孫明達+鄭亞琦

摘 要：本文討論了大慣量三相異步電動機的研制過程，圍繞設計過程進行了分析，總結了設計心得，為今后同類產(chǎn)品的設計積累了經(jīng)驗。

關鍵詞：異步電動機 大慣量 電磁設計 結構設計

1、 問題的提出

大型離心風機葉輪直徑大，轉(zhuǎn)子重量大，因此通常具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，電動機拖動其起動時，起動溫升是一個突出的問題。

筆者接到產(chǎn)品設計任務，為某電廠引風機設計配套YKK900-6 5200kW 6kV IP54電動機，其中風機負載轉(zhuǎn)動慣量6500 kg.m2 ，且用戶要求轉(zhuǎn)子為銅排轉(zhuǎn)子結構。而此前我公司該型號電機轉(zhuǎn)子均為鑄鋁轉(zhuǎn)子結構，這就首先要求合理設計轉(zhuǎn)子結構，滿足電機安全穩(wěn)定運行要求；其次校核轉(zhuǎn)子起動過程中溫升，滿足拖動大慣量負載起動要求。

2、電動機的基本技術參數(shù)

2.1電動機額定參數(shù)及結構特點

額定功率：5200kW；

額定電壓：6000V；

額定電流：580A；

額定頻率：50Hz；

額定轉(zhuǎn)速：996r/min

絕緣等級：F級

防護等級：IP54

冷卻方式：IC611；

結構及安裝型式：IMB3；

允許拖動負載轉(zhuǎn)動慣量：6500 kg.m2

2.2依據(jù)標準：GB755《旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能》

GB/T13957《大型三相異步電動機基本系列技術條件》

3、大慣量三相異步電動機的設計過程分析

3.1電磁設計

根據(jù)技術設計任務書，確定電機的電磁負荷以及與電磁性能相關的有效尺寸，包括定、轉(zhuǎn)子沖片及鐵芯尺寸，繞組數(shù)據(jù)等。在設計過程中，既要考慮堅固電機各項性能指標要求，又要考慮成本，并且溫升留有合理裕度。定子齒磁密1.46T，定子軛磁密1.37T，轉(zhuǎn)子齒磁密1.49T，轉(zhuǎn)子軛磁密1.4T。

定子采用雙層疊繞組，為削弱5、7次諧波，節(jié)距去5/6極距，定子接線Y接。因定子電流較大，并聯(lián)支路數(shù)選擇6路。

3.2 結構設計

3.2.1定子結構

定子由定子鐵芯、定子繞組、機座等部分組成。

3.2.1.1定子鐵芯

定子鐵芯由優(yōu)質(zhì)冷軋電工鋼片疊壓而成，定子沖片采用扇形片、整圓由6片扇形片拼成，1/2迭片。定子采用內(nèi)壓裝，徑向通風道結構，在機座內(nèi)疊片，用機座內(nèi)筋板緊固，壓裝后，由定子壓圈壓緊。鐵芯壓緊后將固定片與機座壁板焊牢，然后進行嵌線、整浸。

這一結構主要有以下優(yōu)點：

（1）鐵芯在機座內(nèi)固定后，不再受下道工序的影響而導致鐵芯變形；

（2）鐵芯壓裝好后，嵌線在機座內(nèi)進行不易碰壞。

3.2.1.2定子繞組

定子繞組為雙層疊繞組，整個定子繞組采用VPI真空加壓浸漆工藝，且繞組端部表面噴環(huán)氧敷蓋漆，繞組端部和直線部位固化成整體，從而減小匝間短路的可能。同時，浸漬漆充分占滿槽內(nèi)空間，提高散熱性能。

3.2.1.3機座

機座是定子的主要結構件，采用臥式箱式結構，提高了零部件通用性。機座由鋼板焊接而成，起承受冷卻器重量、定子重量，固定鐵芯的作用。

3.2.2轉(zhuǎn)子結構

轉(zhuǎn)子主要由幅板軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、導條、端環(huán)、風扇等組成。在轉(zhuǎn)子設計中，材料的選擇，結構的運用應經(jīng)過相應的機械計算。

3.2.2.1轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子沖片采用整圓片，采用徑向通風槽結構。轉(zhuǎn)子鐵芯通風槽與定子鐵芯通風槽對齊，數(shù)量相同，寬度相等。沿軸向分段，每段間由徑向通風槽隔開，每個通風槽由一張鐵芯端板與另一張焊有通風槽片的鐵芯端板組成。當疊壓后，鐵芯兩端采用轉(zhuǎn)子壓板壓緊后以拉緊螺桿固定。

4、起動溫升的計算

電機在拖動大慣量負載起動時，往往會遇到起動電流大、起動時間增加這類問題。因此在電機設計過程中，必須計算起動過程中電機個部分溫升，以保證其不超過材料限制。由于電機在起動過程中時間較短，通常不考慮定子繞組與鐵芯之間熱傳遞，將這一過程視為絕熱過程。

4.1起動時間計算

異步電動機起動時，其轉(zhuǎn)速與時間的關系，可按下列運動方程確定。

式中

Te——電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）

TL——負載阻力矩（N·m）

J——機組的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）

Ω——角速度（1/s）

計算機組起動時間為20.5s。

4.2定子繞組的起動溫升計算

在電機起動過程中，定子繞組中產(chǎn)生的熱量來自于電流產(chǎn)生的焦耳熱

（J）

J1s——起動時定子繞組電流密度（A/mm2）

Ρ——定子繞組電阻率（Ω·mm2）

ts——起動時間（s）

在絕熱狀態(tài)下， （J）

——定子繞組導體密度（g/cm3）

cs——定子繞組導體比熱（J/（g·℃））

——定子繞組起動溫升（K）

由此可得： （K）

需要說明的是，由于在起動過程中定子電流是不斷變化的，因此計算起動過程中定子電流密度應為等效電流密度。

4.3轉(zhuǎn)子導條及端環(huán)的起動溫升計算

在計算轉(zhuǎn)子導條及端環(huán)的起動溫升時，做如下假設：

（1）不考慮轉(zhuǎn)子導條與轉(zhuǎn)子鐵芯鐵芯間的傳導散熱；

（2）不考慮轉(zhuǎn)子端環(huán)與周圍空氣的對流散熱；

（3）轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)之間無熱交換。

即在絕熱狀態(tài)下，計算轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)的起動溫升。

在起動過程中，若忽略轉(zhuǎn)子鐵耗，輸入轉(zhuǎn)子的功率一半用來使轉(zhuǎn)子加速；另一半為轉(zhuǎn)子銅耗。若軸上無負載轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)子損耗等于電動機額定功率乘以機械時間常數(shù)的1/2。當軸上有負載轉(zhuǎn)矩時，不但使起動時間增長，還使電動機產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)子損耗，從而導致轉(zhuǎn)子溫升增加。

（K）

（K）

式中：A2——起動過程中轉(zhuǎn)子銅耗；

R2BS、R2R——分別為起動過程中導條和端環(huán)的等效電阻；

、 ——分別為轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)的密度；

cB、cR——分別為轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)比熱容；

VB、VR——分別為轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)的體積；

計算后得出結果，該電機繞組起動溫升53K，導條起動溫升228K，端環(huán)起動溫升65K，滿足材料對于溫升限制的要求，電磁方案的設計可以滿足拖動大慣量負載的要求。

5、結束語

電機主要性能參數(shù)設計值與試驗值的對比由上表可見，該產(chǎn)品性能指標滿足標準要求，電機如期合格出廠。該電機電磁設計及結構設計是成功的，為今后設計制造大慣量三相異步電動機積累了經(jīng)驗。

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 .

[ 3 ] 傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設計手冊 [M ]. 北京 ： 機械工業(yè)出版社 ， 2001 .