程雪玲,吳泰,馬硯芳
(江蘇清江電機(jī)制造有限公司,江蘇223005)
如何選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合來(lái)獲取電機(jī)滿(mǎn)意的性能參數(shù),一直是各電機(jī)制造廠(chǎng)非常關(guān)注的事情。據(jù)資料介紹美國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)一般也會(huì)參照這些原則來(lái)確定具體產(chǎn)品的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,廠(chǎng)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(duì)高壓鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的溫升影響及處理方法。
實(shí)例1:某工廠(chǎng)曾為客戶(hù)制造過(guò)近200 臺(tái)YKK 系列大中型高壓鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),機(jī)座號(hào)包含H450、H500、H560、H630、H710,其中H560及以下機(jī)座號(hào)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(guò)磁性槽楔脫落、松動(dòng)故障,故該批電機(jī)沒(méi)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(tái)電機(jī)因高溫問(wèn)題返廠(chǎng)處理。這些電機(jī)使用的槽配合見(jiàn)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(guò)高的電機(jī)都采用了多槽配合。
對(duì)比電機(jī)出廠(chǎng)前做過(guò)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(méi)有超過(guò)80K,可在用戶(hù)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(cè)溫元件PT100 的測(cè)試值甚至超過(guò)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(tái)NEMA 電機(jī),型號(hào)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(chēng)之三圓尺寸)分別為:560mm、327mm、110mm。在廠(chǎng)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(tái)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(cè)量的溫度已到160℃,溫升102K,電機(jī)溫升還沒(méi)有穩(wěn)定下來(lái)。
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(zhǎng),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(huì)產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)無(wú)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(duì)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(kāi)口槽或半開(kāi)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(huì)使空載附加損耗增加,因此最好也采用少槽-近槽配合。
美國(guó)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(jí)次,有利于降低附加損耗,另一方面還增加了定子線(xiàn)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(kāi)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(guò)熱。
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(duì)于采用徑向通風(fēng)(見(jiàn)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(cè)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(jiàn)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(mǎn),很難清理出來(lái)。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(wú)法將轉(zhuǎn)子鐵心中的熱量通過(guò)通風(fēng)槽管扇出來(lái),因此造成電機(jī)高溫(見(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)通風(fēng)槽片與銅條間的間隙扇出,經(jīng)過(guò)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(duì)于銅條轉(zhuǎn)子電機(jī),因過(guò)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
3.1 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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但如果磁性槽楔選材不當(dāng)或固定不良,就會(huì)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(lái),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(chǎng)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(wú)法檢測(cè)出來(lái)。
3.3 適當(dāng)加大氣隙,也是廠(chǎng)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(huì)加大空載電流,降低電機(jī)的功率因數(shù)。
3.4 對(duì)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(mǎn)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(hù)條件許可,可以將電機(jī)的冷卻方式由IC611 改為IC616。
3.5 對(duì)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(huì)增加很多。
實(shí)例中問(wèn)題電機(jī)通過(guò)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(chǎng)。
根據(jù)電機(jī)的研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合國(guó)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(jiàn)表2)。
表2 推薦使用的槽配合
由圖5 可知,錦屏二級(jí)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(wú)撞擊來(lái)流。截面流線(xiàn)表明,導(dǎo)葉翼型繞流異常平順,無(wú)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(duì)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。
由于高水頭混流式水輪機(jī)流量小、水力損失大、小開(kāi)度區(qū)運(yùn)行等缺點(diǎn),這對(duì)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(kāi)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(guó)錦屏二級(jí)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(shì)在工程實(shí)踐中得到了成功的驗(yàn)證,可為我國(guó)未來(lái)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(lè)福,陳元林,張亮.錦屏二級(jí)電站水輪機(jī)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].大電機(jī)技術(shù),2008.