對旋軸流風機專用單繞組雙速電機設計

孟大偉 楊小妮 劉金輝 荊超

摘 要：針對對旋式軸流風機在偏離額定工況點的狀態，出現壓升和功率不平衡，以及效率嚴重降低的問題，對風機的兩級驅動電機進行了研究。采用變極調速的方式，設計出單繞組雙速變極調速電機作為對旋軸流風機前后兩級葉輪的驅動電機。根據電機繞組理論，利用對稱軸線法設計出6/8極變極繞組型式，對雙速變極電機進行有限元仿真分析，結果證明，雙速電機在兩種極數下電機性能均好。風機可以根據不同工況，調節前后兩級葉輪的轉速比，使風機始終工作在高效運行區。此外，所設計的單繞組雙速電機對比原風機配用的電機降低了一個中心高，制造成本也有所降低。

關鍵詞：對旋風機;變極調速;諧波分析;電磁計算

DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.016

中圖分類號： TM343

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）01-0108-07

Abstract：Aiming at the problems of the pressure rise and power imbalance and the problem of serious reduction of efficiency when the contra-rotating axial flow-fan deviates from the rated operating point，the two-stage drive motor of the fan is studied-In this paper， the single winding and double speed motor is designed to drive the impeller of the contra-rotating axial flow-fan-According to motor winding theory， with the method of symmetry axis to design the 6/8 pole winding type-The finite element simulation analysis simulation analysis of the double speed pole motor show that the two-speed motor has good performance in two kinds of poles-The fan can adjust the speed ratio of the impeller according to different working conditions， so as to keep the fan working in efficient operation area-In addition， the design of single winding two-speed motor reduces the height of center and manufacturing costs by comparing the motor with the original fan-

Keywords：contra-rotating axial-flow fan; pole-changing control; harmonic analysis; electromagnetic calculation

0 引 言

對旋軸流風機由兩個旋轉方向相反的轉子組成，兩級葉輪分別安裝在前后兩級的軸伸端，由兩臺規格相同的三相感應電機直接驅動[1]，廣泛應用于煤礦、隧道等需要通風的場合。伴隨著煤井下長距離送風需求的增多，對風機的運行性能提出了更高的要求。近年來，很多學者對葉輪安裝角度、風機輪轂結構、擴散器結構以及軸承等風機結構進行優化設計，大大提高了風機在設計工況點的運行性能[2-8]。然而對于風機偏離設計運行點時，出現的兩級葉輪的壓升和功率趨于不平衡，運行效率大大降低的情況并未進行深入研究。在實際的工程作業中，隨著送風距離變化，風壓和流量需要改變，目前多數風機是采用擋板或者閥門來調節的。但這種方法相當于人為增大了阻力，不僅浪費電能，而且還會對設備造成損害，降低設備的壽命[9]。

近年來，Pundhir Ds-[10]、Chen等[11]、劉紅蕊等[12]、艾子健等[13]對旋軸流風機的變轉速匹配特性進行研究，研究表明：調節前后兩級葉輪轉速，可以有效抑制失速和過載的問題，明顯提高風機的運行效率。然而，變頻器的使用不僅會增加投資，而且會因為井下、隧道中復雜惡劣的環境而無法滿足防爆的要求。而變極調速可以實現電機轉速的有級調節，并且憑借其簡單、高效、安全、成本低且對設備運行環境要求低等優越性能，在這一工程領域應用更具有優勢。此外，文[14]對變頻調速和變極調速分別進行了研究，證明對于風機類負載機械的調速運行，變極調速更具有優勢。

為達到風機系統節能的目的，本文以型號為FBDCZNo-14/2*45的礦用對旋軸流風機為研究對象，采用變極調速的方式設計出適用于此型號風機的單繞組雙速6/8極調速電機，作為對旋風機前后兩級的驅動電機，并對其進行了諧波分析，對電機性能進行了有限元仿真分析。

1 變極雙速電機設計原則

風機屬于平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、轉矩T以及功率P有如下關系：Q∝n，T∝n2，P∝n3，可見，風機調速可以實現了較大幅度的節能[9]。設計風機專用單繞組雙速電動機時，必須考慮到軸功

率與轉速立方成正比的特點，否則會出現前后兩級功率不平衡的情況，達不到節能的目的。

本文單繞組雙速電機采用變極調速，其核心為變極繞組設計。隨著單繞組變極調速應用越來越廣泛，普遍存在的問題是往往變極的繞組系數非常低，電機性能較差，可能帶來更多的能耗，這與高效節能的初衷背道而馳。因此，設計出變極前后的繞組利用率高，諧波含量少的雙速變極繞組是關鍵。

本文單繞組雙速變極電機遵循以下設計原則：

1）受對旋風機安裝尺寸的約束，新設計的電機的外形尺寸不宜與原電機尺寸相差過大，新電機的外形結構尺寸等于或稍小于原型號電機;

2）按風機系統運行的高效區合理確定兩種轉速下電機的額定功率;

3）定子繞組排列滿足兩種極數下電機的繞組利用率高，諧波含量低的要求;

4）電機特性曲線應基本符合功率與轉速立方成正比，轉矩與轉速平方成正比的特性;

5）兩種轉速下電機性能均好;

6）滿足以上要求的情況下，盡量降低電機的制造成本，達到節能的目的。

為適應不同送風距離風機運行情況，電機功率選取依據風機運行在不同工況下的的軸功率。根據文[15]，通過對型號為FBDCZNo-14/2*45的礦用對旋軸流風機進行研究，該風機原來配用電機為6極，轉速為980r/min，對風機進行不同轉速匹配研究，得到對旋軸流風機在不同轉速配合時的效率-流量曲線和軸功率-流量曲線，如圖1和圖2所示。

4 結 論

本文對對旋軸流風機的專用雙速電機進行研究，利用電機繞組理論和電機設計原理設計出了適合對旋軸流風機的專用雙速電機，并對其進行有限元仿真分析，重點分析其電磁性能和機械性能。得出以下結論：

1）用對稱軸線法進行繞組變極，設計出單繞組6/8極雙速變極繞組排列型式，對繞組利用率進行分析計算，變極前后繞組系數分別是0-925和0-945，繞組利用率較高。

2）依據電磁設計原理，設計出雙速電機，并建立模型，對兩種極數下的電磁性能進行有限元仿真分析，重點分析了兩種狀態下磁密分布、徑向磁密諧波含量和電磁轉矩;最后得出結論：雙速變極電機運行性能較好，效率較高，滿足風機的要求。

3）本文設計的電機不僅在制作成本上有所降低，而且雙速電機驅動風機運行，實現按需送風，大大提高風機的運行效率，達到節能的目的。

變極調速電機可以有級調節電機轉速，可應用到各種機械負載類設備中，成本低，而且運行維護方便。

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（編輯：王 萍）