異步電動機(jī)設(shè)計(jì)策略初探

洪君山

(泉州泉風(fēng)電機(jī)有限公司，福建泉州362000)

1 異步電動機(jī)的基本尺寸的確定

異步電動機(jī)輸出功率大小決定于定子內(nèi)徑大小的平方和鐵心疊長的乘積，即

在電動機(jī)的功率P、極對數(shù)p確定以后，定子的外徑D1、疊長L也基本確定(一般按中心高選取標(biāo)準(zhǔn)沖裁尺寸，也可以在體積不受限制時，向上一個機(jī)座號選取D1，以減少L)。其中，定子內(nèi)徑Di的選取非常關(guān)鍵。通常是根據(jù)現(xiàn)成沖片的尺寸，憑經(jīng)驗(yàn)選取。首先，某些基本條件是一定要滿足的，如溫升、效率、功率因數(shù)、起動性能和過載能力等均不能低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且要有一定的余量，以防大批量制造時由于工藝過程產(chǎn)生的下偏差而造成不合格品。

定子內(nèi)徑Di的選取常采取三種辦法：

(1)按中心高選取標(biāo)準(zhǔn)沖裁尺寸后，以現(xiàn)成沖片選取Di，然后通過電磁計(jì)算確定L及其它參數(shù)。這種做法在耗材、力能指標(biāo)等方面不可能有大的突破。

(2)在體積不受限制情況下，可向上一個機(jī)座號選取D1、Di，然后通過電磁計(jì)算確定L及其它參數(shù)。這種做法有可能減少耗材和小量提高效率，因?yàn)長減少了，在定子槽內(nèi)的電磁線減短了，電磁線的總長減少而減少了電阻，從而減少銅耗;同理，轉(zhuǎn)子鋁耗也有所減少，故效率有小量提高。這一做法對于需要減小軸向尺寸的電機(jī)，效果比較理想。

(3)按中心高選取標(biāo)準(zhǔn)沖裁尺寸后，通過電磁計(jì)算合理確定Di、L及其他參數(shù)。由于對電機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行精心安排和選取，所以可以在材耗減少和力能指標(biāo)提高有較大幅度的突破。

2 異步電動機(jī)電磁計(jì)算參數(shù)的選取

第一種方法效果不顯著，第二種方法是第三種方法的一種簡單做法，弄清楚第三種方法就能掌握第二種方法，故本文著重?cái)⑹龅谌N方法。在電磁計(jì)算前應(yīng)對額定參數(shù)進(jìn)行假設(shè)。

(1)確定異步電動機(jī)的軸功率P(不一定按功率等級系列選，應(yīng)按實(shí)際軸功率)、極對數(shù)p。額定電壓U、頻率f等參數(shù)，按電機(jī)的使用電源參數(shù)選取。

(2)額定起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)TST、額定最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tm。TST、Tm的確定一般按同功率等級標(biāo)準(zhǔn)選取，但對于一些特別用途的電機(jī)，如風(fēng)機(jī)、水泵、砂輪機(jī)等，一般對TST要求較低，但對Tm要求較高，可按具體設(shè)計(jì)對象的要求酌情選取。起動電流倍數(shù)IST一般按標(biāo)準(zhǔn)選取。

(3)確定效率η，可選高于標(biāo)準(zhǔn)1.5～3%。

(4)確定功率因數(shù)cos φ，可選取高于標(biāo)準(zhǔn)4%～5%。

(5)定子外圓D1一般按同功率等級的機(jī)座號標(biāo)準(zhǔn)套裁的沖裁尺寸選用。當(dāng)然，如果外形有特殊要求，亦可選用向上或向下一個沖裁尺寸。

(6)定子內(nèi)圓Di的選取是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果按照巳有系列尺寸選用，雖然簡單，即使你花大力氣進(jìn)行優(yōu)化，在節(jié)約耗材和節(jié)能方面也不會有太大的突破。特別是一些特殊用途的電機(jī)，更是不能令人滿意。

依經(jīng)驗(yàn)，此參數(shù)可按系列同極數(shù)尺寸與下一極數(shù)尺寸平均值選取。例如單相YC－2電機(jī)中心高90 mm，標(biāo)準(zhǔn)D1=145 mm，Di1=77 mm，下一極數(shù)4，Di2=87 mm，故Di=82 mm。有時，由于現(xiàn)成轉(zhuǎn)子壓鑄模具為80，且產(chǎn)品數(shù)量有限，為降低開發(fā)成本，即可選80。又例如DO256－2，中心高56，D1=90 mm，Di1=48 mm，下一級極數(shù)4，Di2=54 mm，故Di=51 mm，但經(jīng)計(jì)算，取53 mm，效果非常顯著。

(7)定、轉(zhuǎn)子鐵心疊長L一般按同功率等級疊長減少12% ～15%選取，電磁計(jì)算有一定結(jié)果后，再最后確定。對于沒有參考尺寸時，可以用公式：

式中：參數(shù)均為設(shè)定值，1－εL為滿載電勢系數(shù)，0.72～0.91，KS為磁飽和系數(shù)，1.05 ～1.35，KE為端壓降系數(shù)，0.76 ～0.85，A 為線負(fù)荷，N 為同步轉(zhuǎn)速，Bδ為氣隙磁密，0.4～0.65 T，計(jì)算結(jié)果取整或按所使用硅鋼片厚度的倍數(shù)選用。

(9)氣隙長度δ可按中心高系列所采用的氣隙長度選用，可按工藝條件及精度要求選用，氣隙長度是個非常敏感的參數(shù)，會直接影響效率和功率因數(shù)的高低，對最大轉(zhuǎn)矩、噪聲也有影響。也可按C.G.維諾特的經(jīng)驗(yàn)公式:確定。

(10)基本參數(shù)確定后，就可進(jìn)行定、轉(zhuǎn)子開槽計(jì)算。

(a)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q1、Q2的確定，一般可按國家系列同型號的槽配合選用，如按減少噪聲、振動、起動性能(單相電機(jī))、諧波等條件，在齒寬沖裁允許的情況下，可增加槽數(shù)選用。

(b)轉(zhuǎn)子開槽，可按原選用型號轉(zhuǎn)子槽面積定，或可稍加長和加寬，Di加大后，轉(zhuǎn)子齒距增大，轉(zhuǎn)子軛部也增長，故轉(zhuǎn)子槽面積可適當(dāng)增大，以減少鋁耗。可采用平行齒的梨形槽，以利于沖裁模具的制造和使用壽命。同時齒寬可較大些，以減少齒磁密。

(c)定子開槽，由于Di增大，定子齒距也增大，故定子槽可做成寬扁型，寬扁的槽形，槽漏磁導(dǎo)相對要小些，對減少漏抗有利。且面積可少13% ～18%，這可使定子軛部加長，補(bǔ)償因增加Di引起軛部的減少;一般設(shè)計(jì)成平行齒梨形槽，這有利于沖裁和定子繞組散熱，且槽有效面積較高，可選大齒寬，減小磁密，也減少了齒部磁耗。軛部有效長度CL1、CL2可比選用型號軛部稍小15% ～20%，這可減少軛磁耗。

3 電磁計(jì)算

3.1 定子繞組的計(jì)算

根據(jù) Q1、Q2確定每極槽數(shù) QP1、QP2，并計(jì)算定、轉(zhuǎn)子槽面積 S1、S2。

繞組匝數(shù)的確定三相每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)：

式中：Sδ為 氣 隙 每 極 截 面 積，Sδ= τpLδ=;τp為極矩;Bδ為氣隙磁密，0.4 ～0.65 T;KW為繞組系數(shù)。

單相每極串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)：

式中：α為極弧系數(shù);fB為波形系數(shù);Kym為主繞組系數(shù)(根據(jù)選用正弦繞組確定)。

繞組的結(jié)構(gòu)盡可能安排三相選用上、下層雙層繞組;單相選用正弦繞組，主、副繞組可安排上、下層的同槽結(jié)構(gòu)。目的是盡量減少諧波份量、電磁噪聲和增加起動能力，但應(yīng)核算槽滿率。對微小電機(jī)(100 W以下)只能采用單層或集中繞組，但因?qū)ζ饎佑懈咭?，特別是2極單相電機(jī)，還是盡量采用正弦繞組，更能保證運(yùn)行可靠。

根據(jù)繞組電流選取電磁線的線徑。由于Di增大，且定、轉(zhuǎn)子齒寬增大，所以，繞組總導(dǎo)體數(shù)可減少，又效率和功率因數(shù)都會增加，因此激磁電流和額定電流均會減少，故繞組線徑可適當(dāng)減小，電密一般可取 7.5 ～8.2 A/mm2，以進(jìn)一步減少銅材。

槽絕緣一般總厚度應(yīng)選用0.17～0.3 mm。

根據(jù)以上計(jì)算和選用每極槽數(shù)、正弦繞組各槽分配百分比，確定各槽導(dǎo)體數(shù)，然后計(jì)算各槽的槽滿率。總槽滿率應(yīng)控制在68% ～76%之間，太滿會造成嵌線困難，太松對繞組散熱不利。

計(jì)算繞組半匝長Lm。繞組端部長，在不影響繞組跨度和整形的情況下，應(yīng)盡可能減短，減小半匝長，以減小電阻，且也減小了繞組端部漏抗。

計(jì)算繞組總電阻分定子相電阻和主繞組電阻。

3.2 電磁計(jì)算

電磁計(jì)算的關(guān)鍵在于調(diào)整各部尺寸，使電密適當(dāng)，各部磁通密度均衡，氣隙磁密最好在0.68 T以下，齒磁密在1.55 T以下，軛磁密在1.45 T以下。當(dāng)然，斷續(xù)負(fù)載的電機(jī)可根據(jù)負(fù)載情況適當(dāng)放寬。

電磁計(jì)算已為大家熟知，本文不再贅述。

4 實(shí) 例

2005年為泉風(fēng)電機(jī)公司設(shè)計(jì)的一臺微型軸流風(fēng)機(jī)QA22090電機(jī)，由于軸流風(fēng)機(jī)要求軸向尺寸小，效率高，溫升低，其軸功率 P=40 W，p=2，U=220 V，f=50 Hz。如果選用DO25022定、轉(zhuǎn)子沖片，定子尺寸：D1=80 mm，Di=44 mm，L=45 mm，即使將L減小，軸向尺寸也不能滿足要求。故加大外徑至90 mm，然后按第三種方案設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子沖片，并確定疊長L。按DO25612電機(jī)定子內(nèi)徑為48，把它擴(kuò)至53 mm，通過電磁計(jì)算、模具制造、工藝加工制造和經(jīng)省中心檢驗(yàn)所檢測?，F(xiàn)把新設(shè)計(jì)電機(jī)與DO25022，AO25622電機(jī)作全面比較，性能比較如表1所示，材耗比較如表2所示。優(yōu)化后的電機(jī)特性曲線如圖1所示。

圖1 MS曲線

表1 性能比較

表2 材料消耗比較

HS－1 5612電機(jī)改繞組后用于一微型齒輪變速電機(jī)M100。由于性能高于客戶提供樣機(jī)，特別是力能指標(biāo)高5.6%，客戶非常滿意。

2008年5 月為本公司主產(chǎn)品風(fēng)機(jī)QA20060電機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片改造，原電機(jī)定子外徑81 mm，內(nèi)徑40 mm，疊長30 mm。重新設(shè)計(jì)后，外徑81，內(nèi)徑42 mm，疊長25 mm。風(fēng)機(jī)風(fēng)葉不變，負(fù)載不變。由于內(nèi)徑增大，長度減小，繞組匝數(shù)減少，半匝長減小，電阻減少，效率提高，負(fù)載轉(zhuǎn)速略有增加，因此風(fēng)量也增加了。矽鋼片節(jié)約16.7%，電磁線節(jié)約12%。該風(fēng)機(jī)每年產(chǎn)量12萬臺套以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

從以上表格和數(shù)據(jù)可以看出，通過第三種方案設(shè)計(jì)，實(shí)例電機(jī)在材耗減少的情況下，電機(jī)性能不但沒有下降，反而有一定的提高，特別是力能指標(biāo)的提高。HS－3 5622三相電機(jī)由于用作卷簾門電機(jī)，需要高起動力矩，故轉(zhuǎn)子電阻取大些(轉(zhuǎn)子端環(huán)做得小些)，所以該電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到4倍，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到2.9倍，額定電流大一點(diǎn)，功率因數(shù)和額定轉(zhuǎn)速小一些。

從電機(jī)的溫升看，新設(shè)計(jì)的電機(jī)都在30 K以下，在節(jié)材方面還有相當(dāng)潛力。

［1］ 施斌耀.單相電動機(jī)電磁計(jì)算程序［M］.中小型電機(jī)技術(shù)情報(bào)，1981.

［2］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.西安：西安交大出版社，1982.

［3］ 程福秀，林金銘.現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.