YK6500-2/1350 10kV IP54大型兩極高速三相異步電動機的設計

【摘?要】本文介紹了YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動機的設計過程，介紹了該類電機的性能參數和結構特點，并指出了在設計中所采取的關鍵措施。

【關鍵詞】高速三相異步電動機;電磁設計;結構設計

引言

2019年筆者接到產品設計任務，要求設計YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動機。工業用大中型高速電動機始終是行業內的難點產品，加之此臺兩極高速電動機功率較大，給設計帶來了很大難度。為此，在設計時重點要合理的設計轉子結構，滿足電機安全穩定運行要求。

1.電動機基本技術參數

型號：YK6500-2/1350

額定電壓：10kV

額定電流：434A

額定頻率：50Hz

效率：97.2%

功率因數：0.89

最大轉矩倍數：2.03

堵轉轉矩倍數：0.89

堵轉電流倍數：4.47

2.電磁設計

該電機選擇定子沖片外徑φ1350mm，轉子沖片外徑φ650mm，鐵芯總長1090mm，通風道數26，定子槽型選用開口槽，轉子槽型選用凸型槽，以利用集膚效應使槽內導體有效高度較小，使轉子起動電阻增加、槽漏抗減小，從而提高起動轉矩，降低起動電流，獲得滿意的啟動性能。在設計過程中，既要考慮兼顧電機各項性能指標要求，又要考慮成本，并且溫升留有合理裕度。定子齒磁密1.51T，定子軛磁密1.49T，轉子齒磁密1.52T，轉子軛磁密1.46T，氣隙磁密0.71T。

定子采用雙層疊繞組，綜合考慮削弱諧波和定子嵌線時工藝要求，節距取2/3極距，定子接線Y接。因定子電流較大，并聯支路數選擇2路。考慮經濟性和電機散熱要求，熱負荷設計在3000附近。

3.結構設計

3.1總體結構

電動機結構形式為IM7311，主要由定子、轉子、軸承、冷卻器、底板等幾大部分組成（見圖1）。軸承和定子安裝在底板上，由底板承擔電機重量和運行扭矩，定子上安裝有空-水冷卻器，實現電機熱交換。具有外形美觀，噪聲低、振動小，高效節能，運行穩定，安裝、維護方便等優點。

3.2 定子結構

定子包括機座、定子鐵芯、定子線圈等關鍵部分，機座由鋼板焊接而成，保證了電機機械強度。定子采用內壓裝，徑向通風道結構，在機座內疊片，用機座內筋板緊固，壓裝后，由定子壓圈壓緊。鐵芯壓緊后將固定片與機座壁板焊牢，然后進行嵌線、整浸。這種結構的優點是鐵芯在機座內固定后，不再受下幾道工序的影響而導致鐵芯變形，并且鐵芯壓裝好后，嵌線在機座內進行不易碰壞。

定子繞組為雙層疊繞組，整個定子繞組采用VPI真空壓力浸漆工藝，繞組端部和直線部位固化成整體。同時，浸漬漆充分占滿槽內空間，提高散熱性能。

3.3轉子結構

轉子是電機的旋轉部件，電機額定轉速達到2990r/min，在如此高轉速下，轉子各部件承受了巨大的離心力，因此轉子結構的可靠性至關重要。轉子包括轉軸、轉子鐵芯、風扇，平衡環等。

3.3.1轉軸

轉軸在設計時，應從以下幾個方面考慮：

（1）要有足夠的強度。

（2）要有足夠的剛度。即其撓度必須在合理的范圍內。

（3）臨界轉速應避開額定轉速，以免發生共振。

在設計轉軸時，轉軸材質使用優質45#鍛鋼，并經調質處理，滿足強度要求。為保證電機運行的可靠性，異步電機總撓度不應超過電機氣隙值的10%。經計算本電機轉軸撓度設計為6.4%，符合規定之要求。本電動機轉軸設計成了柔性軸，即一階臨界轉速低于額定轉速。為了避免電機工作時產生共振，臨界轉速應避開額定轉速15%。經計算，本電機一階臨界轉速為額定轉速的74%，滿足電機安全運行的要求。

3.3.2轉子鐵芯

轉子鐵芯由轉子沖片疊置而成，經離心鑄鋁鑄出槽內導條和鐵芯兩側的端環，使轉子鐵芯成為一個堅實的整體。轉子鐵芯與轉軸采用過盈配合，轉子鐵芯和轉軸通過熱套方式連接。轉子鐵芯設計有徑向通風道，而轉子沖片開有軸向通風孔，保證電機內部通風需求。為保證機械強度，轉子沖片為整圓沖片。

由于兩極電機轉速高，轉子所受離心力大，轉子鐵芯需計算離心應力，使其不超過限值。在計算時，我們將轉子鐵芯看做厚壁圓筒，根據厚壁圓筒的機械計算原理，我們可以得知：厚壁圓筒由自身離心力所引起的切向拉應力的最大值產生在其內圓表面上。其值為：

通過計算本電機轉子鐵芯所受應力最大值為162MPa，滿足設計限值要求。

3.3.3轉子風扇的設計

由于兩極電機轉子外徑小、轉速高，因此適宜選用軸流風扇。軸流風扇的特點是效率高、噪音低，氣體通過軸流風扇時一般不改變運動方向，正好與轉子通風槽管形成的“離心風扇”形成串聯風扇，能夠加強電機的冷卻效果。風扇整體鑄造而成，以保證機械強度和獲得較好的性能。

4.結語

該電機裝配完成后型式試驗一次性合格，達到了設計預期，通過型式試驗可以看出，本電機各項性能指標達到了設計預期。目前，該電機已交付用戶使用，投入運行近一年以來，運行情況始終良好，各項性能指標均正常，產品質量受到了業主一致好評。此次YK6500-2/1350 10kV IP54大型兩極高速三相異步電動機的設計成功，為公司打開了大功率高速電機的市場的同時也為制造大型高速電機積累了經驗。

參考文獻：

[1]陳世坤. 電機設計[M ]. 北京：機械工業出版社，2000.

[2]湘潭電機廠. 交流電機設計手冊[M ]. 長沙：湖南人民出版社，1978.

作者簡介：

張帆，（1994年7月--），男，漢族，籍貫：遼寧;學歷：大學本科;職稱：助理工程師;研究方向：電氣。

（作者單位：泰豪沈陽電機有限公司）