高壓電機氣隙長度與轉(zhuǎn)子損耗的關系初探

邢建賓， 吳艷紅

(1.雙龍集團上海防爆電機鹽城有限公司，江蘇 鹽城 224000；(2.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究有限公司，上海 200063)

0 引 言

一般情況下高壓三相異步電動機定子采用平行槽。即開口槽，槽形寬度較大，與轉(zhuǎn)子齒距相對比較接近。在運行中容易在轉(zhuǎn)子齒中形成較大幅度的脈振磁通量，造成轉(zhuǎn)子的脈振損耗增大，損壞轉(zhuǎn)子或燒毀軸承。本文通過實例說明氣隙長度在減小轉(zhuǎn)子損耗、降低轉(zhuǎn)子溫度的作用。同時，提出脈振振幅、定子槽寬、氣隙長度、轉(zhuǎn)子齒距之間的對應關系式和轉(zhuǎn)子脈振損耗的計算式，列舉了部分產(chǎn)品的氣隙長度計算值與圖紙標注的對照表。

1 實例說明

在電機設計中，雜散損耗一般以0.005倍的額定功率來估算，所以通過設計程序的計算結(jié)果無法充分說明電機質(zhì)量的優(yōu)劣。

某廠生產(chǎn)高壓礦用防爆電機YBQ2-4501-4P 10 kV 220 kW IP6X一臺拖動潛水泵。負載試驗時多次發(fā)生燒毀軸承的問題。經(jīng)測溫試紙測量，電機運行3 h時定子鐵心溫度60 ℃，轉(zhuǎn)子表面溫度140 ℃，軸承內(nèi)蓋處溫度120 ℃。分析原因為轉(zhuǎn)子溫度高和軸承溫升疊加，使軸承溫度過高被燒毀。該電機的電磁方案和損耗情況如表1、表2所示。

表1 電磁負荷及主要性能參數(shù)計算值

表2 電機的各種損耗計算值 kW

由表1、表2可知，該電機的電磁負荷較低，性能指標比較合理，各種損耗符合常規(guī)設計范圍，電機性能較好。后將轉(zhuǎn)子氣隙長度由2.5 mm放大到3.5 mm。再次經(jīng)測溫試紙測量，電機運行3小時時定子鐵心溫度55 ℃，轉(zhuǎn)子表面溫度65 ℃，軸承內(nèi)蓋處溫度50 ℃，電機故障被排除。

從上述實例的設計計算值可說明，各項指標正常，電機的定轉(zhuǎn)子氣隙長度對降低轉(zhuǎn)子損耗、降低轉(zhuǎn)子溫度有舉足輕重的作用。

2 定轉(zhuǎn)子參數(shù)和氣隙長度的關系

根據(jù)電機設計理論可知，定轉(zhuǎn)子的雜散損耗除了表面損耗以外還有定轉(zhuǎn)子齒中的脈振損耗。表面損耗與定子的極距τ有關，極距與定子諧波波長相比要大得多，所以表面損耗存在于轉(zhuǎn)子表面的淺層，對轉(zhuǎn)子損耗的影響較小。而脈振損耗與定轉(zhuǎn)子的齒距有關，齒距與諧波波長比較接近，所以脈振損耗是轉(zhuǎn)子損耗的主要成分。由于定轉(zhuǎn)子有齒、槽和氣隙的存在，如果定轉(zhuǎn)子設計不當，會使脈振損耗表現(xiàn)突出，造成很大影響。

轉(zhuǎn)子槽寬度和定子齒距往往不一致，使定轉(zhuǎn)子在運行中，齒部產(chǎn)生脈振磁通量。定子齒部脈振磁通密度的振幅如下：

(1)

(2)

式中：Bp1——定子齒部脈振磁通密度的振幅；

Bt1——定子齒部磁通密度；

δ——氣隙長度；

t1——定子齒距；

b02——轉(zhuǎn)子槽形寬度。

定子槽寬度和轉(zhuǎn)子齒距往往也不一致，轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度的振幅為

(3)

(4)

式中：Bp2——轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度的振幅；

Bt2——轉(zhuǎn)子齒部磁通密度；

δ——氣隙長度；

t2——轉(zhuǎn)子齒距；

b01——定子槽形寬度。

由于轉(zhuǎn)子槽形寬度較小，定子齒距較大，兩者比例關系較遠，所以一般定子齒部脈振磁通密度的振幅較小，對轉(zhuǎn)子影響很小。而定子槽形寬度較大，轉(zhuǎn)子齒距也較大，兩者比例關系接近，轉(zhuǎn)子脈振磁通振幅較大。

對轉(zhuǎn)子而言，要使脈振損耗降低，則需要使脈振振幅降低，變換式(3)得

(5)

將式(4)代入式(5)，得

(6)

令k2=BP2/BT2，代入式(6)，得

(7)

k2——轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度振幅與轉(zhuǎn)子齒部磁通密度的比值。

k2反應了脈振磁通附加的比例，減小這個幅度將有利于減小轉(zhuǎn)子齒部的脈振損耗。它的存在也可以理解為：調(diào)整定子槽形寬度和轉(zhuǎn)子齒距的比例關系，進而取得合適的氣隙長度使轉(zhuǎn)子脈振損耗最小化。通常k2的值在0.1～0.15，也即說明：當轉(zhuǎn)子齒部脈振磁通密度振幅小于轉(zhuǎn)子齒部磁通密度的10%～15%時，定子槽寬、轉(zhuǎn)子齒距、氣隙長度之間形成的比例關系才是適當?shù)摹Ｐ」β省⒍鄻O數(shù)、轉(zhuǎn)子開口槽時k2取大值，大功率、少極數(shù)、轉(zhuǎn)子閉口槽時k2取小值，Y2系列電機結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，k2值取小值，普通Y系列由于電機內(nèi)部空間寬敞，k2值取大值。式(7)表達了定轉(zhuǎn)子參數(shù)b01、t2與氣隙長度δ通過k2相聯(lián)系的密切關系。在電機產(chǎn)品設計時，在獲得較好電磁性能的同時，應兼顧四者的關系，才可以取得質(zhì)量滿意的產(chǎn)品。

3 轉(zhuǎn)子脈振損耗與定轉(zhuǎn)子參數(shù)和氣隙長度的關系

轉(zhuǎn)子齒部脈振損耗的表達式為

Pp2=0.07(z1nBp2)2Gi2×10-6

(8)

式中：z1——定子槽數(shù)；

N——電機額定轉(zhuǎn)速；

Gi2——轉(zhuǎn)子齒部的質(zhì)量。

將式(6)以等式形式代入(8)得

(9)

式(9)表明：在轉(zhuǎn)速、定子槽數(shù)一定的情況下，減小定子槽形寬度、增大轉(zhuǎn)子齒距、增大氣隙長度、降低轉(zhuǎn)子齒部磁密、減小轉(zhuǎn)子齒部質(zhì)量均可減小轉(zhuǎn)子的脈振損耗，這些因素的調(diào)整依據(jù)是式(7)、式(9)和相關計算單或試驗值。

4 結(jié) 語

經(jīng)過上述論述可知，定子槽寬、轉(zhuǎn)子齒距、氣隙長度之間有著重要的關聯(lián)性，定子內(nèi)徑、槽配合、定子槽寬、氣隙長度選擇是否協(xié)調(diào)妥當，關系著電機質(zhì)量的優(yōu)劣。部分產(chǎn)品的氣隙長度依據(jù)式(7)計算所得與圖紙標注氣隙長度的對照表如表3所示。表明式(7)是可靠、有效的。建議電機設計時先設定k2為0.1～0.15，然后由此調(diào)整定轉(zhuǎn)子槽配合、定子槽形寬度和氣隙長度完善設計方案，定轉(zhuǎn)子槽配合選擇時注意避免選用產(chǎn)生較大電磁噪聲和其他缺陷的槽配合。

表3 計算得氣隙長度與圖紙標注氣隙長度對照表

【參考文獻】

[1] 陳世坤. 電機設計修訂本[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1990