高压电机气隙长度与转子损耗的关系初探

2014-08-08邢建宾吴艳红

电机与控制应用 2014年10期

邢建宾，吴艳红

(1.双龙集团上海防爆电机盐城有限公司，江苏盐城 224000；(2.上海电机系统节能工程技术研究有限公司，上海 200063)

0 引言

一般情况下高压三相异步电动机定子采用平行槽。即开口槽，槽形宽度较大，与转子齿距相对比较接近。在运行中容易在转子齿中形成较大幅度的脉振磁通量，造成转子的脉振损耗增大，损坏转子或烧毁轴承。本文通过实例说明气隙长度在减小转子损耗、降低转子温度的作用。同时，提出脉振振幅、定子槽宽、气隙长度、转子齿距之间的对应关系式和转子脉振损耗的计算式，列举了部分产品的气隙长度计算值与图纸标注的对照表。

1 实例说明

在电机设计中，杂散损耗一般以0.005倍的额定功率来估算，所以通过设计程序的计算结果无法充分说明电机质量的优劣。

某厂生产高压矿用防爆电机YBQ2-4501-4P 10 kV 220 kW IP6X一台拖动潜水泵。负载试验时多次发生烧毁轴承的问题。经测温试纸测量，电机运行3 h时定子铁心温度60 ℃，转子表面温度140 ℃，轴承内盖处温度120 ℃。分析原因为转子温度高和轴承温升叠加，使轴承温度过高被烧毁。该电机的电磁方案和损耗情况如表1、表2所示。

表1 电磁负荷及主要性能参数计算值

表2 电机的各种损耗计算值 kW

由表1、表2可知，该电机的电磁负荷较低，性能指标比较合理，各种损耗符合常规设计范围，电机性能较好。后将转子气隙长度由2.5 mm放大到3.5 mm。再次经测温试纸测量，电机运行3小时时定子铁心温度55 ℃，转子表面温度65 ℃，轴承内盖处温度50 ℃，电机故障被排除。

从上述实例的设计计算值可说明，各项指标正常，电机的定转子气隙长度对降低转子损耗、降低转子温度有举足轻重的作用。

2 定转子参数和气隙长度的关系

根据电机设计理论可知，定转子的杂散损耗除了表面损耗以外还有定转子齿中的脉振损耗。表面损耗与定子的极距τ有关，极距与定子谐波波长相比要大得多，所以表面损耗存在于转子表面的浅层，对转子损耗的影响较小。而脉振损耗与定转子的齿距有关，齿距与谐波波长比较接近，所以脉振损耗是转子损耗的主要成分。由于定转子有齿、槽和气隙的存在，如果定转子设计不当，会使脉振损耗表现突出，造成很大影响。

转子槽宽度和定子齿距往往不一致，使定转子在运行中，齿部产生脉振磁通量。定子齿部脉振磁通密度的振幅如下：

(1)

(2)

式中：Bp1——定子齿部脉振磁通密度的振幅；

Bt1——定子齿部磁通密度；

δ——气隙长度；

t1——定子齿距；

b02——转子槽形宽度。

定子槽宽度和转子齿距往往也不一致，转子齿部脉振磁通密度的振幅为

(3)

(4)

式中：Bp2——转子齿部脉振磁通密度的振幅；

Bt2——转子齿部磁通密度；

δ——气隙长度；

t2——转子齿距；

b01——定子槽形宽度。

由于转子槽形宽度较小，定子齿距较大，两者比例关系较远，所以一般定子齿部脉振磁通密度的振幅较小，对转子影响很小。而定子槽形宽度较大，转子齿距也较大，两者比例关系接近，转子脉振磁通振幅较大。

对转子而言，要使脉振损耗降低，则需要使脉振振幅降低，变换式(3)得

(5)

将式(4)代入式(5)，得

(6)

令k2=BP2/BT2，代入式(6)，得

(7)

k2——转子齿部脉振磁通密度振幅与转子齿部磁通密度的比值。

k2反应了脉振磁通附加的比例，减小这个幅度将有利于减小转子齿部的脉振损耗。它的存在也可以理解为：调整定子槽形宽度和转子齿距的比例关系，进而取得合适的气隙长度使转子脉振损耗最小化。通常k2的值在0.1～0.15，也即说明：当转子齿部脉振磁通密度振幅小于转子齿部磁通密度的10%～15%时，定子槽宽、转子齿距、气隙长度之间形成的比例关系才是适当的。小功率、多极数、转子开口槽时k2取大值，大功率、少极数、转子闭口槽时k2取小值，Y2系列电机结构紧凑、效率高，k2值取小值，普通Y系列由于电机内部空间宽敞，k2值取大值。式(7)表达了定转子参数b01、t2与气隙长度δ通过k2相联系的密切关系。在电机产品设计时，在获得较好电磁性能的同时，应兼顾四者的关系，才可以取得质量满意的产品。

3 转子脉振损耗与定转子参数和气隙长度的关系

转子齿部脉振损耗的表达式为

Pp2=0.07(z1nBp2)2Gi2×10-6

(8)

式中：z1——定子槽数；

N——电机额定转速；

Gi2——转子齿部的质量。

将式(6)以等式形式代入(8)得

(9)

式(9)表明：在转速、定子槽数一定的情况下，减小定子槽形宽度、增大转子齿距、增大气隙长度、降低转子齿部磁密、减小转子齿部质量均可减小转子的脉振损耗，这些因素的调整依据是式(7)、式(9)和相关计算单或试验值。

4 结语

经过上述论述可知，定子槽宽、转子齿距、气隙长度之间有着重要的关联性，定子内径、槽配合、定子槽宽、气隙长度选择是否协调妥当，关系着电机质量的优劣。部分产品的气隙长度依据式(7)计算所得与图纸标注气隙长度的对照表如表3所示。表明式(7)是可靠、有效的。建议电机设计时先设定k2为0.1～0.15，然后由此调整定转子槽配合、定子槽形宽度和气隙长度完善设计方案，定转子槽配合选择时注意避免选用产生较大电磁噪声和其他缺陷的槽配合。