關于中型兩極異步電機的一些設計問題

哈爾濱電氣動力裝備有限公司 盛志偉

1.概述

對于大中型兩極異步電機的設計和制造，普遍存在振動超標、滑動軸承漏油等問題，如何妥善地解決以上問題，一直困擾著電機設計及制造人員。

我公司自成立以來，研制Y系列兩極異步電動機已有50多年歷史，至今已經生產了上千臺兩極電機，產品覆蓋了從H355~H1000所有中心高，解決了兩極電機制造中普遍存在的電機振動超標、滑動軸承漏油等問題，積累了大量的設計及制造經驗。本文介紹并討論中心高為H355~H630中型兩極異步電機的成功設計經驗及提出尚存的一些設計問題供大家討論，共同提高。

2.一些成功的設計經驗

2.1 采用減少諧波影響的散布繞組。定子繞組采用散布繞組的接線方式來減少5、7……等奇次諧波對電機起動性能的影響。

2.2 防止滑動軸承漏油的螺旋密封結構。在軸承氣封蓋的軸檔上增加螺紋密封并在氣封蓋內側加密封擋環，能有效的防止軸流風扇引起的負壓效應，解決了軸承漏油問題。

2.3 限制軸向竄動的定位軸承。對傳動端滑動軸承采用定位軸承結構，防止電機因軸向竄動引起軸瓦端面磨損和過熱。特別適合于電機和機械之間不采用軸向限位聯軸器或用戶在機械上有止推軸承，要求電機本身能限位時，采用定位軸承使安裝電機變得簡單，但同時也增加了電機出廠前需要調節磁中心和本體動平衡的難度。

2.4 采用使電機發熱溫度均勻的對稱通風系統。采用對稱的徑向通風系統，由兩端的軸流風扇將冷卻空氣分二路進入電機，一路進入氣隙后從兩端的定子徑向通風道排出。另一路進入轉子軸向通風孔并經轉子中間的徑向通風道、氣隙再進到定子通風道排出。這種通風系統使電機發熱均勻，轉子軸向通風孔可以采用小直徑，解決了轉子沖片的強度問題。

關于定、轉子通風道的數量和排列，根據各部分損耗、氣隙和軸向通風孔的面積計算確定。轉子通風道和定子通風道采用錯開設計，可以降低通風噪聲，并有利于調整軸向磁中心。

2.5 限制油量過大的節流孔。滑動軸承采用復合潤滑，外循環油通過進油管上設置的節流孔進入軸承。節流孔的直徑根據供油壓力為0.08~0.1MPa時軸承所需的循環油量確定，保證在用戶給定油壓的情況下，不會使供油量過大，造成軸承回油不暢而引起漏油。（因一般用戶只有油壓表而無流量表）

表2 軸與轉子沖片配合尺寸調整后軸的一階臨界計算轉速對比

2.6 提高軸承運行的可靠性。允許短時停供循環油的復合潤滑，為了采用帶油環的復合潤滑結構，軸頸尺寸限制在Φ125mm以內，以保證油環能穩定工作。

2.7 剛性軸設計。如果轉子的一階臨界轉速接近或低于3000r/min，則電機在運行或起動過程中就會產生共振現象，所以在設計兩級電機時，為便于避開共振點，要盡量將轉子的一階臨界轉速設計在3000r/min以上，即采用剛性軸。

3.設計上需改進、完善的地方

我公司已經生產了上千臺各個規格的兩極電機，在制造過程中逐步改進設計，產品質量也越來越好，但仍然還有不足之處，還需進一步完善，目前主要有以下幾點。

3.1 臨界轉速的計算

在電機設計階段，為確保電機轉軸屬于剛性轉子，要求轉子的臨界轉速計算值在3600r/min以上。現在采用的計算方法主要有估算法和軟件分析法。

估算法就是主要是采用電指機械計算基本部分中的解析方法，根據電機轉子各段尺寸，通過表格解析方法近似地計算出轉子的一階臨界轉速。由于此方法沒有考慮熱套沖片對轉子剛度的提高，軸承座剛度及軸承油膜剛度對降低轉子剛度的影響，因此計算誤差較大，一階臨界計算結果要求在3600r/min以上。

解析法就是采用計算機軟件進行轉子建模，然后將相關邊界條件如軸承座剛度，油膜剛度等參數輸入后進行分析計算，采用此方法計算結果比較準確，計算裕量可以低一些。不過需要專業的計算人員進行計算，對于新產品建議采用解析法。

3.2 實心軸在交變磁通作用下磁通的透入深度

H630中心高及以下的兩極電機均采用實心軸。為了滿足剛性軸的設計，軸的尺寸偏大，這樣轉子軛部磁密升高，但在電磁計算時考慮了實心軸參與轉子軛部導磁的作用，因此計算值在合理范圍內。經驗證，這在電機正常運行工況時是正確的，但電機在堵轉或起動時，轉子磁通的變化頻率等于電源頻率，軸處在交變磁場中，相當于一個實心轉子電機。高頻磁通的作用只能透入到軸的表層，此時軸已經不能像低頻時那樣起到導磁作用，因而使軛部磁密急劇升高，磁路高度飽和、激磁電流大大增加，其結果使起動電流變大。這一現象在我公司一臺2700kW 10kV的兩極電機中表現得十分明顯，據用戶反映，電機起動電流達到10倍以上，而起動電流計算值只有6倍。

3.3 降低轉子沖片軛部磁密

解決轉子鐵心軛部磁路飽和的有效辦法是將沖片內徑縮小，軸配合直徑變細，降低轉子軛部磁密。但是這樣會降低軸的臨界轉速，如何即保證轉子臨界轉速大于3600r/min而又保證軛部磁密在合理范圍內呢？根據汽輪發電機設計的經驗，熱套轉子可以提高轉子的臨界轉速，具體體現在熱套后，轉子鐵心段的慣性矩增加了，數值為以轉子沖片槽底為外徑，以轉子沖片內圓為內徑圓柱體的彎曲慣性矩的一半。計算方法如下：

式中：

J1——熱套后增加的慣性矩

D1——轉子沖片內徑

D2——轉子沖片槽底節圓直徑

n——轉子沖片軛部通風孔數量

d——轉子軛部通風孔直徑

DR——轉子軛部通風孔分布節圓直徑

按以上方法，對H450-H630中心高兩極電機轉子軸與鐵心配合直徑進行調整，然后分別按不考慮和考慮熱套轉子影響對臨界轉速進行計算，具體數據如表2。

從表2中可見，在疊加一半轉子鐵心軛部慣性矩后，軸的一階臨界轉速均遠遠大于3600r/min，有很大的裕度，即使考慮到軸承座剛度和油膜剛度的影響，也仍然是剛性軸。

由此可見，采用縮小沖片與軸配合直徑的辦法來降低軛部磁密的做法是可取的。

4.結語

本文僅是根據我公司對于兩極異步電機的設計及制造經驗進行的敘述及討論。如何更好地完善兩極電機的設計問題，我公司還在摸索之中，希望得到大家的評判及指導。

[1]許實章.電機學[M].北京:機械工業出版社,1988.

[2]陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

[3]湯蘊璆,史乃.電機學[M].北京:機械工業出版社,2001.

[4]國家機械委哈爾濱大電機研究[Z].美國西屋公司大中型電機技術資料譯文集,1987.

[5]電指(DZ)21-63大型電機機械計算公式[C].哈爾濱大電機研究所,1963.