定轉(zhuǎn)子槽配合對高壓異步電動(dòng)機(jī)溫升的影響

程雪玲，吳泰，馬硯芳

(江蘇清江電機(jī)制造有限公司，江蘇223005)

0 引言

如何選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合來獲取電機(jī)滿意的性能參數(shù)，一直是各電機(jī)制造廠非常關(guān)注的事情。據(jù)資料介紹美國某公司轉(zhuǎn)子槽數(shù)(Q2)一般少于定子槽數(shù)(Q1)，即Q2＜Q1，且Q2=0.6～0.75Q1。而德國公司則采用轉(zhuǎn)子槽數(shù)大于定子槽數(shù)的槽配合，即1≤(Q2/Q1)≤1.25。國內(nèi)電機(jī)行業(yè)一般也會參照這些原則來確定具體產(chǎn)品的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，廠家因槽配合選擇不當(dāng)而導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生高溫現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。本文主要闡述定轉(zhuǎn)子槽配合對高壓鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的溫升影響及處理方法。

1 實(shí)例介紹

實(shí)例1:某工廠曾為客戶制造過近200 臺YKK 系列大中型高壓鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，機(jī)座號包含H450、H500、H560、H630、H710，其中H560及以下機(jī)座號皆為鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)鉤。電機(jī)采用空-空冷徑向通風(fēng)方式。因之前有過磁性槽楔脫落、松動(dòng)故障，故該批電機(jī)沒有采用磁性槽楔。雖然設(shè)計(jì)時(shí)熱負(fù)荷取得很低，設(shè)計(jì)溫升低于65K，但電機(jī)運(yùn)行不到6 個(gè)月，已有60 多臺電機(jī)因高溫問題返廠處理。這些電機(jī)使用的槽配合見表1。

從表1 可以看出:采用少槽配合的電機(jī)溫升都合格，而溫升過高的電機(jī)都采用了多槽配合。

對比電機(jī)出廠前做過的型式試驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)溫升高的電機(jī)鐵損試驗(yàn)值比設(shè)計(jì)值均大于20%左右。尤其異常的是有些電機(jī)型式試驗(yàn)溫升沒有超過80K，可在用戶處運(yùn)行時(shí)電機(jī)溫度卻隨時(shí)間的推移不斷攀升，繞組測溫元件PT100 的測試值甚至超過150℃(設(shè)定保護(hù)值)而導(dǎo)致電機(jī)跳閘。

實(shí)例2:2011 年試制的1 臺NEMA 電機(jī)，型號NEG5010-4 315kW 6kV。設(shè)計(jì)槽配合為48/58，電機(jī)定轉(zhuǎn)子內(nèi)外圓尺寸(通常稱之三圓尺寸)分別為:560mm、327mm、110mm。在廠內(nèi)做型式試驗(yàn)，電機(jī)鐵損7.79kW，占額定功率2.47%，溫升高達(dá)96K。

實(shí)例3:最近制造的一臺YKK560-6 1 120kW 6kV 的電機(jī)，采用徑向通風(fēng)方式，選用的槽配合也為72/86，定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑分別為950/660/423，第一次采用凸形槽的鑄鋁轉(zhuǎn)子，雖然定子采用了磁性槽楔，但是電機(jī)的溫升還是嚴(yán)重超標(biāo)，負(fù)載試驗(yàn)5 個(gè)多小時(shí)，PT100 測量的溫度已到160℃，溫升102K，電機(jī)溫升還沒有穩(wěn)定下來。

2 原因分析

2.1 定、轉(zhuǎn)子槽配合對電機(jī)附加損耗的影響

異步電機(jī)的附加損耗主要由氣隙諧波磁通引起。這些諧波磁通在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生高頻鐵耗(表面損耗和齒部脈振損耗)，在鼠籠轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生高頻電流損耗(包括斜槽轉(zhuǎn)子的橫向電流損耗)。其中以定、轉(zhuǎn)子齒諧波磁通的作用最為顯著。

當(dāng)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)很接近時(shí)，轉(zhuǎn)子齒頂?shù)膶挾葘⑹纸咏ㄗ育X諧波的波長，因此轉(zhuǎn)子齒中由定子齒諧波磁通引起的脈振較小，脈振損耗也很小。同樣，定子齒中由轉(zhuǎn)子齒諧波磁通引起的脈振損耗也較小。因此，選擇異步電機(jī)的槽配合，從減少附加損耗出發(fā)，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)應(yīng)盡量接近，但不能相等，因?yàn)檫@會產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)無法起動(dòng)。

采用多槽轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子中的諧波損耗雖然比少槽轉(zhuǎn)子有所增加，但因轉(zhuǎn)子齒諧波幅值減小，它在定子齒中產(chǎn)生的脈振損耗也隨之減小，因此總的附加損耗與采用少槽的差不多。但對于斜槽鑄鋁轉(zhuǎn)子，由于導(dǎo)條間由橫向電流引起的損耗較大，而且隨著槽數(shù)的增加而迅速增大，轉(zhuǎn)子側(cè)的附加損耗比定子側(cè)的大很多。因此在斜槽鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)中，一般都采用少槽-近槽配合，即定轉(zhuǎn)子槽數(shù)接近，且轉(zhuǎn)子槽數(shù)略小于定子槽數(shù)。

當(dāng)定子為開口槽或半開口槽、轉(zhuǎn)子為直槽鑄鋁轉(zhuǎn)子時(shí)，如轉(zhuǎn)子槽數(shù)多于定子槽數(shù)，會使空載附加損耗增加，因此最好也采用少槽-近槽配合。

美國某公司電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn):一是采用少槽配合;二是采用徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)。少槽配合可以減小空載附加損耗;定子槽數(shù)多一方面可以提高定子齒諧波的級次，有利于降低附加損耗，另一方面還增加了定子線圈總的散熱面積，可以彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道風(fēng)壓小、風(fēng)量不足的缺點(diǎn)，從而降低電機(jī)的溫升。

實(shí)例1 為6kV、10kV 中型高壓電機(jī)，徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)。溫升不合格的鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)定子槽全部為開口槽，轉(zhuǎn)子為直槽，且采用多槽配合，因此電機(jī)的附加損耗高，從而引起電機(jī)過熱。

2.2 定、轉(zhuǎn)子多槽配合對轉(zhuǎn)子風(fēng)路的影響

選用多槽配合的電機(jī)還可能存在一個(gè)嚴(yán)重缺陷，就是轉(zhuǎn)子齒部間距小，通風(fēng)槽管占據(jù)的面積大，管間距離太小，影響通風(fēng)散熱。尤其對于采用徑向通風(fēng)(見圖1)的多極數(shù)電機(jī)，影響更為嚴(yán)重。因此采用多槽配合，務(wù)必仔細(xì)校核轉(zhuǎn)子槽齒間距。通常兩通風(fēng)槽管之間最小距離必須大于5mm。實(shí)例2 和實(shí)例3 則主要是受轉(zhuǎn)子風(fēng)道被堵、風(fēng)路不暢的影響。我們將電機(jī)頂部的空-空冷卻器移去，空載運(yùn)行電機(jī)，用風(fēng)速儀從電機(jī)頂部測試定子通風(fēng)道口風(fēng)速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)速幾乎為零。典型的空-空冷徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)例2 電機(jī)NEG5010-4 315kW 6kV 轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽板兩通風(fēng)槽管間最小間隙只有2mm，鑄鋁時(shí)有漏鋁將之間間隙填滿，很難清理出來。由于該電機(jī)采用徑向通風(fēng)，電機(jī)徑向風(fēng)扇裝轉(zhuǎn)子兩側(cè)，冷風(fēng)從機(jī)座兩端進(jìn)，從機(jī)座中間出。轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽片無法將轉(zhuǎn)子鐵心中的熱量通過通風(fēng)槽管扇出來，因此造成電機(jī)高溫(見圖2)。

圖2 NEG5010 轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽板

實(shí)例2 電機(jī)重做鑄鋁轉(zhuǎn)子，槽配合改用48/38，即轉(zhuǎn)子槽數(shù)由58 槽減少到38 槽，適當(dāng)加大轉(zhuǎn)子槽截面積，保持轉(zhuǎn)子鋁條總體積不低于之前。經(jīng)過整改后電機(jī)鐵損下降了1.83kW，溫升下降到77.8K。

實(shí)例3 電機(jī)YKK560-6 1120kW 6kV 拆去冷卻器，抽出轉(zhuǎn)子檢查，情況與實(shí)例2 非常相似。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，因采用了多槽配合，鑄鋁轉(zhuǎn)子通風(fēng)慒管間間隙太小(2.5mm，見圖3)，將風(fēng)道堵塞，使風(fēng)路不暢。后更換了銅條轉(zhuǎn)子，雖然還是相同的槽數(shù)，但由于取消了通風(fēng)槽管，轉(zhuǎn)子齒部間距最小值已達(dá)12.2mm，轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽片扇出的熱風(fēng)可以通過通風(fēng)槽片與銅條間的間隙扇出，經(jīng)過定子鐵心的通風(fēng)道吹向機(jī)座上端的冷卻器，風(fēng)路暢通。電機(jī)溫升降到52.7K，鐵耗下降8.1kW，效率增加0.8%。由此可以看出，對于銅條轉(zhuǎn)子電機(jī)，因過轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)面積擴(kuò)大了數(shù)倍，則受多槽配合的影響較小。

圖3 YKK560-6 6kV 銅條轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽板

3 降低電機(jī)溫升的方法

3.1 采用磁性槽楔，可以降低電機(jī)溫升10K 左右。使用磁性槽楔不僅可以降低電機(jī)的表面附加損耗，降低電機(jī)溫升，還可降低電機(jī)的成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力。但如果磁性槽楔選材不當(dāng)或固定不良，就會引起松動(dòng)、脫落，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子內(nèi)磨、電機(jī)燒毀等嚴(yán)重故障。為此，采用新的高強(qiáng)度導(dǎo)磁板加工制造的磁性槽楔，并將定子槽層間、槽楔下面的墊條材料由以前的層壓板3240、3241 更換為熱膨脹板。新材料、新工藝使用以來，未出現(xiàn)槽楔脫落現(xiàn)象，有效地解決了磁性槽楔松動(dòng)、脫落這一困擾很多電機(jī)廠家的難題。

3.2 轉(zhuǎn)子采用閉口槽，也可以達(dá)到減少表面附加損耗的效果。但閉口槽鑄鋁轉(zhuǎn)子質(zhì)量比較難于控制，因?yàn)檗D(zhuǎn)子如有錯(cuò)片、細(xì)條等缺陷，目視法無法檢測出來。

3.3 適當(dāng)加大氣隙，也是廠家常常采用的一個(gè)降低溫升的非常方便且效果顯著的辦法。這種方法既可以降低電機(jī)表面附加損耗，提高電機(jī)效率，又可以改善電機(jī)的通風(fēng)。其缺點(diǎn)是會加大空載電流，降低電機(jī)的功率因數(shù)。

3.4 對于YKK 系列電機(jī)，可以更換空-空冷卻器，適當(dāng)加大冷卻器的換熱容量(因鐵損加大，原設(shè)計(jì)的容量不能滿足要求)，適當(dāng)加大外風(fēng)扇的直徑和換熱管的數(shù)量。如客戶條件許可，可以將電機(jī)的冷卻方式由IC611 改為IC616。

3.5 對于鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)，在保持定子槽數(shù)不變的情況下，選用合適的少槽配合轉(zhuǎn)子槽數(shù)，重做鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵心予以更換，效果顯著，成本增加不多。

3.6 在定轉(zhuǎn)子槽數(shù)不變的情況下，將鑄鋁轉(zhuǎn)子更換為銅條焊接轉(zhuǎn)子，可以達(dá)到更佳的降溫效果，但成本會增加很多。

實(shí)例中問題電機(jī)通過采用以上幾種方法進(jìn)行返工，電機(jī)的溫升全部降到80K 以下，合格出廠。

4 推薦使用的槽配合

根據(jù)電機(jī)的研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國內(nèi)外電機(jī)行業(yè)的資料介紹，推薦以下行之有效的鼠籠型電機(jī)槽配合(見表2)。

表2 推薦使用的槽配合

由圖5 可知，錦屏二級研發(fā)項(xiàng)目負(fù)曲率導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成果，最優(yōu)轉(zhuǎn)角時(shí)頭部速度矢量均勻分布梯度合理，幾乎達(dá)到無撞擊來流。截面流線表明，導(dǎo)葉翼型繞流異常平順，無分離渦流等現(xiàn)象發(fā)生，有益于導(dǎo)葉水力性能的提高。

根據(jù)水輪機(jī)效率對比試驗(yàn)結(jié)果，兩種翼型導(dǎo)葉水輪機(jī)模型最優(yōu)效率比較如圖6 所示。

綜上所述，負(fù)曲率導(dǎo)葉具有更小的水力損失和更為理想的水流流態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果也表明，使用負(fù)曲率導(dǎo)葉水輪機(jī)水力效率得到較為明顯的提升。

3 結(jié)語

由于高水頭混流式水輪機(jī)流量小、水力損失大、小開度區(qū)運(yùn)行等缺點(diǎn)，這對活動(dòng)導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。負(fù)曲率導(dǎo)葉特殊的翼型特征，在改善小轉(zhuǎn)角時(shí)頭部繞流、降低小開度區(qū)水力損失、提高高水頭混流式水輪機(jī)效率水平等方面具有顯著作用，更適用于高水頭大容量混流式水輪機(jī)的研發(fā)。負(fù)曲率導(dǎo)葉應(yīng)用于我國錦屏二級高水頭大容量混流式水輪機(jī)研發(fā)項(xiàng)目中，其顯著的技術(shù)優(yōu)勢在工程實(shí)踐中得到了成功的驗(yàn)證，可為我國未來雅魯藏布江流域規(guī)劃建設(shè)的大批量高水頭大容量混流式水輪機(jī)的水力研發(fā)提供借鑒。

［1］ 程良駿.水輪機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.10.

［2］ 張樂福，陳元林，張亮.錦屏二級電站水輪機(jī)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2008.