對旋軸流風(fēng)機專用單繞組雙速電機設(shè)計

孟大偉 楊小妮 劉金輝 荊超

摘 要：針對對旋式軸流風(fēng)機在偏離額定工況點的狀態(tài)，出現(xiàn)壓升和功率不平衡，以及效率嚴重降低的問題，對風(fēng)機的兩級驅(qū)動電機進行了研究。采用變極調(diào)速的方式，設(shè)計出單繞組雙速變極調(diào)速電機作為對旋軸流風(fēng)機前后兩級葉輪的驅(qū)動電機。根據(jù)電機繞組理論，利用對稱軸線法設(shè)計出6/8極變極繞組型式，對雙速變極電機進行有限元仿真分析，結(jié)果證明，雙速電機在兩種極數(shù)下電機性能均好。風(fēng)機可以根據(jù)不同工況，調(diào)節(jié)前后兩級葉輪的轉(zhuǎn)速比，使風(fēng)機始終工作在高效運行區(qū)。此外，所設(shè)計的單繞組雙速電機對比原風(fēng)機配用的電機降低了一個中心高，制造成本也有所降低。

關(guān)鍵詞：對旋風(fēng)機;變極調(diào)速;諧波分析;電磁計算

DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.016

中圖分類號： TM343

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）01-0108-07

Abstract：Aiming at the problems of the pressure rise and power imbalance and the problem of serious reduction of efficiency when the contra-rotating axial flow-fan deviates from the rated operating point，the two-stage drive motor of the fan is studied-In this paper， the single winding and double speed motor is designed to drive the impeller of the contra-rotating axial flow-fan-According to motor winding theory， with the method of symmetry axis to design the 6/8 pole winding type-The finite element simulation analysis simulation analysis of the double speed pole motor show that the two-speed motor has good performance in two kinds of poles-The fan can adjust the speed ratio of the impeller according to different working conditions， so as to keep the fan working in efficient operation area-In addition， the design of single winding two-speed motor reduces the height of center and manufacturing costs by comparing the motor with the original fan-

Keywords：contra-rotating axial-flow fan; pole-changing control; harmonic analysis; electromagnetic calculation

0 引 言

對旋軸流風(fēng)機由兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)子組成，兩級葉輪分別安裝在前后兩級的軸伸端，由兩臺規(guī)格相同的三相感應(yīng)電機直接驅(qū)動[1]，廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道等需要通風(fēng)的場合。伴隨著煤井下長距離送風(fēng)需求的增多，對風(fēng)機的運行性能提出了更高的要求。近年來，很多學(xué)者對葉輪安裝角度、風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)、擴散器結(jié)構(gòu)以及軸承等風(fēng)機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，大大提高了風(fēng)機在設(shè)計工況點的運行性能[2-8]。然而對于風(fēng)機偏離設(shè)計運行點時，出現(xiàn)的兩級葉輪的壓升和功率趨于不平衡，運行效率大大降低的情況并未進行深入研究。在實際的工程作業(yè)中，隨著送風(fēng)距離變化，風(fēng)壓和流量需要改變，目前多數(shù)風(fēng)機是采用擋板或者閥門來調(diào)節(jié)的。但這種方法相當(dāng)于人為增大了阻力，不僅浪費電能，而且還會對設(shè)備造成損害，降低設(shè)備的壽命[9]。

近年來，Pundhir Ds-[10]、Chen等[11]、劉紅蕊等[12]、艾子健等[13]對旋軸流風(fēng)機的變轉(zhuǎn)速匹配特性進行研究，研究表明：調(diào)節(jié)前后兩級葉輪轉(zhuǎn)速，可以有效抑制失速和過載的問題，明顯提高風(fēng)機的運行效率。然而，變頻器的使用不僅會增加投資，而且會因為井下、隧道中復(fù)雜惡劣的環(huán)境而無法滿足防爆的要求。而變極調(diào)速可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的有級調(diào)節(jié)，并且憑借其簡單、高效、安全、成本低且對設(shè)備運行環(huán)境要求低等優(yōu)越性能，在這一工程領(lǐng)域應(yīng)用更具有優(yōu)勢。此外，文[14]對變頻調(diào)速和變極調(diào)速分別進行了研究，證明對于風(fēng)機類負載機械的調(diào)速運行，變極調(diào)速更具有優(yōu)勢。

為達到風(fēng)機系統(tǒng)節(jié)能的目的，本文以型號為FBDCZNo-14/2*45的礦用對旋軸流風(fēng)機為研究對象，采用變極調(diào)速的方式設(shè)計出適用于此型號風(fēng)機的單繞組雙速6/8極調(diào)速電機，作為對旋風(fēng)機前后兩級的驅(qū)動電機，并對其進行了諧波分析，對電機性能進行了有限元仿真分析。

1 變極雙速電機設(shè)計原則

風(fēng)機屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、轉(zhuǎn)矩T以及功率P有如下關(guān)系：Q∝n，T∝n2，P∝n3，可見，風(fēng)機調(diào)速可以實現(xiàn)了較大幅度的節(jié)能[9]。設(shè)計風(fēng)機專用單繞組雙速電動機時，必須考慮到軸功

率與轉(zhuǎn)速立方成正比的特點，否則會出現(xiàn)前后兩級功率不平衡的情況，達不到節(jié)能的目的。

本文單繞組雙速電機采用變極調(diào)速，其核心為變極繞組設(shè)計。隨著單繞組變極調(diào)速應(yīng)用越來越廣泛，普遍存在的問題是往往變極的繞組系數(shù)非常低，電機性能較差，可能帶來更多的能耗，這與高效節(jié)能的初衷背道而馳。因此，設(shè)計出變極前后的繞組利用率高，諧波含量少的雙速變極繞組是關(guān)鍵。

本文單繞組雙速變極電機遵循以下設(shè)計原則：

1）受對旋風(fēng)機安裝尺寸的約束，新設(shè)計的電機的外形尺寸不宜與原電機尺寸相差過大，新電機的外形結(jié)構(gòu)尺寸等于或稍小于原型號電機;

2）按風(fēng)機系統(tǒng)運行的高效區(qū)合理確定兩種轉(zhuǎn)速下電機的額定功率;

3）定子繞組排列滿足兩種極數(shù)下電機的繞組利用率高，諧波含量低的要求;

4）電機特性曲線應(yīng)基本符合功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比的特性;

5）兩種轉(zhuǎn)速下電機性能均好;

6）滿足以上要求的情況下，盡量降低電機的制造成本，達到節(jié)能的目的。

為適應(yīng)不同送風(fēng)距離風(fēng)機運行情況，電機功率選取依據(jù)風(fēng)機運行在不同工況下的的軸功率。根據(jù)文[15]，通過對型號為FBDCZNo-14/2*45的礦用對旋軸流風(fēng)機進行研究，該風(fēng)機原來配用電機為6極，轉(zhuǎn)速為980r/min，對風(fēng)機進行不同轉(zhuǎn)速匹配研究，得到對旋軸流風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速配合時的效率-流量曲線和軸功率-流量曲線，如圖1和圖2所示。

4 結(jié) 論

本文對對旋軸流風(fēng)機的專用雙速電機進行研究，利用電機繞組理論和電機設(shè)計原理設(shè)計出了適合對旋軸流風(fēng)機的專用雙速電機，并對其進行有限元仿真分析，重點分析其電磁性能和機械性能。得出以下結(jié)論：

1）用對稱軸線法進行繞組變極，設(shè)計出單繞組6/8極雙速變極繞組排列型式，對繞組利用率進行分析計算，變極前后繞組系數(shù)分別是0-925和0-945，繞組利用率較高。

2）依據(jù)電磁設(shè)計原理，設(shè)計出雙速電機，并建立模型，對兩種極數(shù)下的電磁性能進行有限元仿真分析，重點分析了兩種狀態(tài)下磁密分布、徑向磁密諧波含量和電磁轉(zhuǎn)矩;最后得出結(jié)論：雙速變極電機運行性能較好，效率較高，滿足風(fēng)機的要求。

3）本文設(shè)計的電機不僅在制作成本上有所降低，而且雙速電機驅(qū)動風(fēng)機運行，實現(xiàn)按需送風(fēng)，大大提高風(fēng)機的運行效率，達到節(jié)能的目的。

變極調(diào)速電機可以有級調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可應(yīng)用到各種機械負載類設(shè)備中，成本低，而且運行維護方便。

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（編輯：王 萍）