鳳 發(fā)

（廣西恒達(dá)電機(jī)科技有限公司，廣西 來賓546100）

0 引言

阻尼繞組是由若干個阻尼環(huán)形成，是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中必不可少的一部分。原有的阻尼繞組采用鍛造銅板材料切削加工而成，加工復(fù)雜、制作成本高、加工周期長、散熱差。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時存在離心力（電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的）與熱應(yīng)力（電機(jī)運(yùn)行中由阻尼繞組電流變化引起的發(fā)熱），兩種破壞力疊加在阻尼繞組上。由于原有傳統(tǒng)設(shè)計的同步電機(jī)阻尼繞組因結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，易出現(xiàn)受熱、松動、故障等問題，容易導(dǎo)致金屬疲勞斷裂。尤其是鋼鐵、水泥、鋁業(yè)等大型企業(yè)因同步電機(jī)阻尼繞組故障而導(dǎo)致停機(jī)的現(xiàn)象較多，影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。

1 同步電機(jī)存在的問題

同步電動機(jī)屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機(jī)。

由于同步電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流使它在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，因此，大型設(shè)備，如大型鼓風(fēng)機(jī)、水泵、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等，常用同步電動機(jī)驅(qū)動。低速的大型設(shè)備采用同步電動機(jī)時，這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出。此外，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負(fù)載而變。這一特點(diǎn)在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機(jī)同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機(jī)一般是在過載狀態(tài)下運(yùn)行，其過載能力比相應(yīng)的異步電動機(jī)大。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定于電壓和電機(jī)勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩往往下降為64%左右，并因帶不動負(fù)載而停止運(yùn)轉(zhuǎn)；而同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強(qiáng)行勵磁來保證電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

多年來，針對我國80%以上的電機(jī)產(chǎn)品因電動機(jī)及被拖動設(shè)備運(yùn)行效率低，電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備陳舊落后，電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率比國外先進(jìn)水平的電機(jī)低2% ～5%，設(shè)備長期低負(fù)荷運(yùn)行。國家一直積極推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)行業(yè)能效提升工程，推進(jìn)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)能效提升及變壓器等高耗能通用設(shè)備改造，鼓勵在電機(jī)系統(tǒng)實(shí)施永磁同步伺服電機(jī)、高壓變頻調(diào)速等技術(shù)改造，積極發(fā)展高效電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)。因此，我國在提高電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)節(jié)能管理方面有著巨大需求。

在電機(jī)技術(shù)改造過程中，同步電機(jī)均存在一個關(guān)鍵問題，即用于穩(wěn)定和緩和同步電機(jī)工作過程中電機(jī)速度變化平穩(wěn)性的阻尼繞組容易產(chǎn)生斷裂和變形，影響同步電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。且同步電機(jī)速度在頻繁變化時，阻尼繞組也需要頻繁改變電流的大小，使電機(jī)速度緩和穩(wěn)定。由于頻繁的大電流會使阻尼繞組產(chǎn)生較大的熱量，在熱量變化過程中使阻尼繞組材質(zhì)發(fā)生性變，產(chǎn)生熱應(yīng)力疲勞而影響材料強(qiáng)度。因此，同步電機(jī)阻尼繞組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的疲勞斷裂，嚴(yán)重影響著電機(jī)的運(yùn)行效率，使得電機(jī)運(yùn)行效率降低10%左右。

同步電機(jī)的阻尼繞組在電機(jī)運(yùn)行過程中起到一個緩沖和穩(wěn)定的作用。每當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，阻尼繞組的電流也隨之變化，以期速度趨向穩(wěn)定。當(dāng)同步電機(jī)運(yùn)行啟動運(yùn)轉(zhuǎn)時，阻尼繞組中的電流大，繞組的發(fā)熱變形最為嚴(yán)重。當(dāng)然，電動機(jī)運(yùn)行中速度變化頻繁時，阻尼繞組中的電流變化也大，發(fā)熱量俱升，阻尼繞組的變形也隨之加重[1-2]。這種變形除了阻尼繞組受旋轉(zhuǎn)速度變化帶來的變形外，主要是受熱應(yīng)力的作用后的斷裂和變形。因此，在同步電機(jī)運(yùn)行中埋下了隱患，導(dǎo)致了設(shè)備故障。

2 同步電機(jī)阻尼繞組的技術(shù)創(chuàng)新

為解決該技術(shù)難題，廣西恒達(dá)電機(jī)科技有限公司技術(shù)團(tuán)隊通過十余年來處理同步電動機(jī)阻尼繞組的故障，逐步摸索出同步電動機(jī)阻尼繞組設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)布置存在的缺陷，提出了一個新的設(shè)計理念，其目的是解決同步電動機(jī)阻尼繞組存在的斷裂和變形等缺陷。

2.1 同步電機(jī)阻尼繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組由若干個阻尼環(huán)形成，在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子勵磁繞組外疊加一個短路環(huán)，其作用隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，對電機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定起調(diào)節(jié)作用。電機(jī)正常運(yùn)行時，由于定轉(zhuǎn)子磁場是同步旋轉(zhuǎn)的，因此阻尼繞組沒有切割磁感線磁通量，也沒有感應(yīng)電流。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速低于定子磁場的轉(zhuǎn)速時，阻尼繞組切割定子磁通產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在阻尼繞組上產(chǎn)生的力矩使轉(zhuǎn)子加速，二者轉(zhuǎn)速差距越大，則此力矩越大，加速效應(yīng)越強(qiáng)。因此，阻尼繞組對電機(jī)運(yùn)行的動態(tài)穩(wěn)定有良好的調(diào)節(jié)作用[3]。

本設(shè)計是將原有同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時存在的離心力與熱應(yīng)力兩種破壞力疊加在阻尼繞組上，改為允許阻尼繞組弧形結(jié)構(gòu)有限的形變，采用吸收與抵消破壞力的措施，提高整體阻尼繞組的使用壽命。

具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[4]。

圖1 同步電機(jī)阻尼繞組結(jié)構(gòu)圖

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上由若干個阻尼環(huán)形成的阻尼繞組，包括轉(zhuǎn)子1、極相組線圈2 和極相組鐵芯5，阻尼繞組4 安裝在極相組鐵芯的兩端，轉(zhuǎn)子的外周均勻設(shè)有極相組線圈，每一個相組線圈的中間部位均有極相組鐵芯；阻尼繞組包括若干個阻尼環(huán)和若干個導(dǎo)電桿，極相組鐵芯兩端的側(cè)壁上均勻設(shè)有一排弧形布置的固定孔6，阻尼環(huán)3 與固定孔相匹配呈弧形狀。每一個極相組鐵芯的兩端外分別各設(shè)有一個阻尼環(huán)，在阻尼環(huán)的兩端相對彎曲的設(shè)有圓弧狀的連接部分7，阻尼環(huán)通過連接部分首尾相連后形成一個封閉的環(huán)形狀，并且連接部分的拐角處于相鄰兩個極相組線圈正中間；導(dǎo)電桿的一端連接阻尼環(huán)的外表面，導(dǎo)電桿的另外一端固定到固定孔內(nèi)形成與固定孔相匹配的弧形結(jié)構(gòu)。

2.2 同步電機(jī)阻尼繞組技術(shù)原理

本技術(shù)原理是將每個磁極的阻尼環(huán)制作成半圓環(huán)形狀，并將半圓環(huán)形狀的兩端分別固定在轉(zhuǎn)子本體上。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，在每個磁極上的離心力F 的反向，必然有一個與其方向相反的拉力F’，這個力起到了限制乃至抵消離心力的作用。如果電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，在阻尼環(huán)的另一端同樣也會形成另一個與F力相反的拉力F’。

如圖2 所示，f1 和f2 表示軸向熱變形力，F(xiàn) 表示A 點(diǎn)的離心力，F(xiàn)1 表示A 點(diǎn)的法向力，F(xiàn)2 表示A點(diǎn)的切向力，F(xiàn) 表示A 點(diǎn)的反向拉力。阻尼環(huán)斷裂的原因是電機(jī)運(yùn)行中由阻尼繞組電流變化引起的發(fā)熱導(dǎo)致阻尼環(huán)的軸向變形，同時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力F 加速阻尼環(huán)的變形和金屬疲勞斷裂。

圖2 阻尼繞組的受力分析圖

通過技術(shù)創(chuàng)新的阻尼繞組由兩端弧形連接部分組成，可以吸收和釋放破壞力，并且將原阻尼繞組的離心力與熱應(yīng)力兩種破壞力改為允許有限的形變，通過吸收與抵消的措施來求得一個平衡，創(chuàng)造一個平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境。最終使得阻尼繞組的弧形結(jié)構(gòu)有良好的抗變形強(qiáng)度，可減少電機(jī)在正反轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生法向力F1 和切向力F2 對阻尼繞組金屬疲勞的破壞。

同樣，當(dāng)電機(jī)的電流增大，阻尼繞組的變形只能沿軸向延伸，因?yàn)樽枘崂@組布置在極相組表層的固定孔中，不可能徑向移動。阻尼繞組直接固定在若干個連接部分，增加了阻尼繞組的強(qiáng)度。電流大引起的熱變形率大致相當(dāng)，因?yàn)閮烧叩妮d流量也是有一定的比例，但電流密度是相似的。

3 創(chuàng)新效果

本項技術(shù)創(chuàng)新解決了同步電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組多年沒有解決的技術(shù)難題。這種設(shè)計理念的同步電機(jī)阻尼繞組結(jié)構(gòu)通過多年的推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，實(shí)踐證明本項技術(shù)創(chuàng)新是可行的，可有效提高同步電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量、減少設(shè)備故障率，達(dá)到節(jié)能效果。具體效果如下：

（1）結(jié)構(gòu)輕盈，有利于減小轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡。

（2）制作簡單，減少傳統(tǒng)阻尼繞組的鍛造銅板材料切削加工，節(jié)約材料，大幅度降低造價。

（3）該阻尼繞組設(shè)計的弧形結(jié)構(gòu)散熱面積大，在電機(jī)運(yùn)行時加大迎風(fēng)面積，加速散熱。

（4）該阻尼繞組的弧形結(jié)構(gòu)有良好的屈服應(yīng)力，可改善電機(jī)在正反轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的法向力和切向力對阻尼繞組金屬疲勞破壞。

4 結(jié)束語

對電機(jī)解體檢修來進(jìn)行應(yīng)急處理，不能從根本上消除故障。以原電機(jī)為基礎(chǔ)，經(jīng)過性能失效分析、使用壽命評估和技術(shù)改進(jìn)，對同步電機(jī)阻尼繞組進(jìn)行重新工藝設(shè)計、制作，才能保證電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，無論是性能還是質(zhì)量都優(yōu)于原有的產(chǎn)品[5]。解決了原有同步電機(jī)阻尼繞組存在的的斷裂和變形等缺陷，達(dá)到了降低成本、加速散熱、穩(wěn)定運(yùn)行、改善金屬疲勞的效果，提高了同步電機(jī)的運(yùn)行效率和使用壽命。