异步电动机绕组受力计算

刘硕

【摘 要】在工业生产中，异步电动机作为重要的驱动设备，广泛应用于冶金、电力等领域，异步电动机在各种复杂工况下正常运行时，其电磁力对电机本体的作用十分显著，因此定量分析电动机绕组所受电磁力具有重要的理论意义和实际应用价值。本文分析了异步电动机绕组所受的电磁力分布情况以及电机结构参数与绕组电磁力的关系。所得结论可为高压异步电动机的结构和参数优化提供理论参考。

【关键词】异步电动机 绕组电磁力 结构参数

1 引言

在工业生产中，异步电动机作为重要的驱动设备，广泛应用于冶金、电力等领域，异步电动机在各种复杂工况下正常运行时，其电磁力对电机本体的作用十分显著。同时，电磁力作用于电机绕组也会引起电机噪声和振动。因此，定量分析电动机绕组所受电磁力具有重要的理论意义和实际应用价值。本文利用电机绕组电磁力数值计算模型，计算了电机正常运行时绕组所受的径向电磁力和切向电磁力，并分析了电磁力与电机结构参数之间的关系，从而为异步电动机的结构和电磁方案优化提供理论参考。

2电磁力计算模型

根据洛伦兹电磁力计算模型，电机运行时绕组所受的电磁力计算公式为：

（1）

式中 为电流密度矢量， 为磁通密度矢量， 为体积单元。利用式（1）计算出单位体积上电机绕组所受的电磁力矢量，然后对该矢量进行叠加计算，从而求出整个绕组所受的电磁力，如式（2）所示。

（2）

应用坐标变换，分别求出径向和切向上导体所受的电磁力 和 ，其计算式为：

（3）

3 电机正常运行时绕组受力计算

本文以一台工频高压异步电动机为例，分析电机正常运行时，其定转子绕组所受的径向电磁力和切向电磁力分布规律，如图1所示。

（a）定子下层绕组 （b）定子上层绕组

图1电机运行时绕组电磁力分布规律

从图1可以看出，电机正常运行时，定转子绕组所受的电磁力有明显差异，绕组所受的径向力远大于切向力，且电机转子导条所受的电磁力最大，这将对绕组本身、槽绝缘及槽楔等产生很大的影响。

4 电机结构参数与绕组电磁力的关系

4.1 定子槽型与绕组电磁力的关系

异步电动机采用的定子槽型如图（2）所示，本文对比分析了两种槽型结构下绕组所受电磁力的分布情况。两种定子槽型结构下径向电磁力的分布情况如图3所示。

图2异步电机定子槽形

（a） 定子下层绕组 （b） 定子上层绕组

图3 不同定子槽型结构下绕组所受径向电磁力分布

从图3看出，两种槽型结构下电机绕组所受的电磁力分布规律几乎相同，但是半闭口槽结构下电机绕组受力较小，这表明定子采用半闭口槽结构可以减小电机绕组所受的电磁力。对数据进行对比分析得出，定子采用半闭口槽结构时，定子绕组受力大约为开口槽结构的89%，转子导条受力峰值大约开口槽结构的85%，因此异步电动机的定子采用半闭口槽结构时，可以有效降低定、转子绕组所受的电磁力。

3.2 转子槽型与绕组电磁力的关系

在电机起动过程中，转子导条感应电流的分布和气隙磁导的均匀程度都与转子槽型有很大的关系，本节将研究转子采用闭口槽与半闭口槽两种结构时，电机绕组所受电磁力的分布情况。两种槽形结构下电机绕组所受的电磁力分布情况如图4所示。

（a） 定子下层绕组 （b）定子上层绕组

图4 转子槽型对绕组径向电磁力影响对比

由图4可见，两种槽形结构下电机绕组所受电磁力的分布情况几乎相同，但是电磁力明显减小，表明转子闭口槽结构会影响电机运行时绕组中的电流分布，从而影响绕组受力。从图4还可以看出，转子采用闭口槽结构下的定子绕组受力大约半闭口槽结构下的82%，转子导条受力大约为半闭口槽结构下的80%，这表明转子采用闭口槽结构可以有效减小电机绕组所受的电磁力。

3.3 定转子槽配合与绕组电磁力的关系

定转子的槽配合也会影响绕组所受的电磁力。本文将研究电机槽配合分别为72/56、72/58、72/62时绕组电磁力的分布情况。图5为不同槽配合下电机绕组所受的径向电磁力分布情况。

由图5可见，不同槽配合对定子绕组所受的径向电磁力分布影响不大，但会改变电机绕组所受的电磁力峰值，从图中可以看出，对于电机定子绕组所受的电磁力，槽配合为72/62时为 72/56时的1.08倍；而对于转子导条所受的径向电磁力峰值，槽配合为72/62时为 72/56时的0.92倍。因此，槽配合对定转子所受的径向电磁力的影响规律正好相反。

（a）定子下层绕组 （b） 定子上层绕组

图5不同槽配合对绕组径向电磁力影响对比

4 结语

本文利用洛伦兹力计算模型，分析了电机运行时定子绕组和转子导条所受的电磁力分布规律，同时定量分析了定、转子槽型以及槽配合等结构参数与电机绕组径向电磁力的关系，得出以下结论：

（1）电机正常运行时，电机绕组所受的径向电磁力远大于切向电磁力。（2）定子采用半闭口槽，转子采用闭口槽结构，可以有效减小电机绕组所受的径向电磁力，且转子采用闭口槽结构时下降更为明显。（3）电机槽配合会影响电机绕组所受的电磁力，对于本文中采用72/56、72/58、72/62三种槽配合，定子绕组所受的径向电磁力在第一种槽配合时最小，转子导条所受的电磁力在第三种槽配合时最小。

参考文献：

[1]汤蕴璆.电机学[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3]汤蕴璆.电机内的电磁场[M].2版.北京：机械工业出版社，1998.