(重慶賽力盟電機有限公司，重慶 401329)

當前我國大部分的工業(yè)拖動都是采用交流感應電機作為驅(qū)動的。對于風機、水泵類負載，若采用恒速驅(qū)動，會浪費很多能源。因為這類感應電機一般都是按照滿足額度負載研制的，而在實際運行中常處于空載和輕載的狀態(tài)，產(chǎn)生“大馬拉小車”的現(xiàn)象，嚴重浪費了能源。若采用變速驅(qū)動節(jié)能技術，既能滿足生產(chǎn)設計要求，又能大量調(diào)節(jié)風機、水泵類負載的流量，是該類負載的最佳節(jié)能方法，可以節(jié)約21%以上的能源。調(diào)速技術中，采用變極調(diào)速電機對于有級調(diào)速，是最經(jīng)濟實用的一種方法。

目前14/16極三相異步電機并沒有成熟的槽配合可供選擇，也沒有相應的出線方式，因此有必要開發(fā)14/16極三相異步電機定轉(zhuǎn)子槽配合和出線方式。

本文研發(fā)的變極電機采用單繞組，在不同極數(shù)下采用同一套繞組，通過改變繞組的接法來實現(xiàn)變極，因此要選擇同一槽配合。槽配合的選擇尤其困難，要保證兩種極數(shù)下普通電機槽配合選用的原則，還要考慮兩種極數(shù)下繞組磁勢無“次諧波”，以防止電機產(chǎn)生電磁振動、電磁噪聲和損耗發(fā)熱等問題。

由于同一套繞組要接成兩個極數(shù)，因此線圈的抽頭數(shù)量較多。在生產(chǎn)制造過程中，繞組的接線非常困難，相序清理困難，非常煩瑣，也容易出錯，這就需要在研發(fā)之初做更多更細的分析，選擇更合適的槽配合，并作出變極前、后的接線原理圖，算出繞組分布系數(shù)，再核算電磁方案及各項性能參數(shù)。

1 設計開發(fā)

1.1 初步選擇定、轉(zhuǎn)子槽配合

為減小電機運行產(chǎn)生徑向振動和噪聲，需滿足Z1-Z2≠±1，Z1-Z2≠±p±1，Z1-Z2≠±2p±1；為避免啟動時產(chǎn)生死點和低速爬行，應避免Z1≠Z2，Z1-Z2≠±p，Z1-Z2≠±2p。選擇電機樣機的定子槽數(shù)為144，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為108，變極前極對數(shù)p為7，變極后極對數(shù)p為8，經(jīng)校核上述關系式成立，電機變極前后均可正常運行。

1.2 電機繞組分布系數(shù)的確定

單繞組近極比變極通常有反向變極法和換相變極法。本電機采用換相法變極，變極前、后繞組具體接法見圖1。

1.3 電磁方案的確定

圖1 變極前、后繞組具體接法

圖2 電機不同負荷下的各項性能參數(shù)計算輸出

1.4 選取合理的定、轉(zhuǎn)子尺寸

選取合理的定、轉(zhuǎn)子尺寸，具有更合理高、寬比的槽形，減小線圈嵌線間隙，提高槽滿率，使電機的電磁負荷取值更合理。從樣機的試驗結果可知，程序完全滿足產(chǎn)品設計的需求。程序可對電機運行時的性能進行理論計算，反之也給電機設計參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

1.5 主要零部件結構強度分析

根據(jù)電機的運行特點，著重對電機的主要零部件結構強度進行了研究。運用SOLIDWORKS及UG等三維軟件，采用有限元法對機座、端蓋、轉(zhuǎn)軸等結構件進行應力分析和強度計算；對轉(zhuǎn)子線圈端部、引出銅條和引出電纜的固定進行了研究，可有效減少轉(zhuǎn)子故障，大幅度提高發(fā)電機運行時的可靠性。簡略分析了該機座的應力、應變情況，從應力分析圖(見圖3)可以看出：該機座的最大變形量為7.785e-002，且為局部很小面積，而其他的大面積變形量在3.093e-002以內(nèi)。其屈服應力為2.141e+007(許用屈服應力2.350e+008)，所以該機座的剛性和強度完全能滿足使用要求。

1.6 軸承裝配

通過對電機所帶負載特性的研究，提出了電機在不同負載情況下選擇用不同的軸承裝配。該電機由于要求承受向下的軸向水推力22 t，外加電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量7.4 t，因此其推力軸承選用了軸向推力瓦加導軸承，使電機在運行時既能滿足負載能力，又能減小軸承的噪聲和損耗，并在電機設計時進行了有效考慮。

圖3 應力分析圖

1.7 絕緣結構

定子采用F級絕緣，電磁線采用自粘性雙玻薄膜繞包云母帶繞包扁銅線，定轉(zhuǎn)子均采用環(huán)氧酸酐少膠VPI絕緣技術，可大大降低絕緣厚度，縮短線圈制造和浸烘時間，緩解生產(chǎn)流程的瓶頸問題，產(chǎn)能變成原來的兩倍；并且在增強繞組整體絕緣性和防潮性能的同時節(jié)約了能源，降低了對工人身體的損害，非常有利于環(huán)保。

1.8 繞組的接線圖設計

本電機以14P為基本極，2Y接法，16P時為△接法，兩種接法下三相磁勢大小相等且對稱。繞組端部聯(lián)線共需30個抽頭，其中24個抽頭布置在改極接線盒，另6個抽頭引到定子主接線盒。每次變極前需待電機完全停下后，進行放電安全處理，再采用手動調(diào)換連接片實現(xiàn)變極。

所有抽頭采用新型高安全高壓絕緣子和接線螺栓結構，定子繞組電纜與接線螺栓采用先進的冷壓工藝，保證接觸電阻一致，提高可靠性。連接片采用銅質(zhì)鍍銀，保證接觸良好和強耐腐蝕性。

1.9 冷卻器計算

將高轉(zhuǎn)速電機變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子圓周速度降低，軸承發(fā)熱現(xiàn)象得到改善。雖然電機因轉(zhuǎn)速降低造成通風條件變差，但因定子電流減小，定子銅耗明顯降低，發(fā)熱量也會減少，所以不會造成電機整體溫度的升高，轉(zhuǎn)子風扇不用變化，冷卻通風系統(tǒng)也只須考慮高速時的情況。圖4是運用CAE計算機輔助工程軟件對電機的風路及冷卻器的風量、水量，以及管數(shù)所做的精確計算結果截圖，這樣使冷卻器的冷卻效果更佳，熱交換效率更高，更節(jié)材。

2 型式試驗

變極前、后型式試驗數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 變極前(14P時)

參數(shù)設計值標準值試驗值PCU1/W21 043-21 082PCU2/W9 425-9 457Pfe/W22 427-21 526Ps/W9 355-9 276Pw/W9 000-9 011P總/W71 250-70 352額定轉(zhuǎn)速/(r/min)426-425振動/(mm/s)-2.31.0噪聲/dB(A)-10297

空～水冷卻器電機發(fā)熱量84kW進水溫度33℃進風溫度60℃出水溫度35℃出風溫度40℃水密度γ1994.27kg/m3空氣密度γ21.093kg/m3水比熱C10.998kcal/kg.℃空氣比熱C20.24kcal/kg.℃水量Q136.40266m3/h風量Q23.82502m3/s進水量25m3/h水管有效長度2100mm水管全長2138mm水管數(shù)量108根水管直徑14mm翅片長360mm翅片寬200mm翅片數(shù)量1728片冷卻器有效寬360mm水路數(shù)4換熱面積248.832m2水流通面積0.00416m2水速0.835406m/s迎風面積1.512m2迎面風速2.483041m/s傳熱系數(shù)42.5329空氣質(zhì)量流量4.129794kg/s水質(zhì)量流量6.94444kg/s傳熱單元數(shù)2.519892兩液體質(zhì)量比0.14445冷卻效率系數(shù)0.940509實際出風溫度34.6063℃實際換熱功率106.6537kW出水溫度36.6682℃空氣壓降74.42341Pa水壓降6.31688kPa風量Q23.754358m3/s

圖4 運用CAE計算機輔助工程軟件對電機所做的精確計算

表2 (續(xù))

從以上對比分析可以看成，該電機各項性能指標均高于相關標準要求，全部合格，效率和功率因數(shù)接近設計值，轉(zhuǎn)矩均高于設計值，各種損耗均接近于設計值 ，其中空載電流也與設計值相當，占額定電流的36%，比較合理。

電機試車時，聲音也比較柔和，電磁噪聲、電磁振動很小，可見該電機的槽配合選擇比較合適，各種磁場密度、氣隙磁密都設計得比較合適。

電機變極前、后的轉(zhuǎn)速分別為425 r/min和375 r/min，可見電機線圈通過改變接法，變極前、后達到了各自的額定轉(zhuǎn)速，線圈的接法正確。

綜上所述，該電機經(jīng)試驗驗證合格，證明該設計方案是成功的，產(chǎn)品能滿足用戶要求。

3 電機使用情況

目前4臺YLKS900-14/16 1 800 kW/1 200 kW 6 kV IP54電機產(chǎn)品已全部交付用戶使用了一年時間，期間用戶未反饋有問題發(fā)生，質(zhì)量可靠。

4 結論

1)該設計是成功的。

2)出廠、型式試驗和用戶使用均證明本產(chǎn)品是安全可靠的，且性能優(yōu)良。

3)根據(jù)相同理論可在不同極數(shù)間變換，可以大力推廣類似電機市場，擴大該類產(chǎn)品的產(chǎn)量。