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摘 要：本文讨论了大惯量三相异步电动机的研制过程，围绕设计过程进行了分析，总结了设计心得，为今后同类产品的设计积累了经验。
关键词：异步电动机 大惯量 电磁设计 结构设计
1、 问题的提出
大型离心风机叶轮直径大，转子重量大，因此通常具有较大的转动惯量，电动机拖动其起动时，起动温升是一个突出的问题。
笔者接到产品设计任务，为某电厂引风机设计配套YKK900-6 5200kW 6kV IP54电动机，其中风机负载转动惯量6500 kg.m2 ，且用户要求转子为铜排转子结构。而此前我公司该型号电机转子均为铸铝转子结构，这就首先要求合理设计转子结构，满足电机安全稳定运行要求；其次校核转子起动过程中温升，满足拖动大惯量负载起动要求。
2、电动机的基本技术参数
2.1电动机额定参数及结构特点
额定功率：5200kW；
额定电压：6000V；
额定电流：580A；
额定频率：50Hz；
额定转速：996r/min
绝缘等级：F级
防护等级：IP54
冷却方式：IC611；
结构及安装型式：IMB3；
允许拖动负载转动惯量：6500 kg.m2
2.2依据标准：GB755《旋转电机 定额和性能》
GB/T13957《大型三相异步电动机基本系列技术条件》
3、大惯量三相异步电动机的设计过程分析
3.1电磁设计
根据技术设计任务书，确定电机的电磁负荷以及与电磁性能相关的有效尺寸，包括定、转子冲片及铁芯尺寸，绕组数据等。在设计过程中，既要考虑坚固电机各项性能指标要求，又要考虑成本，并且温升留有合理裕度。定子齿磁密1.46T，定子轭磁密1.37T，转子齿磁密1.49T，转子轭磁密1.4T。
定子采用双层叠绕组，为削弱5、7次谐波，节距去5/6极距，定子接线Y接。因定子电流较大，并联支路数选择6路。
3.2 结构设计
3.2.1定子结构
定子由定子铁芯、定子绕组、机座等部分组成。
3.2.1.1定子铁芯
定子铁芯由优质冷轧电工钢片叠压而成，定子冲片采用扇形片、整圆由6片扇形片拼成，1/2迭片。定子采用内压装，径向通风道结构，在机座内叠片，用机座内筋板紧固，压装后，由定子压圈压紧。铁芯压紧后将固定片与机座壁板焊牢，然后进行嵌线、整浸。
这一结构主要有以下优点：
（1）铁芯在机座内固定后，不再受下道工序的影响而导致铁芯变形；
（2）铁芯压装好后，嵌线在机座内进行不易碰坏。
3.2.1.2定子绕组
定子绕组为双层叠绕组，整个定子绕组采用VPI真空加压浸漆工艺，且绕组端部表面喷环氧敷盖漆，绕组端部和直线部位固化成整体，从而减小匝间短路的可能。同时，浸渍漆充分占满槽内空间，提高散热性能。
3.2.1.3机座
机座是定子的主要结构件，采用卧式箱式结构，提高了零部件通用性。机座由钢板焊接而成，起承受冷却器重量、定子重量，固定铁芯的作用。
3.2.2转子结构
转子主要由幅板轴、转子铁芯、导条、端环、风扇等组成。在转子设计中，材料的选择，结构的运用应经过相应的机械计算。
3.2.2.1转子铁芯
转子冲片采用整圓片，采用径向通风槽结构。转子铁芯通风槽与定子铁芯通风槽对齐，数量相同，宽度相等。沿轴向分段，每段间由径向通风槽隔开，每个通风槽由一张铁芯端板与另一张焊有通风槽片的铁芯端板组成。当叠压后，铁芯两端采用转子压板压紧后以拉紧螺杆固定。
4、起动温升的计算
电机在拖动大惯量负载起动时，往往会遇到起动电流大、起动时间增加这类问题。因此在电机设计过程中，必须计算起动过程中电机个部分温升，以保证其不超过材料限制。由于电机在起动过程中时间较短，通常不考虑定子绕组与铁芯之间热传递，将这一过程视为绝热过程。
4.1起动时间计算
异步电动机起动时，其转速与时间的关系，可按下列运动方程确定。
式中
Te——电动机的电磁转矩（N·m）
TL——负载阻力矩（N·m）
J——机组的转动惯量（kg·m2）
Ω——角速度（1/s）
计算机组起动时间为20.5s。
4.2定子绕组的起动温升计算
在电机起动过程中，定子绕组中产生的热量来自于电流产生的焦耳热
（J）
J1s——起动时定子绕组电流密度（A/mm2）
Ρ——定子绕组电阻率（Ω·mm2）
ts——起动时间（s）
在绝热状态下， （J）
——定子绕组导体密度（g/cm3）
cs——定子绕组导体比热（J/（g·℃））
——定子绕组起动温升（K）
由此可得： （K）
需要说明的是，由于在起动过程中定子电流是不断变化的，因此计算起动过程中定子电流密度应为等效电流密度。
4.3转子导条及端环的起动温升计算
在计算转子导条及端环的起动温升时，做如下假设：
（1）不考虑转子导条与转子铁芯铁芯间的传导散热；
（2）不考虑转子端环与周围空气的对流散热；
（3）转子导条和端环之间无热交换。
即在绝热状态下，计算转子导条和端环的起动温升。
在起动过程中，若忽略转子铁耗，输入转子的功率一半用来使转子加速；另一半为转子铜耗。若轴上无负载转矩，则转子损耗等于电动机额定功率乘以机械时间常数的1/2。当轴上有负载转矩时，不但使起动时间增长，还使电动机产生额外的转子损耗，从而导致转子温升增加。
（K）
（K）
式中：A2——起动过程中转子铜耗；
R2BS、R2R——分别为起动过程中导条和端环的等效电阻；
、 ——分别为转子导条和端环的密度；
cB、cR——分别为转子导条和端环比热容；
VB、VR——分别为转子导条和端环的体积；
计算后得出结果，该电机绕组起动温升53K，导条起动温升228K，端环起动温升65K，满足材料对于温升限制的要求，电磁方案的设计可以满足拖动大惯量负载的要求。
5、结束语
电机主要性能参数设计值与试验值的对比由上表可见，该产品性能指标满足标准要求，电机如期合格出厂。该电机电磁设计及结构设计是成功的，为今后设计制造大惯量三相异步电动机积累了经验。
参考文献
[ 1 ] 《交流电机设计手册》 湖南人民出版社 ， 1977 .
[ 2 ] 陈世坤. 电机设计 [M ]. 北京 ： 机械工业出版社 ， 1990 .
[ 3 ] 傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册 [M ]. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2001 . |
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发表于 2022-2-27 18:19:30