定转子槽配合对高压异步电动机温升的影响

程雪玲，吴泰，马砚芳

(江苏清江电机制造有限公司，江苏223005)

0 引言

如何选择合适的定、转子槽配合来获取电机满意的性能参数，一直是各电机制造厂非常关注的事情。据资料介绍美国某公司转子槽数(Q2)一般少于定子槽数(Q1)，即Q2＜Q1，且Q2=0.6～0.75Q1。而德国公司则采用转子槽数大于定子槽数的槽配合，即1≤(Q2/Q1)≤1.25。国内电机行业一般也会参照这些原则来确定具体产品的定转子槽数。但在实际生产过程中，厂家因槽配合选择不当而导致电机产生高温现象也时有发生。本文主要阐述定转子槽配合对高压鼠笼型异步电动机的温升影响及处理方法。

1 实例介绍

实例1:某工厂曾为客户制造过近200 台YKK 系列大中型高压鼠笼型异步电动机，机座号包含H450、H500、H560、H630、H710，其中H560及以下机座号皆为铸铝转子结钩。电机采用空-空冷径向通风方式。因之前有过磁性槽楔脱落、松动故障，故该批电机没有采用磁性槽楔。虽然设计时热负荷取得很低，设计温升低于65K，但电机运行不到6 个月，已有60 多台电机因高温问题返厂处理。这些电机使用的槽配合见表1。

从表1 可以看出:采用少槽配合的电机温升都合格，而温升过高的电机都采用了多槽配合。

对比电机出厂前做过的型式试验报告，发现温升高的电机铁损试验值比设计值均大于20%左右。尤其异常的是有些电机型式试验温升没有超过80K，可在用户处运行时电机温度却随时间的推移不断攀升，绕组测温元件PT100 的测试值甚至超过150℃(设定保护值)而导致电机跳闸。

实例2:2011 年试制的1 台NEMA 电机，型号NEG5010-4 315kW 6kV。设计槽配合为48/58，电机定转子内外圆尺寸(通常称之三圆尺寸)分别为:560mm、327mm、110mm。在厂内做型式试验，电机铁损7.79kW，占额定功率2.47%，温升高达96K。

实例3:最近制造的一台YKK560-6 1 120kW 6kV 的电机，采用径向通风方式，选用的槽配合也为72/86，定转子内外径分别为950/660/423，第一次采用凸形槽的铸铝转子，虽然定子采用了磁性槽楔，但是电机的温升还是严重超标，负载试验5 个多小时，PT100 测量的温度已到160℃，温升102K，电机温升还没有稳定下来。

2 原因分析

2.1 定、转子槽配合对电机附加损耗的影响

异步电机的附加损耗主要由气隙谐波磁通引起。这些谐波磁通在定、转子铁心中产生高频铁耗(表面损耗和齿部脉振损耗)，在鼠笼转子中产生高频电流损耗(包括斜槽转子的横向电流损耗)。其中以定、转子齿谐波磁通的作用最为显著。

当定、转子槽数很接近时，转子齿顶的宽度将十分接近定子齿谐波的波长，因此转子齿中由定子齿谐波磁通引起的脉振较小，脉振损耗也很小。同样，定子齿中由转子齿谐波磁通引起的脉振损耗也较小。因此，选择异步电机的槽配合，从减少附加损耗出发，定转子槽数应尽量接近，但不能相等，因为这会产生同步附加转矩，使电机无法起动。

采用多槽转子，转子中的谐波损耗虽然比少槽转子有所增加，但因转子齿谐波幅值减小，它在定子齿中产生的脉振损耗也随之减小，因此总的附加损耗与采用少槽的差不多。但对于斜槽铸铝转子，由于导条间由横向电流引起的损耗较大，而且随着槽数的增加而迅速增大，转子侧的附加损耗比定子侧的大很多。因此在斜槽铸铝转子电机中，一般都采用少槽-近槽配合，即定转子槽数接近，且转子槽数略小于定子槽数。

当定子为开口槽或半开口槽、转子为直槽铸铝转子时，如转子槽数多于定子槽数，会使空载附加损耗增加，因此最好也采用少槽-近槽配合。

美国某公司电机的设计特点:一是采用少槽配合;二是采用径向通风结构。少槽配合可以减小空载附加损耗;定子槽数多一方面可以提高定子齿谐波的级次，有利于降低附加损耗，另一方面还增加了定子线圈总的散热面积，可以弥补转子径向通风道风压小、风量不足的缺点，从而降低电机的温升。

实例1 为6kV、10kV 中型高压电机，径向通风结构。温升不合格的铸铝转子电机定子槽全部为开口槽，转子为直槽，且采用多槽配合，因此电机的附加损耗高，从而引起电机过热。

2.2 定、转子多槽配合对转子风路的影响

选用多槽配合的电机还可能存在一个严重缺陷，就是转子齿部间距小，通风槽管占据的面积大，管间距离太小，影响通风散热。尤其对于采用径向通风(见图1)的多极数电机，影响更为严重。因此采用多槽配合，务必仔细校核转子槽齿间距。通常两通风槽管之间最小距离必须大于5mm。实例2 和实例3 则主要是受转子风道被堵、风路不畅的影响。我们将电机顶部的空-空冷却器移去，空载运行电机，用风速仪从电机顶部测试定子通风道口风速，结果发现风速几乎为零。典型的空-空冷径向通风结构图见图1。

图1 径向通风结构图

实例2 电机NEG5010-4 315kW 6kV 转子通风槽板两通风槽管间最小间隙只有2mm，铸铝时有漏铝将之间间隙填满，很难清理出来。由于该电机采用径向通风，电机径向风扇装转子两侧，冷风从机座两端进，从机座中间出。转子通风槽片无法将转子铁心中的热量通过通风槽管扇出来，因此造成电机高温(见图2)。

图2 NEG5010 转子通风槽板

实例2 电机重做铸铝转子，槽配合改用48/38，即转子槽数由58 槽减少到38 槽，适当加大转子槽截面积，保持转子铝条总体积不低于之前。经过整改后电机铁损下降了1.83kW，温升下降到77.8K。

实例3 电机YKK560-6 1120kW 6kV 拆去冷却器，抽出转子检查，情况与实例2 非常相似。经分析发现，因采用了多槽配合，铸铝转子通风慒管间间隙太小(2.5mm，见图3)，将风道堵塞，使风路不畅。后更换了铜条转子，虽然还是相同的槽数，但由于取消了通风槽管，转子齿部间距最小值已达12.2mm，转子通风槽片扇出的热风可以通过通风槽片与铜条间的间隙扇出，经过定子铁心的通风道吹向机座上端的冷却器，风路畅通。电机温升降到52.7K，铁耗下降8.1kW，效率增加0.8%。由此可以看出，对于铜条转子电机，因过转子铁心的通风面积扩大了数倍，则受多槽配合的影响较小。

图3 YKK560-6 6kV 铜条转子通风槽板

3 降低电机温升的方法

3.1 采用磁性槽楔，可以降低电机温升10K 左右。使用磁性槽楔不仅可以降低电机的表面附加损耗，降低电机温升，还可降低电机的成本，提升产品的市场竞争力。但如果磁性槽楔选材不当或固定不良，就会引起松动、脱落，导致定转子内磨、电机烧毁等严重故障。为此，采用新的高强度导磁板加工制造的磁性槽楔，并将定子槽层间、槽楔下面的垫条材料由以前的层压板3240、3241 更换为热膨胀板。新材料、新工艺使用以来，未出现槽楔脱落现象，有效地解决了磁性槽楔松动、脱落这一困扰很多电机厂家的难题。

3.2 转子采用闭口槽，也可以达到减少表面附加损耗的效果。但闭口槽铸铝转子质量比较难于控制，因为转子如有错片、细条等缺陷，目视法无法检测出来。

3.3 适当加大气隙，也是厂家常常采用的一个降低温升的非常方便且效果显著的办法。这种方法既可以降低电机表面附加损耗，提高电机效率，又可以改善电机的通风。其缺点是会加大空载电流，降低电机的功率因数。

3.4 对于YKK 系列电机，可以更换空-空冷却器，适当加大冷却器的换热容量(因铁损加大，原设计的容量不能满足要求)，适当加大外风扇的直径和换热管的数量。如客户条件许可，可以将电机的冷却方式由IC611 改为IC616。

3.5 对于铸铝转子电机，在保持定子槽数不变的情况下，选用合适的少槽配合转子槽数，重做铸铝转子铁心予以更换，效果显著，成本增加不多。

3.6 在定转子槽数不变的情况下，将铸铝转子更换为铜条焊接转子，可以达到更佳的降温效果，但成本会增加很多。

实例中问题电机通过采用以上几种方法进行返工，电机的温升全部降到80K 以下，合格出厂。

4 推荐使用的槽配合

根据电机的研发制造经验，并结合国内外电机行业的资料介绍，推荐以下行之有效的鼠笼型电机槽配合(见表2)。

表2 推荐使用的槽配合

由图5 可知，锦屏二级研发项目负曲率导叶设计成果，最优转角时头部速度矢量均匀分布梯度合理，几乎达到无撞击来流。截面流线表明，导叶翼型绕流异常平顺，无分离涡流等现象发生，有益于导叶水力性能的提高。

根据水轮机效率对比试验结果，两种翼型导叶水轮机模型最优效率比较如图6 所示。

综上所述，负曲率导叶具有更小的水力损失和更为理想的水流流态，试验结果也表明，使用负曲率导叶水轮机水力效率得到较为明显的提升。

3 结语

由于高水头混流式水轮机流量小、水力损失大、小开度区运行等缺点，这对活动导叶的水力设计提出了严格的要求。负曲率导叶特殊的翼型特征，在改善小转角时头部绕流、降低小开度区水力损失、提高高水头混流式水轮机效率水平等方面具有显著作用，更适用于高水头大容量混流式水轮机的研发。负曲率导叶应用于我国锦屏二级高水头大容量混流式水轮机研发项目中，其显著的技术优势在工程实践中得到了成功的验证，可为我国未来雅鲁藏布江流域规划建设的大批量高水头大容量混流式水轮机的水力研发提供借鉴。

［1］ 程良骏.水轮机［M］.北京:机械工业出版社，1981.10.

［2］ 张乐福，陈元林，张亮.锦屏二级电站水轮机水力优化设计［J］.大电机技术，2008.