新型高压三相异步电动机的分析与设计

新型高压三相异步电动机的分析与设计顾雪政;许海峰;顾海勤【摘 要】针对现有高压三相异步电动机体积大,有效材料的利用程度低等缺陷,提出 一种新型高压三相异步电动机.该电机以新型铸铁机座为基础,结合实际生产装配能 力,对电机的铁心尺寸进行了优化设计.测试表明电机运行稳定,性能良好.期刊名称】防爆电机年(卷),期】2015(050)005【总页数】4页（P8-10,18）关键词】 新型铸铁机座;铁心尺寸;冷却系统 【作 者】 顾雪政;许海峰;顾海勤【作者单位】 万高（南通）电机制造有限公司,江苏南通226015;万高（南通）电机制造有限公司,江苏南通2260 15;南通大学工程训练中心,江苏南通2260 19【正文语种】 中 文【中图分类】 TM343+.2随着用户对电机各项要求的不断提高，生产材料、工艺和技术也得到了快速发展。 本文以提高电机有效材料利用系数为目标，根据电机设计的一般思路，以新型铸铁 机座为基础，对普通箱式三相异步电机的铁心尺寸进行重新划分，并借助计算机模 拟软件进行仿真，设计一种新型箱式三相异步电动机。首先分析理想条件下三相异步电机有效体积与功率的关系，得出以下公式式中，Di1定子铁心内径;Lef铁心计算长度;Kdp电机绕组系数;Bg气隙磁 密幅值;A线负荷;P电机计算功率;n电机转速。由于现有材料的限制，电机气隙磁密值与线负荷在一定范围内变动不大，而且根据 电机的设计要求，绕组系数的变化范围也小。所以,8 . 6/KdpBgA可以近似看为 常数，通常称为电机常数C。设计电机时，首先确定电机常数C,对于功率和极 数一定的电机而言，其有效体积Di12Lef就初步确定了。由式(1)可知，Di12与P 成正比，因此在设计中心高相等的电机时，Di1的取值应尽可能大，以缩短定子铁 心计算长度Lef,从而减小整个电机的尺寸。普通箱式三相异步电动机常采用钢板焊接机座，考虑到电机定子铁心的安装(定子 外径不能过大)和定子轭部磁密的大小，定子铁心内径Di1的取值往往较小，因而 设计的电机都较长，在安装空间上受到一定的限制。针对上述问题，专门设计出一 种紧凑型三相异步电动机，该电动机选用新型铸铁机座并采用热套法对定子铁心进 行压装，中心高450mm铸铁机座的结构如图1所示。该新型机座的原材料为灰铸铁FC-200 ,机座的长、宽、高分别为1320mm、 980mm、955mm;机座内径829.7mm；第一、二、三、四定位销与前端盖安装 面的距离分别为585mm、625mm、665mm、705mm;机座底脚长、宽分别为 350mm、200mm;底脚安装孔的孑L距分别为900mm和850mm;前底脚安装孔与 前端盖安装面距离为 189.7mm。以一中心高450mm，功率1200kW，极数4p,电压6kV,冷却方式为IC611的 普通三相异步电动机为例，其机座长1728mm，铁心基本尺寸如下:定子外径 D1=770mm;定子内径 Di1=480mm;转子外径 D2=475mm;转子内 Di2 = 190mm; 铁心计算长度Lef=625mm淀转子槽型如图2所示。定子齿部与轭部磁密分别为 1.410T , 1 . 774T;转子齿部与轭部磁密分别为1 . 521T , 1 . 755T；气隙磁密为 0 . 828T;每极磁通量为129 . 05mWb。根据上述普通三相异步电动机的基本参数，对其铁心进行优化设计。为满足部分模 具的通用性，提高生产效率，新型电机的定转子槽型与普通电机定转子槽型保持一 致。同时，为了削弱同步、异步附加转矩，使电机具有良好的起动性能，在槽配合 的选择上，定子槽数Z1和转子槽数Z2分别为48和58。为使新型电机的性能满足要求，电机定转子齿部和轭部的磁密、每极磁通量必须与 普通电机保持一致。结合电机定转子齿部和轭部的磁密、每极磁通量的计算公式以 及新型铸铁机座的尺寸，对电机铁心进行重新设计并不断优化。考虑到实际生产加 工能力，新型电机铁心的尺寸最终选定为:定子外径D1=830mm;定子内径Di1=520mm;转子外径D2 = 515mm;转子内径Di2 = 190mm;铁心计算长度 Lef=488mm。普通电机采用轴向和径向混合式通风系统，铁心的实际长度为电机计算长度与径向 通风道总长之和。此普通电机有11个径向通风道，每个径向通风道长10mm，则 铁心的实际长度为735mm。新型电机的计算铁长较短，在保持通风道数量不变的 情况下，可以将每一通风道的长度缩短为6mm，则新型电机铁心的实际长度仅为 554mm。图3和图4分别为普通电机和新型电机定子的结构示意图。电动机运行时将电能转换成机械能，在这一过程中会产生能量损耗。若能量损耗不 能及时从电机内部转移出去，将会形成热量使电机内部的温度上升，从而加速电机 绝缘的老化，影响电机的使用性能和寿命，严重时甚至会烧毁电机。所以电机的冷 却系统显得相当重要。新型电机定子铁心外径较大，铁心与机壳之间的间隙较短。而电机运行时，一部分 热量先通过空气传到机壳表面，再散发到周围的介质中。根据热传导定律可知，空 气的热导率低，减小机壳与定子铁心之间的间隙能提高电机自身的散热能力。绕线 定子的铜耗和铁耗是电机产生热量的主要原因，其中部分热量通过铁心和通风道传 递到冷却器;其余热量则沿绕组向两端传导，并从绕组端部传递到冷却器。新型电 机的绕组较短，因此相比于普通电机其端部的散热对绕组的冷却效果更加显著。但 是由于新型电机整体尺寸比较紧凑，散热面积小，所以必须结合新型电机的这些特 点对电机的冷却系统进行重新设计。普通电机采用的冷却方式为IC611,其冷却系统一般包括内风扇，外风扇和空-空冷却器。为满足散热要求，内风扇外径选用 630mm 的风扇。由于内风扇外径较 大，故无法将其内置于定子端部，只能安装在定子端部外侧的非轴伸端，这样就相 应的增加了电机机座的长度。而新型电机受机座长度限制，设计时必须将内风扇内 置于电机定子端部。考虑到定子端部内径尺寸和内循环风压与风量等因素，在两端 对称安装两个外径为 510mm 的风扇，以满足实际散热要求。为了避免重复开模，新型电机采用与普通电机相同的外风扇，从而节约制造成本。 新型电机空-空冷却器的冷却管采用M或W型分布方式。这样的方式能够加快电 机内部空气的流动速度，提升冷却效果。相比于层型分布方式，同样的冷却效果， M 或 W 型分布方式冷却管数量仅是层型分布方式冷却管数量的三分之二。根据上述新型机座与冷却系统设计出的电机结构如图5所示。表1是该电机的具 体尺寸。经过上述优化设计后，得到了新型电机的铁心尺寸、合理的绕组匝数以及冷却系统 等主要参数，再利用计算机模拟软件 FDEMIT 对该新型电机的性能进行验证。新 型电机主要性能的仿真结果如表2所示。机械特性曲线和起动电流曲线如图6所 示。图6表明电机起动电流曲线平滑无明显电流波动，同步与异步附加转矩对电机机 械特性曲线也无明显影响。由此说明新型电机铁心尺寸选择合理，定转子槽数匹配 也较好。由表2 中的仿真数据也可以看出新型电机各项性能良好，绕组温升也满 足B级考核要求，达到了预期的效果。根据现有普通高压三相异步电动机存在的不足，本文提出了一种新型箱式三相异步 电动机，在保持电机额定输出功率不变的情况下，大大缩减了电机的尺寸，节省了 安装空间。同时可适当更改铁心尺寸或更换冷却系统，以便在一定范围内改变电机 的额定功率，满足不同工况的需求。后续测试及实际应用表明该新型电机运行稳定， 各项性能符合设计要求，客户反映良好。【相关文献】1汤蕴璆，梁艳萍电机电磁场的分析与计算M 北京:机械工业出版社，2010 .2 傅丰礼，唐孝镐异步电机设计手册M.北京:机械工业出版社，2001 .3 陈世坤电机设计M.北京:机械工业出版社，2000 .