(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

YD 280-2/4/12三速電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

劉衛(wèi)星

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

對(duì)三速電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，利用電機(jī)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)出了符合性能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，并生產(chǎn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，也對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了有限元仿真分析，分析其電磁和機(jī)械性能，深層次地探究樣機(jī)性能，驗(yàn)證了樣機(jī)能夠在三種速度狀態(tài)下，可靠的運(yùn)行，證明了該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

三速電機(jī)；雙繞組；電磁設(shè)計(jì)

0 引言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提髙生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，或?yàn)榱斯?jié)能，常要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)，稱此類型的電機(jī)為變速電機(jī)。

1 電機(jī)技術(shù)要求

YD 280-2/4/12 125/125/40kW，額定參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 YD 280-2/4/12 125/125/40kW額定參數(shù)表

本文針對(duì)YD 280-2/4/12 125/125/40kW雙繞組三速電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，利用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原理，對(duì)雙繞組三速電機(jī)進(jìn)行電磁手算設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了三速電機(jī)三種工作狀態(tài)下的電機(jī)主要尺寸，并進(jìn)行有限元仿真。并設(shè)計(jì)和制造了試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行電磁和機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 電磁計(jì)算

2.1 繞組設(shè)計(jì)

三速電動(dòng)機(jī)的繞組設(shè)計(jì)通常有兩種方案：一種為有一套繞組通過(guò)變換外部接線獲得三種轉(zhuǎn)速的單繞組三速電動(dòng)機(jī)；也用兩套繞組再通過(guò)變換外部接線獲得三種轉(zhuǎn)速的雙繞組三速電動(dòng)機(jī)，可由一個(gè)倍極比雙速單繞組加一個(gè)普通單繞組組成，也可由一個(gè)非倍極比雙速單繞組加一個(gè)普通單速繞組組成。

單繞組三速電動(dòng)機(jī)隨可通過(guò)一套繞組變換接線實(shí)現(xiàn)，但由于出線頭較多，接線變換復(fù)雜以及各種極數(shù)下功率難以完美照顧等原因一般工程上不予采用，實(shí)際產(chǎn)品也以雙繞組三速電動(dòng)機(jī)為主。

以電動(dòng)機(jī)為工程實(shí)例，型號(hào)為YD 280-2/4/12 125/125/40kW的三速電動(dòng)機(jī)，其中2p和4p功率一致，與12p相差三倍。對(duì)于這種三速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮采用雙繞組設(shè)計(jì)，這也是本文論述的重點(diǎn)。目前該方案采用的是12p單繞組放置在槽口，2p、4p采用單繞組雙速在槽底。

2.2 定子槽數(shù)的選擇

當(dāng)采用較多的定子槽數(shù)時(shí)，可以獲得較好的磁勢(shì)波形，諧波磁場(chǎng)減小，諧波漏抗減小，附加損耗減低，槽中線圈邊總散熱面積增加，有利于散熱；但絕緣材料用量和加工工時(shí)增加，槽利用率降低。因此，槽數(shù)的選擇應(yīng)考慮多方面因素。在定子鐵心內(nèi)、外徑、長(zhǎng)度已經(jīng)確定的情況下，槽數(shù)的多少應(yīng)使得鐵心齒磁密，軛磁密，槽內(nèi)導(dǎo)體電流密度都比較合適，而每極每相槽數(shù)q值既不過(guò)多，也不少于 2。q可在 2～6 間選取，且盡量選取整數(shù)。但在電機(jī)的系列設(shè)計(jì)中，有時(shí)為了兩種極數(shù)的電機(jī)通常用同一種沖片，q可能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)值。對(duì)于極數(shù)少，功率大的電機(jī)，q值可取較大值。根據(jù)前面的分析，我們盡可能把不同極數(shù)時(shí)的每極每相槽數(shù)選為整數(shù)槽，且都為對(duì)稱繞組，故對(duì)于2/4/12p雙繞組三速異步電機(jī)，選定子槽數(shù)為 72槽較為合適。

2.3 轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇

當(dāng)選定了定子槽數(shù)Z1以后，鼠籠轉(zhuǎn)子的槽數(shù)將受到定子槽數(shù)的約束，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2必須Z1與有一個(gè)適當(dāng)?shù)呐浜希赐ǔＫ^的槽配合。如果槽配合不適當(dāng)，則會(huì)使電動(dòng)機(jī)的性能變壞。例如出現(xiàn)起動(dòng)困難；發(fā)生電磁噪音、振動(dòng)現(xiàn)象；附加損耗變大，效率降低，溫升增高等。多速電動(dòng)機(jī)對(duì)定、轉(zhuǎn)子槽配合要求比單速電動(dòng)機(jī)高。各極下一般都應(yīng)滿足如下，定、轉(zhuǎn)子槽配合關(guān)系。

為避免徑向振動(dòng)和噪聲應(yīng)滿足

為避免啟動(dòng)時(shí)的“死點(diǎn)”和“低速潛行”應(yīng)滿足

對(duì)于雙繞組三速異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，定、轉(zhuǎn)子槽配合必須兼顧三種極對(duì)數(shù)，使三種極對(duì)數(shù)下的繞組磁勢(shì)諧波都較少。其定、轉(zhuǎn)子槽配合和所選繞組方案、節(jié)距以及其他因素有關(guān)，設(shè)計(jì)中務(wù)必抓住主要矛盾。槽配合的具體數(shù)據(jù)需要對(duì)既定繞組作出諧波磁勢(shì)分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)而確定。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)及現(xiàn)有產(chǎn)品方案，綜合考慮，暫選轉(zhuǎn)子槽數(shù)為 63槽較為合適。

2.4 轉(zhuǎn)子籠條材質(zhì)

因該電機(jī)對(duì)起動(dòng)性能有特殊要求，為滿足性能需求，現(xiàn)將轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、端環(huán)材料采用鋁錳合金，保證電機(jī)的起動(dòng)性能滿足要求。

2.5 電磁負(fù)荷及磁密的選擇

根據(jù)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及實(shí)際工程需要，將電動(dòng)機(jī)各部分磁密限定范圍選取如下：電機(jī)定子齒部≤15500GS、軛部磁密≤15000GS，轉(zhuǎn)子齒部、軛部磁密≤17000GS，齒部最窄處磁密≤18000GS。

2.6 電磁計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析結(jié)合電機(jī)設(shè)計(jì)程序計(jì)算可得三速電動(dòng)機(jī)YD 280-2/4/12 125/125/40kW的設(shè)計(jì)參數(shù)如下表2；定子槽型、轉(zhuǎn)子槽型見(jiàn)圖1；設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 定子槽型、轉(zhuǎn)子槽型

3 Ansoft仿真分析

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，利用Ansoft進(jìn)行仿真分析計(jì)算。將設(shè)計(jì)的三個(gè)不同參數(shù)的模塊導(dǎo)入至Maxwell2D有限元模塊中，軟件將自動(dòng)生成三個(gè)二維電機(jī)模型。在設(shè)置完電機(jī)的激勵(lì)和邊界條件后，進(jìn)行計(jì)算分析。三種不同工作極數(shù)狀態(tài)下的模型在0.2s時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖2所示。

圖2 YD 280-2p、4p、12p的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

電機(jī)的氣隙中磁場(chǎng)的分布直接影響著電機(jī)的電磁性能，氣隙磁密分布見(jiàn)圖3。

圖3 YD 280-2p、4p、12p的氣隙磁密分布

從圖3看出電機(jī)YD 280-2/4/12 125/125/40kW氣隙中磁場(chǎng)的分布良好，具有良好的電磁性能。

圖4為電機(jī)的瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線，電機(jī)的瞬態(tài)三相電流曲線如圖5所示。

圖4 YD 280-2p、4p、12p的瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 YD 280-2p、4p、12p瞬態(tài)三相電流曲線

由圖4可知，電機(jī)2p和4p時(shí)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)為12p時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，諧波含量較多。由圖5可知電機(jī)電三相流成正弦對(duì)稱分布，可以保證電機(jī)在三種工作轉(zhuǎn)態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩臺(tái)三速異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。下面將電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果中主要性能參數(shù)與電機(jī)設(shè)計(jì)值及標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 2p試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 4p試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電磁計(jì)算結(jié)果基本一致，滿足規(guī)范要求。

表6 12p試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)雙繞組三速電機(jī)的進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了有限元仿真分析，分析其電磁和機(jī)械性能，并對(duì)樣機(jī)方案進(jìn)行生產(chǎn)制造，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。證明樣機(jī)能夠在三種速度狀態(tài)下，安全可靠的運(yùn)行，滿足規(guī)范要求。

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ElectromagneticDesignofYD280-2/4/12Three-SpeedMotor

LiuWeixing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Electromagnetic design of three-speed motor is researched. The design scheme which meets performance standards is given based on design principle of motor, and the sample motor is produced and experimentally verified. Meanwhile, finite-element simulation analysis is carried out on the experimental sample motor, electromagnetic and mechanical performances are analyzed, and performance of sample motor is deeply researched. It is proved that the sample motor can reliably operate at three speeds.

Three-speed motor；double wound；electromagnetic design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.03

TM302

A

1008-7281(2017)06-0008-004

劉衛(wèi)星男1972年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2017-07-20