起重機(jī)用實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)性能研究

百堅毅， 王欣仁， 蘇文勝， 顧旭波

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫 214174)

0 引 言

實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)是感應(yīng)電動機(jī)的基本類型之一。它們的定子結(jié)構(gòu)與普通三相異步電動機(jī)相同，但其轉(zhuǎn)子采用鑄鐵或鑄鋼材料，融電路和磁路為一體。在大轉(zhuǎn)差率運行時，趨膚效應(yīng)比較強烈，渦流及磁通集中在轉(zhuǎn)子表面，轉(zhuǎn)子表面損耗很大。目前使用率并不是很高，但是此類電機(jī)在起重行業(yè)卻具有其獨特的優(yōu)勢[1]。

通常，各種起重機(jī)的大、小車運行機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都采用繞線轉(zhuǎn)子或鼠籠轉(zhuǎn)子電動機(jī)。配用鼠籠轉(zhuǎn)子電動機(jī)的運行機(jī)構(gòu)在直接起動時會出現(xiàn)較強烈的沖擊，影響起重機(jī)的工作質(zhì)量。采用繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子串接起動電阻，在起動時產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，能滿足起重機(jī)工作要求，是目前優(yōu)先選用的方案。使用變頻調(diào)速電動機(jī)可以解決“沖擊”問題，但價格昂貴，且使用環(huán)境條件要求高，可能改變起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，增大設(shè)備投入[2]。在一般場合，采用實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)可較好地解決以上問題。

本文采用透入深度法對實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行了分析。分別對普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子電動機(jī)和轉(zhuǎn)子表面開槽加籠型銅條結(jié)構(gòu)的實心轉(zhuǎn)子電動機(jī)的功率因數(shù)、效率和起動性能進(jìn)行了試驗驗證。通過試驗數(shù)據(jù)對比分析，得出適合起重機(jī)用的實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)。

1 應(yīng)用透入深度分析法對轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行分析與計算

實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子在磁路和繞組形態(tài)上比較特殊，即其轉(zhuǎn)子電路和磁路合為一體，整個轉(zhuǎn)子既是磁路又是電路，其等效電路和參數(shù)與普通三相異步電動機(jī)表面上有相似性，但實質(zhì)上存在較大差異[3]。以下對普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)和轉(zhuǎn)子表面開槽加籠型銅條結(jié)構(gòu)的實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的等效電路和參數(shù)進(jìn)行分析。

1.1 普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)等效電路

普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)與普通三相異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，可采用如圖1所示的T形等效電路來分析其參數(shù)和主要性能。

圖1 普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電路

用透入深度分析法對普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)進(jìn)行參數(shù)計算時，需做如下的假設(shè):

(1) 假設(shè)轉(zhuǎn)子分為兩半，每半為無限大的鐵磁介質(zhì)平板；

(2) 渦流通過寬度為πD2、厚度為Δ、長度為L的薄層，即渦流只在轉(zhuǎn)子透入深度區(qū)內(nèi)流動；渦流密度以2τ為周期沿平板寬度方向，即轉(zhuǎn)子切向正弦分布；

(3) 在透入深度區(qū)域內(nèi)，渦流密度為常值；

(4) 只存在軸向渦流，忽略徑向和切向渦流[4]。

和普通三相異步電動機(jī)一樣，在不同的轉(zhuǎn)差率下運行，轉(zhuǎn)子參數(shù)需向定子側(cè)進(jìn)行頻率歸算，其可表示為

(1)

式中:s——轉(zhuǎn)差率；

Z2——轉(zhuǎn)子阻抗；

R2——轉(zhuǎn)子電阻。

轉(zhuǎn)子電阻的求取可用以下表達(dá)式:

(2)

式中:ρ——鐵磁體的電阻率；

L——轉(zhuǎn)子軸向長度；

A——渦流通過的面積。

A可用式(3)計算:

A=πD2Δ

(3)

式中:D2——實心轉(zhuǎn)子的外徑；

s——轉(zhuǎn)差率；

ω——角頻率，ω=2πf；

μr——轉(zhuǎn)子的相對磁導(dǎo)率；

μ0——空氣的磁導(dǎo)率。

由圖1和以上各式可以得出普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電阻和定子電流的計算式:

(4)

(5)

式中:Z總——電動機(jī)總的阻抗；

Z1——定子阻抗；

Zm——激磁阻抗；

I1——定子電流；

U1——定子電壓。

1.2 籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)等效電路

如果對普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，在轉(zhuǎn)子表面開軸向窄槽，在窄槽內(nèi)插入籠型銅條。此結(jié)構(gòu)形式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子既具有傳統(tǒng)三相異步電動機(jī)的導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，又采用了實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子相當(dāng)于有兩套繞組，參數(shù)計算應(yīng)同時考慮兩者間的電磁感應(yīng)及相互作用?；\型銅條實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的等效電路可用圖2表示。

圖2 籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電路

同樣采用透入深度分析法對籠型銅條實心轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行分析計算。將籠型銅條實心轉(zhuǎn)子的整個磁路分為齒區(qū)、槽區(qū)和軛區(qū)，經(jīng)過軛區(qū)的透入深度與開槽深度有關(guān)，透入深度Δ1可按下式計算:

(6)

當(dāng)Δ=h時，Δ1=h

(7)

式中:Δ——普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子表面透入深度；

h——籠型銅條實心轉(zhuǎn)子的開槽深度。

渦流通過的面積A可用下式計算:

Α=(πD2-Nd)Δ1

(8)

式中:D2——轉(zhuǎn)子的外徑；

N——插入的銅條數(shù)；

d——銅條的寬度。

由圖2和以上各式可以得出籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電阻和定子電流的計算式:

(9)

(10)

2 試驗結(jié)果及分析

設(shè)計了兩臺定子相同的實心轉(zhuǎn)子三相異步動機(jī)，一臺轉(zhuǎn)子為普通鑄鋼結(jié)構(gòu)，另一臺轉(zhuǎn)子為籠型銅條結(jié)構(gòu)。電機(jī)基本參數(shù)如下: 額定功率:PN=7.5kW；額定電壓:UN=AC380V；極數(shù): 2p=4；接線形式: △；定子外徑:D2=210mm；定子槽數(shù):Z=36；鐵心長度:L=145mm；氣隙長度δ=0.6mm。

2.1 負(fù)載和起動試驗

分別對兩臺電機(jī)進(jìn)行性能試驗，比較得出最適合在起重運行機(jī)構(gòu)上使用的一種實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。在專門的電動機(jī)試驗臺上進(jìn)行負(fù)載試驗，采用另一臺變頻電動機(jī)作為負(fù)載進(jìn)行加載，效率、功率因數(shù)曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 效率曲線

圖4 功率因數(shù)曲線

起動性能是起重機(jī)用運行電動機(jī)重要的性能指標(biāo)。為了更好對比兩種電動機(jī)的起動性能，測取電動機(jī)的最大起動力矩，采用堵轉(zhuǎn)的方式對電動機(jī)進(jìn)行性能研究。試驗時，電動機(jī)軸端通過法蘭盤與堵轉(zhuǎn)裝置相連。試驗過程中分別測試了堵轉(zhuǎn)電流、轉(zhuǎn)矩和功率，其數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流、功率和轉(zhuǎn)矩測試值

表2 籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流、功率和轉(zhuǎn)矩測試值

2.2 試驗結(jié)果分析

通過對電動機(jī)進(jìn)行效率、功率因數(shù)和起動性能試驗可以發(fā)現(xiàn)，籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的效率和功率因數(shù)都比普通鑄鋼實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)有所提高，如圖3和圖4所示。另外籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在額定電壓時的堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較大，具有較好的起動性能。

3 結(jié) 語

應(yīng)用透入深度分析法對兩種實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)進(jìn)行了參數(shù)分析與計算。設(shè)計了兩種實心轉(zhuǎn)子電動機(jī)，分別進(jìn)行了負(fù)載和起動性能試驗。通過試驗結(jié)果分析與對比，得出籠型銅條實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)具有更高的效率、功率因數(shù)和更好的起動性能，適用于起重機(jī)械的運行機(jī)構(gòu)上。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 喬鳴忠,張曉鋒.實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機(jī)氣隙長度與性能研究[J].微特電機(jī),2008(4): 12-14.

[2] 曹志成,郎運鳴.實心轉(zhuǎn)子制動電機(jī)在起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].起重運輸機(jī)械,2000(4): 29-31.

[3] 廉濤.實心轉(zhuǎn)子籠型感應(yīng)電動機(jī)電磁計算[J].大電機(jī)技術(shù),2008(2): 26-27.

[4] 胡巖,劉濤,陳金哲.實心轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的設(shè)計研究[J].微特電機(jī),2011(11): 4-7.