【摘?要】本文介紹了YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，介紹了該類(lèi)電機(jī)的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并指出了在設(shè)計(jì)中所采取的關(guān)鍵措施。

【關(guān)鍵詞】高速三相異步電動(dòng)機(jī);電磁設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

2019年筆者接到產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)，要求設(shè)計(jì)YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動(dòng)機(jī)。工業(yè)用大中型高速電動(dòng)機(jī)始終是行業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)產(chǎn)品，加之此臺(tái)兩極高速電動(dòng)機(jī)功率較大，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大難度。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要合理的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，滿足電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

1.電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：YK6500-2/1350

額定電壓：10kV

額定電流：434A

額定頻率：50Hz

效率：97.2%

功率因數(shù)：0.89

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：2.03

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.89

堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：4.47

2.電磁設(shè)計(jì)

該電機(jī)選擇定子沖片外徑φ1350mm，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ650mm，鐵芯總長(zhǎng)1090mm，通風(fēng)道數(shù)26，定子槽型選用開(kāi)口槽，轉(zhuǎn)子槽型選用凸型槽，以利用集膚效應(yīng)使槽內(nèi)導(dǎo)體有效高度較小，使轉(zhuǎn)子起動(dòng)電阻增加、槽漏抗減小，從而提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低起動(dòng)電流，獲得滿意的啟動(dòng)性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮兼顧電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，又要考慮成本，并且溫升留有合理裕度。定子齒磁密1.51T，定子軛磁密1.49T，轉(zhuǎn)子齒磁密1.52T，轉(zhuǎn)子軛磁密1.46T，氣隙磁密0.71T。

定子采用雙層疊繞組，綜合考慮削弱諧波和定子嵌線時(shí)工藝要求，節(jié)距取2/3極距，定子接線Y接。因定子電流較大，并聯(lián)支路數(shù)選擇2路?？紤]經(jīng)濟(jì)性和電機(jī)散熱要求，熱負(fù)荷設(shè)計(jì)在3000附近。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為IM7311，主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、冷卻器、底板等幾大部分組成（見(jiàn)圖1）。軸承和定子安裝在底板上，由底板承擔(dān)電機(jī)重量和運(yùn)行扭矩，定子上安裝有空-水冷卻器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)熱交換。具有外形美觀，噪聲低、振動(dòng)小，高效節(jié)能，運(yùn)行穩(wěn)定，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 定子結(jié)構(gòu)

定子包括機(jī)座、定子鐵芯、定子線圈等關(guān)鍵部分，機(jī)座由鋼板焊接而成，保證了電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度。定子采用內(nèi)壓裝，徑向通風(fēng)道結(jié)構(gòu)，在機(jī)座內(nèi)疊片，用機(jī)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(jī)座壁板焊牢，然后進(jìn)行嵌線、整浸。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是鐵芯在機(jī)座內(nèi)固定后，不再受下幾道工序的影響而導(dǎo)致鐵芯變形，并且鐵芯壓裝好后，嵌線在機(jī)座內(nèi)進(jìn)行不易碰壞。

定子繞組為雙層疊繞組，整個(gè)定子繞組采用VPI真空壓力浸漆工藝，繞組端部和直線部位固化成整體。同時(shí)，浸漬漆充分占滿槽內(nèi)空間，提高散熱性能。

3.3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速達(dá)到2990r/min，在如此高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子各部件承受了巨大的離心力，因此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、風(fēng)扇，平衡環(huán)等。

3.3.1轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）要有足夠的強(qiáng)度。

（2）要有足夠的剛度。即其撓度必須在合理的范圍內(nèi)。

（3）臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開(kāi)額定轉(zhuǎn)速，以免發(fā)生共振。

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸時(shí)，轉(zhuǎn)軸材質(zhì)使用優(yōu)質(zhì)45#鍛鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，滿足強(qiáng)度要求。為保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性，異步電機(jī)總撓度不應(yīng)超過(guò)電機(jī)氣隙值的10%。經(jīng)計(jì)算本電機(jī)轉(zhuǎn)軸撓度設(shè)計(jì)為6.4%，符合規(guī)定之要求。本電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成了柔性軸，即一階臨界轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速。為了避免電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生共振，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開(kāi)額定轉(zhuǎn)速15%。經(jīng)計(jì)算，本電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的74%，滿足電機(jī)安全運(yùn)行的要求。

3.3.2轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯由轉(zhuǎn)子沖片疊置而成，經(jīng)離心鑄鋁鑄出槽內(nèi)導(dǎo)條和鐵芯兩側(cè)的端環(huán)，使轉(zhuǎn)子鐵芯成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體。轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸采用過(guò)盈配合，轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸通過(guò)熱套方式連接。轉(zhuǎn)子鐵芯設(shè)計(jì)有徑向通風(fēng)道，而轉(zhuǎn)子沖片開(kāi)有軸向通風(fēng)孔，保證電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)需求。為保證機(jī)械強(qiáng)度，轉(zhuǎn)子沖片為整圓沖片。

由于兩極電機(jī)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子所受離心力大，轉(zhuǎn)子鐵芯需計(jì)算離心應(yīng)力，使其不超過(guò)限值。在計(jì)算時(shí)，我們將轉(zhuǎn)子鐵芯看做厚壁圓筒，根據(jù)厚壁圓筒的機(jī)械計(jì)算原理，我們可以得知：厚壁圓筒由自身離心力所引起的切向拉應(yīng)力的最大值產(chǎn)生在其內(nèi)圓表面上。其值為：

通過(guò)計(jì)算本電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯所受應(yīng)力最大值為162MPa，滿足設(shè)計(jì)限值要求。

3.3.3轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

由于兩極電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑小、轉(zhuǎn)速高，因此適宜選用軸流風(fēng)扇。軸流風(fēng)扇的特點(diǎn)是效率高、噪音低，氣體通過(guò)軸流風(fēng)扇時(shí)一般不改變運(yùn)動(dòng)方向，正好與轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管形成的“離心風(fēng)扇”形成串聯(lián)風(fēng)扇，能夠加強(qiáng)電機(jī)的冷卻效果。風(fēng)扇整體鑄造而成，以保證機(jī)械強(qiáng)度和獲得較好的性能。

4.結(jié)語(yǔ)

該電機(jī)裝配完成后型式試驗(yàn)一次性合格，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，通過(guò)型式試驗(yàn)可以看出，本電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。目前，該電機(jī)已交付用戶使用，投入運(yùn)行近一年以來(lái)，運(yùn)行情況始終良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均正常，產(chǎn)品質(zhì)量受到了業(yè)主一致好評(píng)。此次YK6500-2/1350 10kV IP54大型兩極高速三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)成功，為公司打開(kāi)了大功率高速電機(jī)的市場(chǎng)的同時(shí)也為制造大型高速電機(jī)積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M ]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]湘潭電機(jī)廠. 交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M ]. 長(zhǎng)沙：湖南人民出版社，1978.

作者簡(jiǎn)介：

張帆，（1994年7月--），男，漢族，籍貫：遼寧;學(xué)歷：大學(xué)本科;職稱：助理工程師;研究方向：電氣。

（作者單位：泰豪沈陽(yáng)電機(jī)有限公司）