降低雙速屏蔽電動機(jī)起動阻轉(zhuǎn)故障的電磁設(shè)計風(fēng)險分析

左占庫

（大連四方電泵有限公司，遼寧 大連 116045）

0 引言

電動機(jī)電磁性能分為兩大類別，一類屬功效性性能，如效率、功率因數(shù)、電流；另一類屬功能性性能，如起動轉(zhuǎn)矩T（包括堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst、最小轉(zhuǎn)矩Tmin和最大轉(zhuǎn)矩Tmax）、熱負(fù)荷A、Δ等。因為電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的大小直接關(guān)系到能否順利地拖動負(fù)載進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而熱負(fù)荷大小直接關(guān)系到電動機(jī)的熱壽命及因過熱引起的故障。如果電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和熱負(fù)荷的裕度足夠大，電動機(jī)即使是在超過原規(guī)定的額定負(fù)載下長期運行也是安全可靠的。功效性性能的高低不會造成嚴(yán)重影響，因此本文不做分析。熱負(fù)荷雖然對電機(jī)影響較大，但易控制，只要參照普通同類電動機(jī)的設(shè)計即可，因此本文也不做分析，本文僅就會造成嚴(yán)重影響又不好把握的起動轉(zhuǎn)矩T（起）進(jìn)行分析，通過與已使用運行的180kW2P/15kW6P雙速屏蔽電動機(jī)（以后簡稱樣機(jī)）進(jìn)行對比，提高280kW2P/45kW4P雙速屏蔽電動機(jī)（以后簡稱產(chǎn)品）的可靠性，避免電動機(jī)發(fā)生啟動阻轉(zhuǎn)故障。

1 控制最小轉(zhuǎn)矩Tmin

雖然電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩Tmin無法計算，但在電磁設(shè)計時可以采取措施進(jìn)行控制，這些控制措施經(jīng)同類電動機(jī)試驗驗證是有效的，使最小轉(zhuǎn)矩對電動機(jī)順利啟動的不利影響降至最小。

1.1 合理選擇定轉(zhuǎn)子配合槽數(shù)

電動機(jī)定轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合如果選擇不好，可導(dǎo)致最小轉(zhuǎn)矩突降，導(dǎo)致電動機(jī)無法啟動或產(chǎn)生很大的振動、噪聲。本次我們選用定子槽36槽、轉(zhuǎn)子28槽的配合，此配合是國內(nèi)外電機(jī)專家普遍推薦使用在兩極和四極感應(yīng)電動機(jī)上的，并且此配合槽數(shù)在我公司設(shè)計生產(chǎn)的多個機(jī)座號屏蔽電動機(jī)上已有實際應(yīng)用，轉(zhuǎn)子不采用斜槽，效果較好，在中心高為180～250 mm的Y系列兩極三相異步電動機(jī)、中心高為100～160 mm的Y2系列四極三相異步電動機(jī)中均采用此配合。

1.2 采用短距和整數(shù)槽的分布繞組

產(chǎn)品中280kW2P和45kW4P的定子繞組均為雙層疊繞式，均可通過分布、短距措施，大大消弱磁場中高次諧波給電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩波形T=f（s）造成的不利影響，也限制了最小轉(zhuǎn)矩Tmin值的減少。

1）產(chǎn)品中280kW2P定子繞組的短距比β=0.722 222，與中心高180～250的Y系列、Y2系列兩極電動機(jī)以及樣機(jī)中180kW2P屏蔽電動機(jī)的定子繞組短距比相同。經(jīng)計算5次諧波和7次諧波的繞組系數(shù)分別為Kdp5=Kd5×Kp5=0.113 1和Kdp7=Kd7×Kp7=0.144 734 4，兩項數(shù)值與樣機(jī)中180 kW2P屏蔽電動機(jī)相同，與整節(jié)距集中定子繞組對比，其5次諧波和7次諧波的幅值可分別削減88.69%和85.53%。

2）產(chǎn)品中45kW4P定子繞組的短距比β=y/τ=8÷9=0.888 889，5次諧波和7次諧波的繞組系數(shù)分別為Kdp5=0.139 85和Kdp7=0.060 66，此三項數(shù)值均與中心高315 mm的Y系列8極普通三相異步電動機(jī)相同，與整節(jié)距集中定子繞組對比，其5次諧波和7次諧波的幅值可分別削減86.02%和93.93%，因為7次諧波磁勢力矩在同步轉(zhuǎn)速n1的1/7處有一個最低值，使電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩波形T=f（s）在n1/7（約214 r/min）處突然下陷，產(chǎn)生的不利影響要大于5次諧波磁勢力矩。

1.3 適當(dāng)增大氣隙長度

增加氣隙長度，對削弱附加力矩，改善T=f（s）波形的作用明顯，同時也減少了電機(jī)中的附加損耗。但增加氣隙長度會使電機(jī)的勵磁電流加大，cosφ變壞。產(chǎn)品的單邊氣隙長度為3.2 mm，一方面為了進(jìn)一步改善T=f（s）波形，提高該電動機(jī)的起動和運行的安全可靠性，另一方面為減小一次循環(huán)水流道阻力，增加一次循環(huán)水的流量，增加冷卻電動機(jī)和潤滑軸承的效果，有助于降低該電動機(jī)的熱負(fù)荷，從而全面提高該電動機(jī)電磁性能的安全可靠性。此項措施是在犧牲功效性性能確保功能性性能，當(dāng)兩者產(chǎn)生矛盾時應(yīng)該把安全可靠地起動和運行放在首位。

1.4 嚴(yán)格控制定轉(zhuǎn)子的槽口寬度bo 1、bo 2尺寸

產(chǎn)品的定子槽口寬度bo1=4mm，轉(zhuǎn)子槽口寬bo2=2mm，與一般電動機(jī)對比，該電動機(jī)選用bo1=4 mm是偏小的，因為該電動機(jī)不僅容量較大，而且每個定子槽內(nèi)要安置4個線圈邊，4種規(guī)格的槽絕緣，較一般雙層定子繞組電機(jī)增加了一倍。選取較小的定子槽口寬度主要目的是為了減小由于槽口氣隙磁導(dǎo)變化較大引起的齒諧波。根據(jù)齒諧波產(chǎn)生的機(jī)理可知，當(dāng)定轉(zhuǎn)子槽的槽口寬度越小，氣隙長度越大時，齒諧波越小。該電動機(jī)氣隙長度約為同規(guī)格一般電動機(jī)的2倍，再加之選用的定轉(zhuǎn)子槽配合Q1/Q2=36/28，對280kW2P和45kW4P均較理想，可以大大地削弱齒諧波勢磁場及其產(chǎn)生的同步附加力矩，從而可以大大改善該電動機(jī)的起動力矩T=（fs）波形，有效地限制了最小轉(zhuǎn)矩的減小。

我公司多年設(shè)計生產(chǎn)各種屏蔽電動機(jī)的實踐證明，對于氣隙長度較大的屏蔽電動機(jī)而言，如果雙層疊繞式定子繞組的節(jié)距和定轉(zhuǎn)子槽配合的選擇合理，其起動轉(zhuǎn)矩的T=（fs）波形均較正常、理想，沒有必要再將轉(zhuǎn)子鐵心制成斜槽或再額外加大氣隙長度。

2 低速45kW4P的起動轉(zhuǎn)矩T值的安全可靠性

對于雙繞組雙速電動機(jī)而言，通常在低速小功率時起動更易出現(xiàn)起動不順暢的問題，所以如何在該電動機(jī)設(shè)計時，設(shè)法提高和改善45kW4P的T=f（s）波形是提高該電動機(jī)電磁性能安全可靠性的關(guān)鍵。

1）樣機(jī)中15kW6P電動機(jī)的相關(guān)情況及參數(shù)值如下：定子繞組為單層鏈?zhǔn)剑ㄔ陔姎馍舷喈?dāng)于全節(jié)距繞組），每圈6匝，沒有發(fā)生起動阻轉(zhuǎn)故障，為提高功率因數(shù)cosφ，改為每圈7匝，其他相關(guān)參數(shù)值如下：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst=1.72倍，最大轉(zhuǎn)矩TM=2.95倍，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值KTst=Tst（倍數(shù)值）/Tst（基值）=1.72÷1.4=1.228 6，最大轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值 KTM=TM（倍數(shù)值）/TM（基值）=2.95÷1.4=1.639。

注：阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的基值Tst（基值）和最大轉(zhuǎn)矩的基值TM（基值），分別為GB/T 21210-2007《單速三相籠型感應(yīng)電動機(jī)起動性能》中的T1和Tb值（以下同）。

2）產(chǎn)品中45kW4P電動機(jī)相關(guān)的參數(shù)值如下：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst=1.82倍，最大轉(zhuǎn)矩TM=3.36倍，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值KTst=Tst（倍數(shù)值）/Tst（基值）=1.82÷1.2=1.517，最大轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值 KTM=TM（倍數(shù)值）/TM（基值）=3.36÷1.8=1.866。

3）樣機(jī)在轉(zhuǎn)速n由0（轉(zhuǎn)差率S=1）至額定轉(zhuǎn)速nN（轉(zhuǎn)差率SN=（n1-nN）/n1）的帶載起動過程中，負(fù)載需要樣機(jī)供給的牽引力矩T=f（s）是比較大的，與產(chǎn)品拖動狀況相似，所以兩者有可比性。

4）樣機(jī)的轉(zhuǎn)子為插紫銅條刀形轉(zhuǎn)子槽，產(chǎn)品的轉(zhuǎn)子為插H62黃銅條（其電阻系數(shù)為紫銅的3.7倍）長圓形轉(zhuǎn)子槽，銅條材質(zhì)和轉(zhuǎn)子槽形狀改變后，T=f（s）曲線形狀好得多——即使在兩個方案的Tst和TM值相等的條件下，后者明顯比前者的最小轉(zhuǎn)矩Tmin值大，總的牽引力矩要大，這種情況尤其在兩個方案的低速電機(jī)對比上表現(xiàn)得更為突出，因為樣機(jī)中15kW6P電動機(jī)的定子繞組為單層，無法采用短距措施削弱有5次諧波和7次諧波磁場產(chǎn)生的附加異步力矩。

5）在同類但不同規(guī)格電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst、最小轉(zhuǎn)矩Tmin、最大轉(zhuǎn)矩TM值上的大小對比上，不應(yīng)該用其倍數(shù)值，而應(yīng)該用其標(biāo)么值。由JB/T8158-1999可知，同類同極數(shù)的感應(yīng)電動機(jī)，功率越大者要求其Tst、Tmin、TM值的最低限值越小，同類但不同功率不同極數(shù)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小也可進(jìn)行對比，例如以45kW4P與15kW6P為例，就堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst值要求的最低而言，45kW4P規(guī)定其Tst≥1.2即合格，而15kW6P規(guī)定其Tst≥1.4才合格。所以該電動機(jī)與93A-180kW2P/15kW6P電動機(jī)阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的大小對比時，應(yīng)該用標(biāo)么值KTst（Tst（倍數(shù)值）/Tst（基值））和 KTM（TM（倍數(shù)值）/TM（基值））進(jìn)行對比。由以上敘述可知，只要產(chǎn)品的KTst、KTM不低于樣機(jī)的KTst、KTM值，其最小轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值KTmin（Tmin（倍數(shù)值）/Tmin（基值））肯定高于樣機(jī)——即該電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩T值均不低于樣機(jī)的T值。

注：GB/T 21210-2007《單速三相籠型感應(yīng)電動機(jī)起動性能》嚴(yán)格地說并不適用于該電動機(jī)，不適用是其規(guī)定的Tst、Tmin、TM的具體數(shù)值上需做相應(yīng)地調(diào)整，而在同類屏蔽電動機(jī)不同規(guī)格的Tst、Tmin、TM值的大小對比的方式上是適用的。

6）雙繞組雙速屏蔽電動機(jī)及其拖動負(fù)載的結(jié)構(gòu)零部件尺寸的大小，主要由其中的高速大功率的屏蔽電動機(jī)拖動的負(fù)載決定，同時還要兼顧滿足低速小功率時的性能，在結(jié)構(gòu)尺寸上做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。也就是說，低速小功率屏蔽電動機(jī)在起動過程中，它要拖動的負(fù)載、轉(zhuǎn)子、軸承摩擦副等轉(zhuǎn)動件，基本都是按高速大功率、大容量的參數(shù)設(shè)計制成的，比獨立的同規(guī)格低速小功率屏蔽電泵要大得多，所以要求其Tst、Tmin、TM也比獨立的同規(guī)格低速小功率屏蔽電動機(jī)大得多，高速比低速的功率大得越多，對低速小功率的起動轉(zhuǎn)矩要求的越高，樣機(jī)中180kW2P的功率為15kW6P功率的12倍，而產(chǎn)品中的280kW2P的功率為45kW4P功率的6.2倍，兩者相差近一倍，即使再考慮兩者的低速極數(shù)比為6:4也計入在內(nèi)時，兩者間仍有28.6%相差，再加上所述原因，產(chǎn)品中45kW4P的KTst=1.517和KTM=1.866，比樣機(jī)中15kW6P的KTst=1.228 6和KTM=1.639分別大23.47%和132.85%，所以更能順利起動。

3 高速280kW2P的起動轉(zhuǎn)矩T（起）值的安全可靠性

1）樣機(jī)中180kW2P和15kW6P電動機(jī)，均發(fā)生過起動阻轉(zhuǎn)故障，但180kW2P比15kW6P發(fā)生啟動堵轉(zhuǎn)故障的程度要輕，頻率要少。樣機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)值和標(biāo)么值分別如下（下標(biāo)1為180kW2P數(shù)值，下標(biāo)2為 15kW6P）：Tst1=0.81 倍，Tst2=1.48 倍；TM1=1.99 倍，TM2=2.89 倍 ；KTst1=0.81÷0.8=1.0125，KTst2=1.48÷1.4=1.0571；KTM1=1.99÷1.7=1.1706，KTM2=2.89÷1.8=1.606。

2）樣機(jī)中15kW6P電動機(jī)定子繞組為單層，每圈6匝時未發(fā)生阻轉(zhuǎn)故障，改為每圈7匝后就發(fā)生了起動阻轉(zhuǎn)故障，而且其阻轉(zhuǎn)狀況比180kW2P要嚴(yán)重些，未發(fā)生起動堵轉(zhuǎn)和發(fā)生起動堵轉(zhuǎn)的15kW6P電動機(jī)，前后兩種狀態(tài)下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的比值分別為Tst（前）/Tst（后）=1.72÷1.48=1.162，TM（前）/TM（后）=2.95÷2.89=1.0208，由此推算出，樣機(jī)中180kW2P電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，也按15kW6P電動機(jī)前后的增大比值增大后，也不會發(fā)生起動堵轉(zhuǎn)故障（經(jīng)如此這般折算后不再發(fā)生起動阻轉(zhuǎn)的180kW2P的參數(shù)在其右上方加“′”標(biāo)志），折算后的參 數(shù) 值 ：Tst′=0.81×1.162=0.941 倍 ，TM′=1.99 ×1.020 8=2.031倍，同理也可對其他參數(shù)值進(jìn)行折算如下：KTst′=0.941/0.8=1.176，KTM′=2.031÷1.7=1.195，η′=0.76×57÷60=0.722，cosφ′=0.901×0.319÷0.401=0.719。

3）只要該電動機(jī)中280kW2P電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值KTst=1.29和最大轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值KTM=1.255，分別不小于KTst′=1.176 和 KTM′=1.195，就不會發(fā)生起動阻轉(zhuǎn)故障，所以產(chǎn)品中280kW2P電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩T值是足夠的，是安全可靠的。

4 結(jié)論

通過以上對比分析，產(chǎn)品的啟動性能得以保證，規(guī)避了起動阻轉(zhuǎn)故障風(fēng)險，提高了產(chǎn)品的可靠性。

［1］ 上海電器科學(xué)研究所.中小型三相異步電動機(jī)電磁計算程序［M］.上海：上海電器科學(xué)研究所，1971.

［2］ GB/T 21210-2007 單速三相籠型感應(yīng)電動機(jī)起動性能［S］.

［3］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計（修訂本）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［4］ 上海電器科學(xué)研究所《中小型電機(jī)設(shè)計手冊》編寫組.中小型電機(jī)設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.