YD 280-2/4/12三速電機(jī)電磁設(shè)計

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

YD 280-2/4/12三速電機(jī)電磁設(shè)計

劉衛(wèi)星

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

對三速電機(jī)的電磁設(shè)計進(jìn)行了研究，利用電機(jī)設(shè)計原理設(shè)計出了符合性能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方案，并生產(chǎn)樣機(jī)，進(jìn)行實驗驗證。同時，也對實驗樣機(jī)進(jìn)行了有限元仿真分析，分析其電磁和機(jī)械性能，深層次地探究樣機(jī)性能，驗證了樣機(jī)能夠在三種速度狀態(tài)下，可靠的運行，證明了該設(shè)計方案切實可行。

三速電機(jī)；雙繞組；電磁設(shè)計

0 引言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提髙生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，或為了節(jié)能，常要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)，稱此類型的電機(jī)為變速電機(jī)。

1 電機(jī)技術(shù)要求

YD 280-2/4/12 125/125/40kW，額定參數(shù)具體見表1。

表1 YD 280-2/4/12 125/125/40kW額定參數(shù)表

本文針對YD 280-2/4/12 125/125/40kW雙繞組三速電機(jī)的電磁設(shè)計進(jìn)行了研究，利用三相感應(yīng)電動機(jī)設(shè)計原理，對雙繞組三速電機(jī)進(jìn)行電磁手算設(shè)計，設(shè)計了三速電機(jī)三種工作狀態(tài)下的電機(jī)主要尺寸，并進(jìn)行有限元仿真。并設(shè)計和制造了試驗樣機(jī)，進(jìn)行電磁和機(jī)械性能的實驗驗證。

2 電磁計算

2.1 繞組設(shè)計

三速電動機(jī)的繞組設(shè)計通常有兩種方案：一種為有一套繞組通過變換外部接線獲得三種轉(zhuǎn)速的單繞組三速電動機(jī)；也用兩套繞組再通過變換外部接線獲得三種轉(zhuǎn)速的雙繞組三速電動機(jī)，可由一個倍極比雙速單繞組加一個普通單繞組組成，也可由一個非倍極比雙速單繞組加一個普通單速繞組組成。

單繞組三速電動機(jī)隨可通過一套繞組變換接線實現(xiàn)，但由于出線頭較多，接線變換復(fù)雜以及各種極數(shù)下功率難以完美照顧等原因一般工程上不予采用，實際產(chǎn)品也以雙繞組三速電動機(jī)為主。

以電動機(jī)為工程實例，型號為YD 280-2/4/12 125/125/40kW的三速電動機(jī)，其中2p和4p功率一致，與12p相差三倍。對于這種三速電動機(jī)設(shè)計，優(yōu)先考慮采用雙繞組設(shè)計，這也是本文論述的重點。目前該方案采用的是12p單繞組放置在槽口，2p、4p采用單繞組雙速在槽底。

2.2 定子槽數(shù)的選擇

當(dāng)采用較多的定子槽數(shù)時，可以獲得較好的磁勢波形，諧波磁場減小，諧波漏抗減小，附加損耗減低，槽中線圈邊總散熱面積增加，有利于散熱；但絕緣材料用量和加工工時增加，槽利用率降低。因此，槽數(shù)的選擇應(yīng)考慮多方面因素。在定子鐵心內(nèi)、外徑、長度已經(jīng)確定的情況下，槽數(shù)的多少應(yīng)使得鐵心齒磁密，軛磁密，槽內(nèi)導(dǎo)體電流密度都比較合適，而每極每相槽數(shù)q值既不過多，也不少于 2。q可在 2～6 間選取，且盡量選取整數(shù)。但在電機(jī)的系列設(shè)計中，有時為了兩種極數(shù)的電機(jī)通常用同一種沖片，q可能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)值。對于極數(shù)少，功率大的電機(jī)，q值可取較大值。根據(jù)前面的分析，我們盡可能把不同極數(shù)時的每極每相槽數(shù)選為整數(shù)槽，且都為對稱繞組，故對于2/4/12p雙繞組三速異步電機(jī)，選定子槽數(shù)為 72槽較為合適。

2.3 轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇

當(dāng)選定了定子槽數(shù)Z1以后，鼠籠轉(zhuǎn)子的槽數(shù)將受到定子槽數(shù)的約束，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2必須Z1與有一個適當(dāng)?shù)呐浜?，即通常所謂的槽配合。如果槽配合不適當(dāng)，則會使電動機(jī)的性能變壞。例如出現(xiàn)起動困難；發(fā)生電磁噪音、振動現(xiàn)象；附加損耗變大，效率降低，溫升增高等。多速電動機(jī)對定、轉(zhuǎn)子槽配合要求比單速電動機(jī)高。各極下一般都應(yīng)滿足如下，定、轉(zhuǎn)子槽配合關(guān)系。

為避免徑向振動和噪聲應(yīng)滿足

為避免啟動時的“死點”和“低速潛行”應(yīng)滿足

對于雙繞組三速異步電機(jī)來說，定、轉(zhuǎn)子槽配合必須兼顧三種極對數(shù)，使三種極對數(shù)下的繞組磁勢諧波都較少。其定、轉(zhuǎn)子槽配合和所選繞組方案、節(jié)距以及其他因素有關(guān)，設(shè)計中務(wù)必抓住主要矛盾。槽配合的具體數(shù)據(jù)需要對既定繞組作出諧波磁勢分析并通過實驗而確定。根據(jù)電機(jī)設(shè)計手冊及現(xiàn)有產(chǎn)品方案，綜合考慮，暫選轉(zhuǎn)子槽數(shù)為 63槽較為合適。

2.4 轉(zhuǎn)子籠條材質(zhì)

因該電機(jī)對起動性能有特殊要求，為滿足性能需求，現(xiàn)將轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、端環(huán)材料采用鋁錳合金，保證電機(jī)的起動性能滿足要求。

2.5 電磁負(fù)荷及磁密的選擇

根據(jù)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及實際工程需要，將電動機(jī)各部分磁密限定范圍選取如下：電機(jī)定子齒部≤15500GS、軛部磁密≤15000GS，轉(zhuǎn)子齒部、軛部磁密≤17000GS，齒部最窄處磁密≤18000GS。

2.6 電磁計算結(jié)果

通過分析結(jié)合電機(jī)設(shè)計程序計算可得三速電動機(jī)YD 280-2/4/12 125/125/40kW的設(shè)計參數(shù)如下表2；定子槽型、轉(zhuǎn)子槽型見圖1；設(shè)計結(jié)果見表3。

表2 電動機(jī)的設(shè)計參數(shù)

圖1 定子槽型、轉(zhuǎn)子槽型

3 Ansoft仿真分析

根據(jù)前面的計算結(jié)果，利用Ansoft進(jìn)行仿真分析計算。將設(shè)計的三個不同參數(shù)的模塊導(dǎo)入至Maxwell2D有限元模塊中，軟件將自動生成三個二維電機(jī)模型。在設(shè)置完電機(jī)的激勵和邊界條件后，進(jìn)行計算分析。三種不同工作極數(shù)狀態(tài)下的模型在0.2s時的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖2所示。

圖2 YD 280-2p、4p、12p的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

電機(jī)的氣隙中磁場的分布直接影響著電機(jī)的電磁性能，氣隙磁密分布見圖3。

圖3 YD 280-2p、4p、12p的氣隙磁密分布

從圖3看出電機(jī)YD 280-2/4/12 125/125/40kW氣隙中磁場的分布良好，具有良好的電磁性能。

圖4為電機(jī)的瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線，電機(jī)的瞬態(tài)三相電流曲線如圖5所示。

圖4 YD 280-2p、4p、12p的瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 YD 280-2p、4p、12p瞬態(tài)三相電流曲線

由圖4可知，電機(jī)2p和4p時電機(jī)運行平穩(wěn)，電機(jī)為12p時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動較大，諧波含量較多。由圖5可知電機(jī)電三相流成正弦對稱分布，可以保證電機(jī)在三種工作轉(zhuǎn)態(tài)下穩(wěn)定運行。

4 試驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對兩臺三速異步電動機(jī)進(jìn)行了試驗。下面將電機(jī)型式試驗結(jié)果中主要性能參數(shù)與電機(jī)設(shè)計值及標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，見表4、表5、表6。

表4 2p試驗數(shù)據(jù)對比

表5 4p試驗數(shù)據(jù)對比

通過對實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比可知，實驗結(jié)果與電磁計算結(jié)果基本一致，滿足規(guī)范要求。

表6 12p試驗數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

本文對雙繞組三速電機(jī)的進(jìn)行電磁設(shè)計，同時進(jìn)行了有限元仿真分析，分析其電磁和機(jī)械性能，并對樣機(jī)方案進(jìn)行生產(chǎn)制造，進(jìn)行實驗驗證。證明樣機(jī)能夠在三種速度狀態(tài)下，安全可靠的運行，滿足規(guī)范要求。

[1] 趙洪森. 變極雙速電機(jī)的定子繞組設(shè)計及槽配合與附加轉(zhuǎn)矩研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2013.

[2] 陳世元，黃世鵬．交流電機(jī)的繞組理論[M]．北京：中國電機(jī)出版社，2007：58-59．

[3] 趙博，張洪亮，等．Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M]．北京：中國水電水利出版社，2010：43-57．

[4] 張樹波，陳景易，張亮.永磁副勵磁可視化電磁計算.防爆電機(jī)，2015.02.

[5] 劉豪.電磁場邊界條件的研究.防爆電機(jī)，2015.04.

[6] 張勝男，張東宇.小型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計及仿真.防爆電機(jī)，2014.06.

[7] 才慶龍，樸春吉.旋轉(zhuǎn)電樞式交流勵磁機(jī)的電磁設(shè)計要點.防爆電機(jī)，2012.01.

ElectromagneticDesignofYD280-2/4/12Three-SpeedMotor

LiuWeixing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Electromagnetic design of three-speed motor is researched. The design scheme which meets performance standards is given based on design principle of motor, and the sample motor is produced and experimentally verified. Meanwhile, finite-element simulation analysis is carried out on the experimental sample motor, electromagnetic and mechanical performances are analyzed, and performance of sample motor is deeply researched. It is proved that the sample motor can reliably operate at three speeds.

Three-speed motor；double wound；electromagnetic design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.03

TM302

A

1008-7281(2017)06-0008-004

劉衛(wèi)星男1972年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計工作.

2017-07-20