中小型異步電動機電磁負荷和氣隙長度的確定

杜世勤

（上海電機學院，上海201306）

1 引言

信息時代最具代表性的工業發明是計算機，電動機則是電氣時代的標志性產品，人類在技術迭代過程中體會了生產效率的提高。中小型異步電動機在工農業生產領域被廣泛地運用，替代了勞動者的很多體力工作，因此在可見的將來還不會被淘汰。沒有最好的電機，只有最合適的電機。結合與時俱進的設計方法和信息自動化程度日趨提高的加工工藝水平，中小型異步電動機的設計變得容易實現。在加工自動化、成本透明的當代，設計一臺合適的中小型異步電動機，常使用計算機的科學計算功能。商用軟件輸入這種電機的幾何尺寸和繞組參數，接在一定頻率的電源電壓上，輸出給定功率的電機設計清單。輸入幾何參數不能靠碰運氣，至少要完成中小型電動機電負荷、磁負荷和氣隙長度的選取，為之后的設計調整創造良好的開端。

2 中小型異步電動機電磁負荷的選取

對于所設計的中小型異步電動機電機，一般給定的是額定功率，而不是計算電磁功率。由于計算電磁功率表達以電磁能的形式通過定、轉子之間氣隙傳遞的功率，而額定功率是指輸出功率，計算電磁功率比額定功率大一些。

確定電機主要尺寸的一般方法：根據電機的額定功率PN，利用公式得出計算功率P′。然后根據P′與n（交流電機為同步轉速，直流電機為額定轉速），結合所設計電機的特點，利用推薦的數據或曲線選取電磁負荷A、Bδ，代入公式即可算得D2Lef[1]。考慮電樞直徑D 和電樞的計算長度Lef的比例關系，計算得出電樞直徑D 和電樞的計算長度Lef，然后根據國家沖片標準，選取靠近的那一款。

D2Lef近似地表示轉子有效部分的體積。對于同一功率和同一轉速的電機，A、Bδ愈高，則電機的主要尺寸愈小，材料愈省。而要選用較高的A、Bδ，有賴于改善電機通風散熱條件和使用優質導電導磁材料與絕緣材料。

設計感應電動機時，電磁負荷A 和Bδ是依據制造和運行經驗所積累的數據來選擇的。對于中小型感應電動機通常取線負荷A 為1.5×104～5.0×104A/m，文獻[1]以曲線的形式描述了中國大量生產的中小型感應電動機的A 值，即線負荷和額定功率的關系。查文獻[1]中圖10-2，得到一個線負荷數值。參考文獻[1]中圖10-2，Y 系列中小型異步電機極對數P=1、2、3、4，輸出功率Pn為1～100 kW，用下述對數函數式表達為：

P=1 時，線負荷與額定功率的關系如圖1 所示。

圖1 P=1 時線負荷與額定功率的關系

P=2 時，線負荷與額定功率的關系如圖2 所示。

P=3、4 時，線負荷與額定功率的關系如圖3 所示。可以得到設計Y 系列中小型異步電動機線負荷，并確定每相串聯導體數，進而得到每槽導體數，取整后得到每線圈匝數、每相串聯匝數。

實際設計電機時，在考慮機電能量轉換的同時，電路方面還要考慮電機的銅耗、流過導體的電流，其電流密度J 不能太大，線負荷和電密的大小決定了電機槽的面積大小。

圖2 P=2 時線負荷與 額定功率的關系

圖3 P=3、4 時線負荷與額定功率的關系

電機軸向截面中硅鋼片的齒槽形狀，從磁路方面理解比較簡單好懂，涉及磁負荷的選擇。一般沒有使用線磁通負荷和齒軛磁密確定中小型異步電動機齒的寬度和軛的高度的說法，更為直接的是從氣隙磁密和齒軛磁密的取值，來確定齒的寬度和軛的高度。

中小型異步電機設計中，磁負荷Bδ值的波動范圍不大，防護等級IP44 的電動機氣隙磁密在0.6～0.8 T 之間[2]。根據參考文獻[2]中表1-8，還可知定子齒磁密Bt1在1.4～1.6 T 之間，定子軛磁密Bj1在1.1～1.5 T 之間；轉子齒磁密Bt2在1.25～1.6 T 之間，轉子軛磁密Bj2約為1.0 T。根據磁負荷確定齒寬和軛高，在保證機械強度的基礎上，沖片開槽形成定轉子磁路。

輸入磁路和電路參數給電動機設計核算軟件，會有槽滿率的計算結果。如果槽滿率符合電機生產企業的工藝要求，中小型電機的主要尺寸就能確定，為校核計算奠定了基礎。

中心高、定子內外徑和轉子內徑，國際電工委員會組織IEC 已有標準體系[3]。由于電機設計可以利用幾何相似定律，沖片又是標準化的，有一些參考資料直接給出了定、轉子沖片尺寸，然后再往下設計。

3 中小型異步電動機氣隙長度的選取

定、轉子氣隙長度對電機性能和運行可靠性影響較大。氣隙過小，使諧波漏抗增大，導致電機起動轉矩降低，雜散損耗增加；氣隙過大，又會降低電動機的功率因數，使空載電流增大[3]。參考文獻[3]中的表2-3 給出具體的數值，依據中心高從低到高，氣隙長度為0.25～1.80 mm。參考文獻[3]給了如下經驗公式：

式（4）中：Di1為定子內徑，m；lt為鐵心長度，m。

4 結論

本文通過公式化的線負荷，為中小型異步電動機設計計算提供了便利。選擇合適的電磁負荷，可以得到電機的主要尺寸。調整繞組電密和鐵心磁密，也就是通過軸向截面上磁路和電路的相互協調，并根據企業加工工藝選取氣隙長度，通過計算機的科學計算功能，比較容易得出中小型異步電動機的設計清單。