異步電動機(jī)繞組受力計算

劉碩

【摘 要】在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機(jī)作為重要的驅(qū)動設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、電力等領(lǐng)域，異步電動機(jī)在各種復(fù)雜工況下正常運(yùn)行時，其電磁力對電機(jī)本體的作用十分顯著，因此定量分析電動機(jī)繞組所受電磁力具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。本文分析了異步電動機(jī)繞組所受的電磁力分布情況以及電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與繞組電磁力的關(guān)系。所得結(jié)論可為高壓異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】異步電動機(jī) 繞組電磁力 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機(jī)作為重要的驅(qū)動設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、電力等領(lǐng)域，異步電動機(jī)在各種復(fù)雜工況下正常運(yùn)行時，其電磁力對電機(jī)本體的作用十分顯著。同時，電磁力作用于電機(jī)繞組也會引起電機(jī)噪聲和振動。因此，定量分析電動機(jī)繞組所受電磁力具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。本文利用電機(jī)繞組電磁力數(shù)值計算模型，計算了電機(jī)正常運(yùn)行時繞組所受的徑向電磁力和切向電磁力，并分析了電磁力與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，從而為異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁方案優(yōu)化提供理論參考。

2電磁力計算模型

根據(jù)洛倫茲電磁力計算模型，電機(jī)運(yùn)行時繞組所受的電磁力計算公式為：

（1）

式中 為電流密度矢量， 為磁通密度矢量， 為體積單元。利用式（1）計算出單位體積上電機(jī)繞組所受的電磁力矢量，然后對該矢量進(jìn)行疊加計算，從而求出整個繞組所受的電磁力，如式（2）所示。

（2）

應(yīng)用坐標(biāo)變換，分別求出徑向和切向上導(dǎo)體所受的電磁力 和 ，其計算式為：

（3）

3 電機(jī)正常運(yùn)行時繞組受力計算

本文以一臺工頻高壓異步電動機(jī)為例，分析電機(jī)正常運(yùn)行時，其定轉(zhuǎn)子繞組所受的徑向電磁力和切向電磁力分布規(guī)律，如圖1所示。

（a）定子下層繞組 （b）定子上層繞組

圖1電機(jī)運(yùn)行時繞組電磁力分布規(guī)律

從圖1可以看出，電機(jī)正常運(yùn)行時，定轉(zhuǎn)子繞組所受的電磁力有明顯差異，繞組所受的徑向力遠(yuǎn)大于切向力，且電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條所受的電磁力最大，這將對繞組本身、槽絕緣及槽楔等產(chǎn)生很大的影響。

4 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與繞組電磁力的關(guān)系

4.1 定子槽型與繞組電磁力的關(guān)系

異步電動機(jī)采用的定子槽型如圖（2）所示，本文對比分析了兩種槽型結(jié)構(gòu)下繞組所受電磁力的分布情況。兩種定子槽型結(jié)構(gòu)下徑向電磁力的分布情況如圖3所示。

圖2異步電機(jī)定子槽形

（a） 定子下層繞組 （b） 定子上層繞組

圖3 不同定子槽型結(jié)構(gòu)下繞組所受徑向電磁力分布

從圖3看出，兩種槽型結(jié)構(gòu)下電機(jī)繞組所受的電磁力分布規(guī)律幾乎相同，但是半閉口槽結(jié)構(gòu)下電機(jī)繞組受力較小，這表明定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)可以減小電機(jī)繞組所受的電磁力。對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得出，定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)時，定子繞組受力大約為開口槽結(jié)構(gòu)的89%，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受力峰值大約開口槽結(jié)構(gòu)的85%，因此異步電動機(jī)的定子采用半閉口槽結(jié)構(gòu)時，可以有效降低定、轉(zhuǎn)子繞組所受的電磁力。

3.2 轉(zhuǎn)子槽型與繞組電磁力的關(guān)系

在電機(jī)起動過程中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條感應(yīng)電流的分布和氣隙磁導(dǎo)的均勻程度都與轉(zhuǎn)子槽型有很大的關(guān)系，本節(jié)將研究轉(zhuǎn)子采用閉口槽與半閉口槽兩種結(jié)構(gòu)時，電機(jī)繞組所受電磁力的分布情況。兩種槽形結(jié)構(gòu)下電機(jī)繞組所受的電磁力分布情況如圖4所示。

（a） 定子下層繞組 （b）定子上層繞組

圖4 轉(zhuǎn)子槽型對繞組徑向電磁力影響對比

由圖4可見，兩種槽形結(jié)構(gòu)下電機(jī)繞組所受電磁力的分布情況幾乎相同，但是電磁力明顯減小，表明轉(zhuǎn)子閉口槽結(jié)構(gòu)會影響電機(jī)運(yùn)行時繞組中的電流分布，從而影響繞組受力。從圖4還可以看出，轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)下的定子繞組受力大約半閉口槽結(jié)構(gòu)下的82%，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受力大約為半閉口槽結(jié)構(gòu)下的80%，這表明轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)可以有效減小電機(jī)繞組所受的電磁力。

3.3 定轉(zhuǎn)子槽配合與繞組電磁力的關(guān)系

定轉(zhuǎn)子的槽配合也會影響繞組所受的電磁力。本文將研究電機(jī)槽配合分別為72/56、72/58、72/62時繞組電磁力的分布情況。圖5為不同槽配合下電機(jī)繞組所受的徑向電磁力分布情況。

由圖5可見，不同槽配合對定子繞組所受的徑向電磁力分布影響不大，但會改變電機(jī)繞組所受的電磁力峰值，從圖中可以看出，對于電機(jī)定子繞組所受的電磁力，槽配合為72/62時為 72/56時的1.08倍；而對于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條所受的徑向電磁力峰值，槽配合為72/62時為 72/56時的0.92倍。因此，槽配合對定轉(zhuǎn)子所受的徑向電磁力的影響規(guī)律正好相反。

（a）定子下層繞組 （b） 定子上層繞組

圖5不同槽配合對繞組徑向電磁力影響對比

4 結(jié)語

本文利用洛倫茲力計算模型，分析了電機(jī)運(yùn)行時定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條所受的電磁力分布規(guī)律，同時定量分析了定、轉(zhuǎn)子槽型以及槽配合等結(jié)構(gòu)參數(shù)與電機(jī)繞組徑向電磁力的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）電機(jī)正常運(yùn)行時，電機(jī)繞組所受的徑向電磁力遠(yuǎn)大于切向電磁力。（2）定子采用半閉口槽，轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)，可以有效減小電機(jī)繞組所受的徑向電磁力，且轉(zhuǎn)子采用閉口槽結(jié)構(gòu)時下降更為明顯。（3）電機(jī)槽配合會影響電機(jī)繞組所受的電磁力，對于本文中采用72/56、72/58、72/62三種槽配合，定子繞組所受的徑向電磁力在第一種槽配合時最小，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條所受的電磁力在第三種槽配合時最小。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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

[3]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)內(nèi)的電磁場[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.