大型凸極同步電動機雜散損耗的計算

劉兆江，李俊亭

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

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大型凸極同步電動機雜散損耗的計算

劉兆江，李俊亭

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

分析了大型凸極同步電動機雜散損耗產生的原因，介紹了磁路法計算雜耗的具體方法，并根據相應理論和實踐經驗列舉了一些降低雜散損失的主要措施，對于同類電機的雜耗計算有較大的借鑒意義。

凸極同步電動機； 雜散損耗；計算；等效磁路法

0 引言

大型凸極同步電動機被廣泛應用于鋼鐵、冶金、煤炭等行業， 其用電量占有極其重要的地位。高效率電機利于節約電能，降低企業生產成本，具有良好的經濟效益，同時也可減少碳排放量，創造良好的社會效益。電機效率決定于損耗，其中的雜散損耗由于受定轉子不同結構形式、電磁參數及其材料性能等復雜因素影響，一直難于計算，目前大多按容量的0.4%～1%估算，誤差較大。若采用有限元法，準確分析計算需要三維有限元法，耗費時間長，如果要優化設計，反復工作量更大。本文采用電機等效磁路法，可快速完成電機各項損耗計算，以此為基礎，易于電機的結構改進和電磁優化。

1 雜耗產生的原因及分類

由定、轉子繞組中電流產生的漏磁場及高次諧波磁場，以及由氣隙磁導變化產生的氣隙磁場變化而引起的損耗稱為雜散損耗，一般分為空載鐵心中的附加損耗和負載時的附加損耗。

1.1 空載時，由于定子開槽，氣隙磁導齒諧波磁場與磁極相對運動，將在磁極上產生損耗。由于磁場頻率較高，損耗主要集中在磁極表面的薄層內和阻尼條中。此外，由定子開槽后氣隙磁通脈動導致的磁場變化也會引起齒中的脈振損耗。其共同產生的表面損耗和脈振損耗用PFepe表示，單位kW。

×10-5

(1)

式中，Kδ1—定子齒氣隙系數；Bδ—氣隙平均磁密，Gs；t1—定子齒距，mm；AK—極靴表面計算面積，mm2；Z—定子槽數；nN—轉子轉速，r/min；K1、K2—系數，見表1和表2。

表1 系數K1

表2 系數K2

1.2 負載時，定子繞組在氣隙中建立的諧波磁勢所產生的諧波磁場以不同的速度相對磁極和定子運動感生電流，且由于繞組存在漏磁場，這些漏磁場在繞組和所有臨近的金屬結構件中感生渦流，產生附加損耗，主要體現在5個方面。

1.2.1 凸極機氣隙不均勻，轉子勵磁磁勢與電樞反應磁勢的基波分量均在氣隙中產生3次諧波磁場。運行時，定、轉子3次諧波磁場互相疊加, 磁場中三次諧波在定子齒中引起的附加損耗Pt3，單位kW。

(2)

式中，G—定子齒重量，kg;PFe10—硅鋼片比鐵耗，w/kg;Bt1/2—空載電壓時定子齒中心平均磁密，Gs；Xad—縱軸電樞反應電抗；Xd—縱軸同步電抗；Ad3—電樞反應磁場三次諧波幅值系數，見圖1；α3—空載磁場三次諧波幅值系數，見圖2。

1.2.2 電樞繞組通電時其導體沿槽高截面各部分的漏磁通匝鏈數不同，槽底部分漏抗較大，電流小，因此繞組內部形成渦流。此外，通過鼻端連接處并聯股線間流過的循環電流也會產生損耗，如同電阻增大，其損耗有效電阻與歐姆電阻之比定為k，即在定子繞組中引起附加銅耗Pcus，單位kW。

Pcus=(k-1)Pcu

(3)

式中，k—電阻增加系數；Pcu—定子直流電阻銅耗，kW。

1.2.3 電機額定運行時定子磁場中齒諧波在極靴表面及阻尼繞組中感生渦流，產生附加損耗Ppt，單位kW。

(4)

式中，Xad—縱軸電樞反應電抗；Z—定子槽數；2p—電機極數；K′—系數，見表3。

表3 系數K′

1.2.4 定子各次相帶諧波磁勢產生的各次諧波在磁極表面產生的損耗Pkv，單位kW。無阻尼條時

(5)

式中，q—每極每相槽數；Z—定子槽數；2p—電機極數 ；Kσ—系數，見表4。

表4 系數Kσ

有阻尼條時

×10-5

(6)

nB—每極阻尼條數；dB—阻尼條直徑，mm；lB—阻尼條長度，mm；CB—阻尼條與銅的比電阻系數；kδ—總氣隙系數；τ—極距，mm；δ—最小氣隙長度，mm；Fδ—空氣隙磁勢，AW；lE—定子繞組端部半匝長，mm；β—繞組短距比；t2—阻尼孔距，mm；δ′—計算氣隙長度，mm；bsh—阻尼槽口寬，mm。

1.2.5 電機額定運行時，漏磁場在定子齒壓板及端蓋上產生附加損耗Pad。由于繞組端部電流的空間分布復雜，加之靠近端部的部件如端板和壓板的距離及其材質不同,精確計算端部電流漏磁場在這些部件里產生的損耗難于計算，單位kW，經驗公式如下

(7)

式中，Di1—定子內徑，mm;A1—定子電負荷，A/m；f—頻率，Hz。

2 電機功率流程

電機能量轉換流程如圖3所示。

圖3中，P1—定子側輸入功率；PFe—定子鐵耗；Pcu—銅耗;Pm—機耗;PS—雜耗;P2—輸出功率。

電機雜耗PS=P1-PFe-Pcu-Pm-P2，其中PS=Pcus+PFePe+Ppt+Pkv+Pt3+Pad

3 設計程序流程

本程序是基于大中型凸極同步電動機特點編制的，程序主要分為數據輸入、磁路基本尺寸計算、電磁參數計算、損耗計算，溫升計算和結果輸出6部分，流程見圖4。

4 降低雜散損耗措施

如今對電動機雜散損耗的認識仍然處于研究階段，現在降低雜散損失的主要方法有。

4.1 改善極靴形狀，主極極靴外形影響氣隙磁場在空間的分布，呈現非正弦性，可通過極靴的優化設計減少奇次空間諧波。根據經驗，極靴寬度與極距比一般取0.7～0.75，最大氣隙與最小氣隙比取 1.5。

4.2 采用分布繞組，增加每極每相槽數q，能有效抑制諧波電動勢，但是q過多，將提高電機成本，降低基波的繞組系數，因此選用6≥q≥2。

4.3 采用短距，根據電機情況，適當調整線圈的跨距， 以降低繞組的諧波含量。

4.4 采用分數槽繞組， 每極每相槽數q等于分數時，齒諧波次數一般為分數或偶數，而主極磁場中僅含有奇次諧波，因此不會出現齒諧波電動勢。

4.5 采用斜槽，經過計算當斜過的齒等于1個齒距時能消除齒諧波，但大型電機斜槽時，鐵心疊壓工藝比較復雜， 可采用斜極來削弱齒諧波。

4.6 磁極采用硅鋼片，其表面氧化膜絕緣層增加渦流回路的電阻，減小磁極的表面損耗。

4.7 減少槽寬與氣隙的比值，能降低磁通密度幅值，可減小磁極的表面損耗。

4.8 采用磁性槽楔，開口槽時電機氣隙磁場在齒和槽的分布不均勻，使用導磁性槽楔可減小電機的氣隙系數，使氣隙磁密變得更加均勻，顯著減小脈振損耗和表面損耗。

4.9 改進端部結構，采用非磁性材料，減少端部漏磁在電機端蓋、壓指等金屬零部件中的損耗。

4.10 定子繞組采用換位技術，利用各股線在槽部感應的電勢差來抵消端部漏磁場在繞組端部所感應的不同電勢，使線圈各股線間的環流降低，從而減小繞組的環流損耗。

5 結語

本文分析了大型凸板同步電機雜散損耗產生的原因，利用磁路法充分考慮產生雜耗的各種因素,結果表明，該方法計算簡便,對相同類型電機的損耗分析具有一定的借鑒意義。

[1] 陳世坤. 電機設計[M]. 北京： 機械工業出版社，1990.

[2] 白延年. 水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

[3] 林錫川，費師謹.同步電機實驗軟件開發難點分析.防爆電機，2007.6.

Calculation for Stray Loss of Large Salient-Pole Synchronous Motor

LiuZhaojiangandLiJunting

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper analyzes causing reason of stray loss of large salient-pole synchronous motor, introduces specific magnetic circuit method to calculate stray loss and lists some major methods which can reduce stray loss according to relevant theory and practical experience. It has

ignificance for calculating stray loss of the same kind of motors.

Salient-pole synchronous motor；stray loss；calculation；equivalent magnetic circuit method

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.11

TM306

B

1008-7281(2016)05-0037-004

劉兆江 男 1973年生；畢業于哈爾濱理工大學電機與電器專業，碩士，現從事電機設計開發工作.

2016-04-06