起重機用實心轉子三相異步電動機性能研究

百堅毅， 王欣仁， 蘇文勝， 顧旭波

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫 214174)

0 引 言

實心轉子三相異步電動機是感應電動機的基本類型之一。它們的定子結構與普通三相異步電動機相同，但其轉子采用鑄鐵或鑄鋼材料，融電路和磁路為一體。在大轉差率運行時，趨膚效應比較強烈，渦流及磁通集中在轉子表面，轉子表面損耗很大。目前使用率并不是很高，但是此類電機在起重行業卻具有其獨特的優勢[1]。

通常，各種起重機的大、小車運行機構和回轉機構都采用繞線轉子或鼠籠轉子電動機。配用鼠籠轉子電動機的運行機構在直接起動時會出現較強烈的沖擊，影響起重機的工作質量。采用繞線轉子電動機，其轉子串接起動電阻，在起動時產生較大的起動轉矩，能滿足起重機工作要求，是目前優先選用的方案。使用變頻調速電動機可以解決“沖擊”問題，但價格昂貴，且使用環境條件要求高，可能改變起重機的整體結構，增大設備投入[2]。在一般場合，采用實心轉子異步電動機可較好地解決以上問題。

本文采用透入深度法對實心轉子三相異步電動機參數進行了分析。分別對普通鑄鋼實心轉子電動機和轉子表面開槽加籠型銅條結構的實心轉子電動機的功率因數、效率和起動性能進行了試驗驗證。通過試驗數據對比分析，得出適合起重機用的實心轉子三相異步電動機。

1 應用透入深度分析法對轉子參數進行分析與計算

實心轉子三相異步電動機的轉子在磁路和繞組形態上比較特殊，即其轉子電路和磁路合為一體，整個轉子既是磁路又是電路，其等效電路和參數與普通三相異步電動機表面上有相似性，但實質上存在較大差異[3]。以下對普通鑄鋼實心轉子三相異步電動機和轉子表面開槽加籠型銅條結構的實心轉子三相異步電動機的等效電路和參數進行分析。

1.1 普通鑄鋼實心轉子異步電動機等效電路

普通鑄鋼實心轉子三相異步電動機與普通三相異步電動機的定子結構相同，可采用如圖1所示的T形等效電路來分析其參數和主要性能。

圖1 普通鑄鋼實心轉子異步電動機的等效電路

用透入深度分析法對普通鑄鋼實心轉子異步電動機進行參數計算時，需做如下的假設:

(1) 假設轉子分為兩半，每半為無限大的鐵磁介質平板；

(2) 渦流通過寬度為πD2、厚度為Δ、長度為L的薄層，即渦流只在轉子透入深度區內流動；渦流密度以2τ為周期沿平板寬度方向，即轉子切向正弦分布；

(3) 在透入深度區域內，渦流密度為常值；

(4) 只存在軸向渦流，忽略徑向和切向渦流[4]。

和普通三相異步電動機一樣，在不同的轉差率下運行，轉子參數需向定子側進行頻率歸算，其可表示為

(1)

式中:s——轉差率；

Z2——轉子阻抗；

R2——轉子電阻。

轉子電阻的求取可用以下表達式:

(2)

式中:ρ——鐵磁體的電阻率；

L——轉子軸向長度；

A——渦流通過的面積。

A可用式(3)計算:

A=πD2Δ

(3)

式中:D2——實心轉子的外徑；

s——轉差率；

ω——角頻率，ω=2πf；

μr——轉子的相對磁導率；

μ0——空氣的磁導率。

由圖1和以上各式可以得出普通鑄鋼實心轉子異步電動機的等效電阻和定子電流的計算式:

(4)

(5)

式中:Z總——電動機總的阻抗；

Z1——定子阻抗；

Zm——激磁阻抗；

I1——定子電流；

U1——定子電壓。

1.2 籠型銅條實心轉子異步電動機等效電路

如果對普通鑄鋼實心轉子三相異步電動機的轉子進行結構上的改進，在轉子表面開軸向窄槽，在窄槽內插入籠型銅條。此結構形式電動機的轉子既具有傳統三相異步電動機的導條結構，又采用了實心轉子結構。轉子相當于有兩套繞組，參數計算應同時考慮兩者間的電磁感應及相互作用。籠型銅條實心轉子三相異步電動機的等效電路可用圖2表示。

圖2 籠型銅條實心轉子異步電動機的等效電路

同樣采用透入深度分析法對籠型銅條實心轉子三相異步電動機的參數進行分析計算。將籠型銅條實心轉子的整個磁路分為齒區、槽區和軛區，經過軛區的透入深度與開槽深度有關，透入深度Δ1可按下式計算:

(6)

當Δ=h時，Δ1=h

(7)

式中:Δ——普通鑄鋼實心轉子表面透入深度；

h——籠型銅條實心轉子的開槽深度。

渦流通過的面積A可用下式計算:

Α=(πD2-Nd)Δ1

(8)

式中:D2——轉子的外徑；

N——插入的銅條數；

d——銅條的寬度。

由圖2和以上各式可以得出籠型銅條實心轉子異步電動機的等效電阻和定子電流的計算式:

(9)

(10)

2 試驗結果及分析

設計了兩臺定子相同的實心轉子三相異步動機，一臺轉子為普通鑄鋼結構，另一臺轉子為籠型銅條結構。電機基本參數如下: 額定功率:PN=7.5kW；額定電壓:UN=AC380V；極數: 2p=4；接線形式: △；定子外徑:D2=210mm；定子槽數:Z=36；鐵心長度:L=145mm；氣隙長度δ=0.6mm。

2.1 負載和起動試驗

分別對兩臺電機進行性能試驗，比較得出最適合在起重運行機構上使用的一種實心轉子異步電動機。在專門的電動機試驗臺上進行負載試驗，采用另一臺變頻電動機作為負載進行加載，效率、功率因數曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 效率曲線

圖4 功率因數曲線

起動性能是起重機用運行電動機重要的性能指標。為了更好對比兩種電動機的起動性能，測取電動機的最大起動力矩，采用堵轉的方式對電動機進行性能研究。試驗時，電動機軸端通過法蘭盤與堵轉裝置相連。試驗過程中分別測試了堵轉電流、轉矩和功率，其數據見表1和表2。

表1 普通鑄鋼實心轉子異步動機堵轉電流、功率和轉矩測試值

表2 籠型銅條實心轉子異步動機堵轉電流、功率和轉矩測試值

2.2 試驗結果分析

通過對電動機進行效率、功率因數和起動性能試驗可以發現，籠型銅條實心轉子異步電動機的效率和功率因數都比普通鑄鋼實心轉子異步電動機有所提高，如圖3和圖4所示。另外籠型銅條實心轉子異步電動機在額定電壓時的堵轉電流和堵轉轉矩較大，具有較好的起動性能。

3 結 語

應用透入深度分析法對兩種實心轉子異步電動機進行了參數分析與計算。設計了兩種實心轉子電動機，分別進行了負載和起動性能試驗。通過試驗結果分析與對比，得出籠型銅條實心轉子異步電動機具有更高的效率、功率因數和更好的起動性能，適用于起重機械的運行機構上。

【參考文獻】

[1] 喬鳴忠,張曉鋒.實心轉子永磁同步電動機氣隙長度與性能研究[J].微特電機,2008(4): 12-14.

[2] 曹志成,郎運鳴.實心轉子制動電機在起重機運行機構中的應用[J].起重運輸機械,2000(4): 29-31.

[3] 廉濤.實心轉子籠型感應電動機電磁計算[J].大電機技術,2008(2): 26-27.

[4] 胡巖,劉濤,陳金哲.實心轉子異步電動機的設計研究[J].微特電機,2011(11): 4-7.