大過(guò)載繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

雷洋,洪長(zhǎng)艷,朱一凡

(1哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,黑龍江哈爾濱 150000;2哈爾濱商業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150000)

0 引言

大過(guò)載繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一般均采用進(jìn)口產(chǎn)品,為了解決國(guó)產(chǎn)替代,經(jīng)過(guò)我公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)的大量調(diào)研和詳細(xì)計(jì)算,最終完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)及成品,為成功進(jìn)入大過(guò)載電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)及國(guó)產(chǎn)替代打下良好基礎(chǔ)。

1 繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)

大過(guò)載繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)采用定子繞組串電阻起動(dòng)是在犧牲啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下進(jìn)行的,只適用于輕載或空載下起動(dòng)。在需要重載起動(dòng)時(shí),可采用三相轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動(dòng)方法。因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增加時(shí)能保持最大轉(zhuǎn)矩,所以適當(dāng)選擇起動(dòng)電阻能使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大。

繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)是通過(guò)滑環(huán)在轉(zhuǎn)子回路中接附加電阻Rf來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻R2成正比,而最大轉(zhuǎn)矩的值與R2無(wú)關(guān),當(dāng)繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻Rf來(lái)增加R2時(shí),最大電磁轉(zhuǎn)矩不受影響,但是它直接控制了產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)矩與R2/s的函數(shù),因此,只要比值R2/s保持不變,轉(zhuǎn)矩就不會(huì)變化,如圖1所示。

圖1 改變轉(zhuǎn)子回路電阻對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線(xiàn)的影響

可以降低起動(dòng)電流,提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,即使在S=1啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst=Tmax,轉(zhuǎn)子溫升大大降低,正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子可被電刷直接短路。適用于籠型電動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)的恒速、恒定負(fù)載設(shè)備(如粉碎機(jī)、破碎機(jī)),以及要求在小范圍內(nèi)變速的負(fù)重載起動(dòng)設(shè)備(起重機(jī))。

2 工作原理

繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是:通過(guò)三相電源供電,電源的電流在定子繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子的閉合回路切割磁力線(xiàn),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子繞組采用絕緣漆包銅母線(xiàn)繞制成三相繞組,嵌入轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi),將它接成星接或角接,三個(gè)端部引線(xiàn)分別固定在轉(zhuǎn)軸上的3個(gè)滑環(huán)上,再經(jīng)過(guò)電刷與外電路相連,一般在轉(zhuǎn)子回路串電阻,以改變電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能,這里我們研究一下起動(dòng)方向。電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),效率很低,電能損耗大,異步電機(jī)經(jīng)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率為Pe,一部分成為機(jī)械輸出功率PM,另一部分則成為轉(zhuǎn)差功率P0,而P0轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子回路中的銅耗,以發(fā)熱的形式消耗掉,它們之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子串Rf的原理圖

Pe=PM+P0

P2=Te·ω1

PM=(1-s)Pe

P0=s·Pe=3I22(R2+Rf)

式中,Te—電磁轉(zhuǎn)矩;ω1—同步角速度;I2—轉(zhuǎn)子相電流;R2—轉(zhuǎn)子繞組本身相電阻;Rf—串入轉(zhuǎn)子的外接電阻。

當(dāng)異步機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),Pe為常數(shù),以電機(jī)串入Rf后處在二分之一同步速度運(yùn)轉(zhuǎn)為例,此時(shí),s=0.5,電磁功率的一半變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅耗3I22(R2+Rf)消耗掉,再考慮定子中的損耗,則總效率低于50%越低,效率更差。一般轉(zhuǎn)子電阻分級(jí)連成星形,起動(dòng)時(shí),先將全部電阻接入,隨著起動(dòng)的進(jìn)行,電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,轉(zhuǎn)子起動(dòng)電阻依次被短接,在起動(dòng)結(jié)束時(shí),電阻全被短接,起動(dòng)完成。

3 繞線(xiàn)型異步電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

繞線(xiàn)型異步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括以下五部分:

定子裝配:定子由鐵心、繞組、機(jī)座組成,鐵心采用硅鋼片疊壓組成,繞組則是由若干根繞制在鐵心上的繞組組成。

轉(zhuǎn)子裝配:轉(zhuǎn)子是由鐵心、繞組、軸組成,但繞組通常是由銅扁線(xiàn)繞制而成。

軸承裝配:是支撐轉(zhuǎn)動(dòng)部件,連接定子、轉(zhuǎn)子,承擔(dān)轉(zhuǎn)子的重量。

冷卻器裝配:帶走電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。

集電環(huán)刷桿座裝配組成:用于電機(jī)的換向器上,作為導(dǎo)出導(dǎo)入電流的滑動(dòng)接觸體,他的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及潤(rùn)滑性良好,并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和換向性火花的本能。

繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)結(jié)構(gòu)是整個(gè)電機(jī)的核心,也是在電機(jī)運(yùn)行中容易出現(xiàn)故障,問(wèn)題最多的地方之一,且大過(guò)載運(yùn)行工況具有長(zhǎng)期過(guò)載、沖擊大等復(fù)雜工況,所以整個(gè)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)的結(jié)構(gòu)顯得尤其重要。下面介紹下該電機(jī)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。分為以下三個(gè)方面。

(1)轉(zhuǎn)子接線(xiàn)裝配上、下層線(xiàn)圈在常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)中僅采用外層無(wú)緯帶綁扎,中間層墊云母板結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)大過(guò)載的復(fù)雜工況,經(jīng)核算易于發(fā)生故障。本次先將轉(zhuǎn)子下層線(xiàn)圈端部的斜邊用加長(zhǎng)墊塊塞緊,再在上、下層之間綁扎經(jīng)過(guò)計(jì)算的特殊無(wú)緯帶(如圖3所示),滿(mǎn)足厚度尺寸要求。之后將上層線(xiàn)圈端部的斜邊用加長(zhǎng)墊塊塞緊,最后在最外側(cè)綁扎特殊無(wú)緯帶(如圖4所示),綁扎厚度不能超過(guò)轉(zhuǎn)子鐵心外圓,此方法綁扎后轉(zhuǎn)子上下層線(xiàn)圈形成一個(gè)整體,穩(wěn)固性良好。

圖3 轉(zhuǎn)子繞組端部下層線(xiàn)圈墊塊及綁扎示意圖

圖4 轉(zhuǎn)子繞組端部上層線(xiàn)圈塞塊及綁扎示意圖

(2)在上述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中還有一處特別的改進(jìn),使得轉(zhuǎn)子接線(xiàn)裝配上下層線(xiàn)圈能形成一個(gè)整體(如圖5所示),常規(guī)繞線(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)K、L、M均在下層線(xiàn)圈引出,引出線(xiàn)上層為空置空間,這樣會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子引線(xiàn)最外側(cè)綁扎無(wú)緯帶后在引出線(xiàn)位置有空缺,在應(yīng)對(duì)常規(guī)使用工況時(shí)不會(huì)有什么問(wèn)題,但在大過(guò)載工況時(shí)此處就顯得很薄弱,容易在此處發(fā)生故障。如圖6所示,將轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)通過(guò)抬高引出線(xiàn)夾到與上層線(xiàn)圈相同節(jié)圓位置,中間空位置用銅塊填充并用并頭楔打緊,這樣使得整個(gè)轉(zhuǎn)子上層線(xiàn)圈無(wú)空位置,形成一個(gè)完整的圓環(huán),此時(shí)綁扎無(wú)緯帶使得轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈形成一個(gè)完整體,可防止端部震動(dòng)裂開(kāi),具有抗大沖擊,大過(guò)載能力,完全滿(mǎn)足全天24h運(yùn)行。

圖5 轉(zhuǎn)子端部引線(xiàn)示意圖

圖6 端部引出線(xiàn)加塊后示意圖

常規(guī)轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)在接入集電環(huán)時(shí)僅在軸上配置固定線(xiàn)夾,鑒于大過(guò)載工況的特殊性,本次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組引出線(xiàn)在轉(zhuǎn)子壓圈處鉆有螺孔,圓周三處,相差120°,通過(guò)絕緣固定夾及螺桿,將轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)位置固定在轉(zhuǎn)子壓圈處,使得轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)不懸空,穩(wěn)固性得到進(jìn)一步加強(qiáng),使得轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)能承受大過(guò)載及沖擊性過(guò)載,具體如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子引線(xiàn)處安裝固定夾

(3)繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)外滑環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行,轉(zhuǎn)子引出線(xiàn)的引出電纜固定是重中之重,轉(zhuǎn)子引出電纜穿軸采用灌膠是穩(wěn)妥之舉,但由于電機(jī)引出軸段較長(zhǎng),灌膠效果不一定好,且后期維護(hù)困難,因此放棄了灌膠工藝。轉(zhuǎn)子引出電纜的危險(xiǎn)點(diǎn)在進(jìn)入軸孔位置(圖8 A處)及引出電纜從傾斜到直線(xiàn)的彎折處(圖8 B處),通過(guò)計(jì)算電纜彎折處尺寸,在引出電纜彎折處套入高強(qiáng)度收縮管,采用特殊工藝將全部電纜穿過(guò)軸孔位置,再將電纜固定到集電環(huán)上。將引出電纜進(jìn)入軸孔位置綁扎滌綸氈,并刷特殊膠固定。這樣既能保護(hù)電纜又能保證后期維護(hù)方便。

圖8 繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)外滑環(huán)電纜穿軸結(jié)構(gòu)

綜上所述,除了在電磁方面的完善,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了上述三方面的改進(jìn),成功地完成了大過(guò)載繞線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)且首次運(yùn)行。打破了電機(jī)完全進(jìn)口的局面,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)自制空白。

不僅開(kāi)拓了國(guó)內(nèi)市場(chǎng),打破了進(jìn)口的局面,為國(guó)產(chǎn)化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。