新型高壓三相異步電動機的分析與設(shè)計

顧雪政，許海峰，顧海勤

(1萬高(南通)電機制造有限公司，江蘇南通 226015; 2南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南通 226019)

新型高壓三相異步電動機的分析與設(shè)計

顧雪政1，許海峰1，顧海勤2

(1萬高(南通)電機制造有限公司，江蘇南通 226015; 2南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南通 226019)

針對現(xiàn)有高壓三相異步電動機體積大，有效材料的利用程度低等缺陷，提出一種新型高壓三相異步電動機。該電機以新型鑄鐵機座為基礎(chǔ)，結(jié)合實際生產(chǎn)裝配能力，對電機的鐵心尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。測試表明電機運行穩(wěn)定，性能良好。

新型鑄鐵機座;鐵心尺寸;冷卻系統(tǒng)

0 引言

隨著用戶對電機各項要求的不斷提高，生產(chǎn)材料、工藝和技術(shù)也得到了快速發(fā)展。本文以提高電機有效材料利用系數(shù)為目標，根據(jù)電機設(shè)計的一般思路，以新型鑄鐵機座為基礎(chǔ)，對普通箱式三相異步電機的鐵心尺寸進行重新劃分，并借助計算機模擬軟件進行仿真，設(shè)計一種新型箱式三相異步電動機。

1 新型電機鐵心尺寸的設(shè)計

首先分析理想條件下三相異步電機有效體積與功率的關(guān)系，得出以下公式

式中，Di1—定子鐵心內(nèi)徑;Lef—鐵心計算長度; Kdp—電機繞組系數(shù);Bg—氣隙磁密幅值;A—線負荷;P—電機計算功率;n—電機轉(zhuǎn)速。

由于現(xiàn)有材料的限制，電機氣隙磁密值與線負荷在一定范圍內(nèi)變動不大，而且根據(jù)電機的設(shè)計要求，繞組系數(shù)的變化范圍也小。所以，8．6/KdpBgA可以近似看為一常數(shù)，通常稱為電機常數(shù)C。設(shè)計電機時，首先確定電機常數(shù)C，對于功率和極數(shù)一定的電機而言，其有效體積Di12Lef就初步確定了。由式(1)可知，Di12與P成正比，因此在設(shè)計中心高相等的電機時，Di1的取值應(yīng)盡可能大，以縮短定子鐵心計算長度Lef，從而減小整個電機的尺寸。

普通箱式三相異步電動機常采用鋼板焊接機座，考慮到電機定子鐵心的安裝(定子外徑不能過大)和定子軛部磁密的大小，定子鐵心內(nèi)徑Di1的取值往往較小，因而設(shè)計的電機都較長，在安裝空間上受到一定的限制。針對上述問題，專門設(shè)計出一種緊湊型三相異步電動機，該電動機選用新型鑄鐵機座并采用熱套法對定子鐵心進行壓裝，中心高450mm鑄鐵機座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型鑄鐵機座

該新型機座的原材料為灰鑄鐵FC-200，機座的長、寬、高分別為1320mm、980mm、955mm;機座內(nèi)徑829．7mm;第一、二、三、四定位銷與前端蓋安裝面的距離分別為585mm、625mm、665mm、705mm;機座底腳長、寬分別為350mm、200mm;底腳安裝孔的孔距分別為900mm和850mm;前底腳安裝孔與前端蓋安裝面距離為189．7mm。

以一中心高450mm，功率1200kW，極數(shù)4p，電壓6kV，冷卻方式為IC611的普通三相異步電動機為例，其機座長1728mm，鐵心基本尺寸如下:定子外徑D1=770mm;定子內(nèi)徑Di1=480mm;轉(zhuǎn)子外徑D2=475mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)Di2=190mm;鐵心計算長度Lef=625mm;定轉(zhuǎn)子槽型如圖2所示。定子齒部與軛部磁密分別為1．410T，1．774T;轉(zhuǎn)子齒部與軛部磁密分別為1．521T，1．755T;氣隙磁密為0．828T;每極磁通量為129．05mWb。

圖2 定轉(zhuǎn)子槽型

根據(jù)上述普通三相異步電動機的基本參數(shù)，對其鐵心進行優(yōu)化設(shè)計。為滿足部分模具的通用性，提高生產(chǎn)效率，新型電機的定轉(zhuǎn)子槽型與普通電機定轉(zhuǎn)子槽型保持一致。同時，為了削弱同步、異步附加轉(zhuǎn)矩，使電機具有良好的起動性能，在槽配合的選擇上，定子槽數(shù)Z1和轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2分別為48和58。

為使新型電機的性能滿足要求，電機定轉(zhuǎn)子齒部和軛部的磁密、每極磁通量必須與普通電機保持一致。結(jié)合電機定轉(zhuǎn)子齒部和軛部的磁密、每極磁通量的計算公式以及新型鑄鐵機座的尺寸，對電機鐵心進行重新設(shè)計并不斷優(yōu)化?？紤]到實際生產(chǎn)加工能力，新型電機鐵心的尺寸最終選定為:定子外徑D1=830mm;定子內(nèi)徑Di1=520mm;轉(zhuǎn)子外徑D2=515mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2=190mm;鐵心計算長度Lef=488mm。

普通電機采用軸向和徑向混合式通風(fēng)系統(tǒng)，鐵心的實際長度為電機計算長度與徑向通風(fēng)道總長之和。此普通電機有11個徑向通風(fēng)道，每個徑向通風(fēng)道長10mm，則鐵心的實際長度為735mm。新型電機的計算鐵長較短，在保持通風(fēng)道數(shù)量不變的情況下，可以將每一通風(fēng)道的長度縮短為6mm，則新型電機鐵心的實際長度僅為554mm。圖3和圖4分別為普通電機和新型電機定子的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 普通電機定子

圖4 新型電機定子

2 新型電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

電動機運行時將電能轉(zhuǎn)換成機械能，在這一過程中會產(chǎn)生能量損耗。若能量損耗不能及時從電機內(nèi)部轉(zhuǎn)移出去，將會形成熱量使電機內(nèi)部的溫度上升，從而加速電機絕緣的老化，影響電機的使用性能和壽命，嚴重時甚至?xí)龤щ姍C。所以電機的冷卻系統(tǒng)顯得相當重要。

新型電機定子鐵心外徑較大，鐵心與機殼之間的間隙較短。而電機運行時，一部分熱量先通過空氣傳到機殼表面，再散發(fā)到周圍的介質(zhì)中。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律可知，空氣的熱導(dǎo)率低，減小機殼與定子鐵心之間的間隙能提高電機自身的散熱能力。繞線定子的銅耗和鐵耗是電機產(chǎn)生熱量的主要原因，其中部分熱量通過鐵心和通風(fēng)道傳遞到冷卻器;其余熱量則沿繞組向兩端傳導(dǎo)，并從繞組端部傳遞到冷卻器。新型電機的繞組較短，因此相比于普通電機其端部的散熱對繞組的冷卻效果更加顯著。但是由于新型電機整體尺寸比較緊湊，散熱面積小，所以必須結(jié)合新型電機的這些特點對電機的冷卻系統(tǒng)進行重新設(shè)計。

普通電機采用的冷卻方式為IC611，其冷卻系統(tǒng)一般包括內(nèi)風(fēng)扇，外風(fēng)扇和空-空冷卻器。為滿足散熱要求，內(nèi)風(fēng)扇外徑選用630mm的風(fēng)扇。由于內(nèi)風(fēng)扇外徑較大，故無法將其內(nèi)置于定子端部，只能安裝在定子端部外側(cè)的非軸伸端，這樣就相應(yīng)的增加了電機機座的長度。而新型電機受機座長度限制，設(shè)計時必須將內(nèi)風(fēng)扇內(nèi)置于電機定子端部。考慮到定子端部內(nèi)徑尺寸和內(nèi)循環(huán)風(fēng)壓與風(fēng)量等因素，在兩端對稱安裝兩個外徑為510mm的風(fēng)扇，以滿足實際散熱要求。

為了避免重復(fù)開模，新型電機采用與普通電機相同的外風(fēng)扇，從而節(jié)約制造成本。新型電機空-空冷卻器的冷卻管采用M或W型分布方式。這樣的方式能夠加快電機內(nèi)部空氣的流動速度，提升冷卻效果。相比于層型分布方式，同樣的冷卻效果，M或W型分布方式冷卻管數(shù)量僅是層型分布方式冷卻管數(shù)量的三分之二。

根據(jù)上述新型機座與冷卻系統(tǒng)設(shè)計出的電機結(jié)構(gòu)如圖5所示。表1是該電機的具體尺寸。

圖5 新型電機結(jié)構(gòu)圖

表1 新型電機的主要尺寸

3 新型電機性能的驗證

經(jīng)過上述優(yōu)化設(shè)計后，得到了新型電機的鐵心尺寸、合理的繞組匝數(shù)以及冷卻系統(tǒng)等主要參數(shù)，再利用計算機模擬軟件FDEMIT對該新型電機的性能進行驗證。新型電機主要性能的仿真結(jié)果如表2所示。機械特性曲線和起動電流曲線如圖6所示。

表2 新型電機的主要性能

圖6 新型電機機械特性曲線與起動電流曲線

圖6表明電機起動電流曲線平滑無明顯電流波動，同步與異步附加轉(zhuǎn)矩對電機機械特性曲線也無明顯影響。由此說明新型電機鐵心尺寸選擇合理，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)匹配也較好。由表2中的仿真數(shù)據(jù)也可以看出新型電機各項性能良好，繞組溫升也滿足B級考核要求，達到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有普通高壓三相異步電動機存在的不足，本文提出了一種新型箱式三相異步電動機，在保持電機額定輸出功率不變的情況下，大大縮減了電機的尺寸，節(jié)省了安裝空間。同時可適當更改鐵心尺寸或更換冷卻系統(tǒng)，以便在一定范圍內(nèi)改變電機的額定功率，滿足不同工況的需求。后續(xù)測試及實際應(yīng)用表明該新型電機運行穩(wěn)定，各項性能符合設(shè)計要求，客戶反映良好。

［1］湯蘊璆，梁艷萍．電機電磁場的分析與計算［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［2］傅豐禮，唐孝鎬．異步電機設(shè)計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2001．

［3］陳世坤．電機設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2000．

Analysis and Design on a New type High-Voltage Three-Phase Induction Motor

Gu Xuezheng，Xu Haifeng，and Gu Haiqin
(1．WEG(Nantong)Electric Motor Manufacturing Co．，Ltd．Nantong 226015，China; 2．Engineering training center，Nantorg University，Nantong 226019，China．)

As for defects such as large volume and low availability of effective material of the current high-voltage three-phase induction motor，a new type high-voltage three-phase induction motor is proposed．This kind of motor is based on the new type of cast-iron frame，and combined with actual production assembly capacity，core size of the motor is optimized．The tests show that the motor is stable and good in performance．

New type of cast iron frame;core size;cooling system

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．03

TM343+．2

A

1008-7281(2015)05-0008-004

顧雪政 男 1987年生;畢業(yè)于南通大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計與控制等方面的工作．

2015-05-24