)接的每條支路中感應(yīng)電勢(shì)互相抵消，使其合成電勢(shì)為0而不能形成環(huán)流，進(jìn)而杜絕環(huán)流對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程產(chǎn)生傷害。

當(dāng)繞組接法為1路三角形聯(lián)接時(shí)，由于三相合成電勢(shì)為零，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流；對(duì)1路星形聯(lián)接時(shí)，由于三相繞組未形成閉合回路，也不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。因此，雙繞組多速電動(dòng)機(jī)在1路連接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。但是對(duì)于多路并聯(lián)，從星形相位圖來判斷，當(dāng)并聯(lián)每支路的感應(yīng)電勢(shì)矢量為零或閉合回路的感應(yīng)電勢(shì)合成矢量為零，即：當(dāng)一個(gè)矢量或多個(gè)矢量的合成矢量與另一個(gè)矢量或多個(gè)矢量的合成矢量，其相位差為180°×(2n-1)時(shí)，應(yīng)相互串聯(lián)；當(dāng)相位差為360°×n時(shí)，應(yīng)相互并聯(lián)，其繞組均為正常工作。因此，雙繞組雙速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于多路接法，必須對(duì)每支路電勢(shì)進(jìn)行分析。防止定子繞組產(chǎn)生環(huán)流，影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行[1]。

這臺(tái)四速電機(jī)的4/8p和16/32p繞組接法均為2Y/△，所以需要分析4/8p繞組通電時(shí)16p繞組內(nèi)部的環(huán)流和16/32p繞組通電時(shí)4p繞組內(nèi)部的環(huán)流。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中所介紹的方法對(duì)2Y聯(lián)接的支路電勢(shì)進(jìn)行分析，上述兩種通電的情況下，在休息繞組的閉合回路中感應(yīng)電勢(shì)合成矢量為零，所以休息繞組內(nèi)部均無環(huán)流產(chǎn)生，可以按照2Y/△的聯(lián)接方式進(jìn)行接線。

該電機(jī)采用96/72的定轉(zhuǎn)子槽配合，16/32p繞組跨距為y=3(1-4)，當(dāng)采用雙層繞組變極方案或者單層繞組變極方案時(shí)的定子內(nèi)部線圈連接分別如下面圖1和圖2。

圖1 雙層繞組變極方案

圖2 單層繞組變極方案

16p和32p的槽號(hào)相位圖見圖3和圖4。

圖3 16p槽號(hào)相位圖

圖4 32p槽號(hào)相位圖

由此，我們可以計(jì)算出采用不同變極方案時(shí)16p和32p繞組的各項(xiàng)系數(shù)。

表1 16p和32p繞組各項(xiàng)系數(shù)

將上表中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，采用單層繞組變極時(shí)，16p和32p的繞組系數(shù)均有不同程度的提高(尤其32p的提高更為明顯)，這對(duì)提高繞組利用率、改善電機(jī)性能均是有益的，而且單層繞組可以減小繞組之間的層間絕緣，提高定子槽利用率；線圈組數(shù)少，繞線工效高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小。所以樣機(jī)制造時(shí)我們最終采用的是單層繞組變極方案。

根據(jù)以往的制造經(jīng)驗(yàn)，4p和8p電機(jī)的效率和功率因數(shù)一般比較高，相對(duì)而言16p和32p電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的效率和功率因數(shù)值均比較低，電機(jī)的空載電流和運(yùn)行電流均很大，電機(jī)短時(shí)間連續(xù)運(yùn)行(一般控制在5min以內(nèi))就會(huì)發(fā)熱很嚴(yán)重。而這臺(tái)四速電機(jī)的16p和32p工作制均要求按S2-30min/15min來進(jìn)行考核，需要對(duì)這低速極的設(shè)計(jì)特別注意，要想辦法降低磁場(chǎng)飽和程度，降低運(yùn)行電流和空載電流，減少損耗。所以在電磁設(shè)計(jì)時(shí)將這臺(tái)四速電機(jī)16/32p的氣隙磁密Bδ取值均控制在5500～6000高斯以內(nèi)。而4/8p的氣隙磁密Bδ取值均控制在6000～6500高斯以內(nèi)。

在電機(jī)制造嵌線時(shí)是將4/8p繞組放在槽下半部，16/32p繞組放置在槽上半部，所以電磁設(shè)計(jì)時(shí)4/8p需要控制定轉(zhuǎn)子的軛部磁密，而16/32p需要控制定轉(zhuǎn)子的齒部磁密，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)將這兩部分的磁密控制在13500～15000高斯之間。同時(shí)還需要考慮繞組放置在不同位置時(shí)漏抗的變化(槽口部分磁通少，漏抗?。徊鄣撞糠执磐ǘ?，漏抗大)。

由于電機(jī)是用于起升機(jī)構(gòu)，同時(shí)客戶要求全壓運(yùn)行時(shí)4p的起動(dòng)電流低于1500A。所以需要在保證電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)控制電機(jī)的起動(dòng)電流。為了保證有足夠大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子電阻值不能太小，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的材料可以采用黃銅或者鋁錳合金。而鼠籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條里會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)現(xiàn)象，集膚效應(yīng)使槽內(nèi)導(dǎo)體有效高度減小，因而電阻增加，槽漏抗減小。利用集膚效應(yīng)可以改善籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低起動(dòng)電流[2]。因此綜合考慮，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為鑄鋁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子槽型為既能降低起動(dòng)電流又能提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的凸形槽。同時(shí)采用斜槽結(jié)構(gòu)，以便削弱5次和7次諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，4p起動(dòng)電流的設(shè)計(jì)值約為1420A，轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)值方面4/8p的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為2倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)約2.5倍。16/32p的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為1.5倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)約2倍。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)的冷卻方式為IC71，外部管道系統(tǒng)的冷空氣是從電機(jī)機(jī)座一端的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，帶走電機(jī)內(nèi)部的熱空氣從機(jī)座另一端的出風(fēng)排出形成冷熱交換，從而使電機(jī)的繞組和鐵心等部件的溫升狀況保持穩(wěn)定在一個(gè)合理的范圍。所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于通風(fēng)回路的設(shè)計(jì)要加以考慮，盡可能增加定子鐵心與機(jī)座聯(lián)接之間支撐筋的徑向高度，減小支撐筋的寬度，支撐筋四邊倒圓角減少風(fēng)阻。轉(zhuǎn)子采用帶6根輻筋的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，這樣相對(duì)于帶通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)可以有更大的軸向通風(fēng)面積。輻筋的型材采用圓鋼，同樣也可以使風(fēng)阻更小。

前文已經(jīng)提到電機(jī)繞組為兩套獨(dú)立繞組，16/32p繞組位于定子槽的上部靠近槽口位置，而4/8p繞組則位于下部靠近槽底位置。所以在進(jìn)行定子線圈繞線模設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)每套繞組在槽內(nèi)的占比，合理計(jì)算定子線圈的跨距和半匝長(zhǎng)，上部線圈尺寸要比電磁設(shè)計(jì)單數(shù)據(jù)縮小，而底部線圈尺寸要比電磁設(shè)計(jì)單數(shù)據(jù)加大。所以，16/32p定子線圈的總長(zhǎng)要比4/8p繞組短20mm左右。通過這些措施的處理可以使定子線圈貼合更緊密，有效地提高電機(jī)槽滿率。

另外，需要按照GB/T 7060—2008《船用旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定對(duì)電機(jī)主材(鑄件、軸料、緊固件等)認(rèn)真選擇，并做好繞組處理和表面涂覆。單獨(dú)地，對(duì)于IP56的防護(hù)等級(jí)要求還應(yīng)該進(jìn)行特殊處理如下。

(1)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環(huán)形溝槽，先在溝槽內(nèi)均勻涂抹厭氧型密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位。

(2)出線盒座配套金屬出線套的螺紋外側(cè)均勻涂抹厭氧型密封膠后旋緊固定到位。

(3)增加一個(gè)迷宮式甩水環(huán)在骨架油封前端，甩水環(huán)內(nèi)孔與軸之間為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位；

(4)軸承內(nèi)蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯(lián)接螺栓上增加硅膠O形密封圈；

(5)適量增加端蓋與機(jī)座之間、軸承內(nèi)外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯(lián)接螺栓數(shù)量。以這臺(tái)船用四速電機(jī)為例，其出線盒座蓋之間的聯(lián)接螺栓數(shù)量就有12顆[3]。

3 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

由于國(guó)內(nèi)工廠一般只有380V/50Hz的工頻電源，所以當(dāng)440V/60Hz的電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)一般是采用變頻電源來供電。受變頻電源諧波和變頻器線路損耗的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)可能會(huì)比實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)略有偏高。建議在變頻電源的輸出側(cè)與待測(cè)試電機(jī)之間增加專門的濾波電路，以吸收變頻電源輸出電流中的高次諧波電流成份，盡量降低變頻器的干擾。

對(duì)于16p和32p兩個(gè)極數(shù)下電機(jī)的功率因數(shù)和效率值均很低，盡管兩個(gè)極數(shù)的功率相對(duì)較小，但是其空載電流和運(yùn)行電流數(shù)值均很大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)總損耗也大，所以必須嚴(yán)格控制這兩個(gè)極數(shù)熱試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間。電機(jī)通電起動(dòng)后要加快加載速度，盡可能減少空轉(zhuǎn)時(shí)間，降低空載損耗的影響，當(dāng)測(cè)試周期一到立馬斷電停機(jī)，迅速測(cè)量繞組熱態(tài)阻值。

根據(jù)S2工作制-短時(shí)工作制的定義：“在恒定負(fù)載下按給定的時(shí)間運(yùn)行，電機(jī)在該時(shí)間內(nèi)不足以達(dá)到熱穩(wěn)定，隨之停機(jī)和斷能，其時(shí)間足以使電機(jī)再度冷卻到與冷卻介質(zhì)之差在2K以內(nèi)”[3]。所以在進(jìn)行四個(gè)速度S2工作制下的熱試驗(yàn)時(shí)，要嚴(yán)格控制每個(gè)極數(shù)運(yùn)行的間隔時(shí)間，當(dāng)一個(gè)極數(shù)熱試驗(yàn)做完后必須要等繞組的溫度降到與室溫相差2℃～3℃時(shí)才能進(jìn)行另一個(gè)極數(shù)的熱試驗(yàn)。

電機(jī)裝配完工后，在進(jìn)行主要性能參數(shù)測(cè)試和熱試驗(yàn)之前，先對(duì)其通電進(jìn)行空轉(zhuǎn)。用電壓表分別測(cè)量了空轉(zhuǎn)情況下4/8p繞組通電時(shí)16p接線端的感應(yīng)電壓，以及16/32p繞組通電時(shí)4p接線端的感應(yīng)電壓。這兩種情況下用電壓表測(cè)到的數(shù)值均可忽略不計(jì)，說明電機(jī)正常工作時(shí)內(nèi)部無環(huán)流產(chǎn)生。

最終測(cè)量結(jié)果，除了32p的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.4倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.8倍，與設(shè)計(jì)值有點(diǎn)偏差外，其他參數(shù)的測(cè)量值均與設(shè)計(jì)值比較吻合。按照S2工作制下不同的時(shí)間要求分別進(jìn)行熱試驗(yàn)，4個(gè)極數(shù)的定子繞組溫升為102K(4p)/53K(8p)/83K(16p)/92K(32p)，溫升值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。后續(xù)機(jī)型的優(yōu)化過程中，可以通過增加定子鐵心徑向通風(fēng)道的方式來改善定子繞組的溫升狀況，進(jìn)一步提高電機(jī)的可靠性和使用壽命。

4結(jié)語

本文論述的重點(diǎn)是四速電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中采取合理的措施避免和消除環(huán)流的影響、選用單層繞組變極方案、磁路和槽型的布置。同時(shí)論述了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法運(yùn)行方面四速電機(jī)區(qū)別于普通單速電機(jī)的不同之處。只有結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)際需要，從整體上對(duì)四速電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能獲得最貼切實(shí)際的運(yùn)行性能。

[1] 程友明，王澤威.隔爆型雙繞組雙速電動(dòng)機(jī)繞組環(huán)流分析.電氣防爆,2014.3.

[2] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 唐慶華.淺談船用起重用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造.防爆電機(jī),2015.5.

[4] GB 755—2008旋轉(zhuǎn)電機(jī).定額和性能.

Design and Manufacture of Four-Speed Motor

TangQinghua

(Electric Motor Factory of China Changjiang Shipping Group, Wuhan 430205, China)

This paper introduces a marine four-speed motor with frame size of 315mm and pole number of 4/8/16/32. Its stator adopts two sets of independent pole-changing windings, and rotor is of squirrel-cage structure. This paper introduces focuses of the motor in design and manufacturing, and expounds the analysis of circulating current and the pole-changing application of single-layer windings. They have been verified in manufacturing process of practical model.

Four speed motor；winding factor；circulating current

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.05

TM302

A

1008-7281(2016)06-0014-004

唐慶華 男 1976年生；畢業(yè)于湖南工程學(xué)院，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作.

2016-03-21