大型凸极同步电动机杂散损耗的计算

刘兆江，李俊亭

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)



大型凸极同步电动机杂散损耗的计算

刘兆江，李俊亭

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

分析了大型凸极同步电动机杂散损耗产生的原因，介绍了磁路法计算杂耗的具体方法，并根据相应理论和实践经验列举了一些降低杂散损失的主要措施，对于同类电机的杂耗计算有较大的借鉴意义。

凸极同步电动机； 杂散损耗；计算；等效磁路法

0 引言

大型凸极同步电动机被广泛应用于钢铁、冶金、煤炭等行业， 其用电量占有极其重要的地位。高效率电机利于节约电能，降低企业生产成本，具有良好的经济效益，同时也可减少碳排放量，创造良好的社会效益。电机效率决定于损耗，其中的杂散损耗由于受定转子不同结构形式、电磁参数及其材料性能等复杂因素影响，一直难于计算，目前大多按容量的0.4%～1%估算，误差较大。若采用有限元法，准确分析计算需要三维有限元法，耗费时间长，如果要优化设计，反复工作量更大。本文采用电机等效磁路法，可快速完成电机各项损耗计算，以此为基础，易于电机的结构改进和电磁优化。

1 杂耗产生的原因及分类

由定、转子绕组中电流产生的漏磁场及高次谐波磁场，以及由气隙磁导变化产生的气隙磁场变化而引起的损耗称为杂散损耗，一般分为空载铁心中的附加损耗和负载时的附加损耗。

1.1 空载时，由于定子开槽，气隙磁导齿谐波磁场与磁极相对运动，将在磁极上产生损耗。由于磁场频率较高，损耗主要集中在磁极表面的薄层内和阻尼条中。此外，由定子开槽后气隙磁通脉动导致的磁场变化也会引起齿中的脉振损耗。其共同产生的表面损耗和脉振损耗用PFepe表示，单位kW。

×10-5

(1)

式中，Kδ1—定子齿气隙系数；Bδ—气隙平均磁密，Gs；t1—定子齿距，mm；AK—极靴表面计算面积，mm2；Z—定子槽数；nN—转子转速，r/min；K1、K2—系数，见表1和表2。

表1 系数K1

表2 系数K2

1.2 负载时，定子绕组在气隙中建立的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度相对磁极和定子运动感生电流，且由于绕组存在漏磁场，这些漏磁场在绕组和所有临近的金属结构件中感生涡流，产生附加损耗，主要体现在5个方面。

1.2.1 凸极机气隙不均匀，转子励磁磁势与电枢反应磁势的基波分量均在气隙中产生3次谐波磁场。运行时，定、转子3次谐波磁场互相叠加, 磁场中三次谐波在定子齿中引起的附加损耗Pt3，单位kW。

(2)

式中，G—定子齿重量，kg;PFe10—硅钢片比铁耗，w/kg;Bt1/2—空载电压时定子齿中心平均磁密，Gs；Xad—纵轴电枢反应电抗；Xd—纵轴同步电抗；Ad3—电枢反应磁场三次谐波幅值系数，见图1；α3—空载磁场三次谐波幅值系数，见图2。

1.2.2 电枢绕组通电时其导体沿槽高截面各部分的漏磁通匝链数不同，槽底部分漏抗较大，电流小，因此绕组内部形成涡流。此外，通过鼻端连接处并联股线间流过的循环电流也会产生损耗，如同电阻增大，其损耗有效电阻与欧姆电阻之比定为k，即在定子绕组中引起附加铜耗Pcus，单位kW。

Pcus=(k-1)Pcu

(3)

式中，k—电阻增加系数；Pcu—定子直流电阻铜耗，kW。

1.2.3 电机额定运行时定子磁场中齿谐波在极靴表面及阻尼绕组中感生涡流，产生附加损耗Ppt，单位kW。

(4)

式中，Xad—纵轴电枢反应电抗；Z—定子槽数；2p—电机极数；K′—系数，见表3。

表3 系数K′

1.2.4 定子各次相带谐波磁势产生的各次谐波在磁极表面产生的损耗Pkv，单位kW。无阻尼条时

(5)

式中，q—每极每相槽数；Z—定子槽数；2p—电机极数 ；Kσ—系数，见表4。

表4 系数Kσ

有阻尼条时

×10-5

(6)

nB—每极阻尼条数；dB—阻尼条直径，mm；lB—阻尼条长度，mm；CB—阻尼条与铜的比电阻系数；kδ—总气隙系数；τ—极距，mm；δ—最小气隙长度，mm；Fδ—空气隙磁势，AW；lE—定子绕组端部半匝长，mm；β—绕组短距比；t2—阻尼孔距，mm；δ′—计算气隙长度，mm；bsh—阻尼槽口宽，mm。

1.2.5 电机额定运行时，漏磁场在定子齿压板及端盖上产生附加损耗Pad。由于绕组端部电流的空间分布复杂，加之靠近端部的部件如端板和压板的距离及其材质不同,精确计算端部电流漏磁场在这些部件里产生的损耗难于计算，单位kW，经验公式如下

(7)

式中，Di1—定子内径，mm;A1—定子电负荷，A/m；f—频率，Hz。

2 电机功率流程

电机能量转换流程如图3所示。

图3中，P1—定子侧输入功率；PFe—定子铁耗；Pcu—铜耗;Pm—机耗;PS—杂耗;P2—输出功率。

电机杂耗PS=P1-PFe-Pcu-Pm-P2，其中PS=Pcus+PFePe+Ppt+Pkv+Pt3+Pad

3 设计程序流程

本程序是基于大中型凸极同步电动机特点编制的，程序主要分为数据输入、磁路基本尺寸计算、电磁参数计算、损耗计算，温升计算和结果输出6部分，流程见图4。

4 降低杂散损耗措施

如今对电动机杂散损耗的认识仍然处于研究阶段，现在降低杂散损失的主要方法有。

4.1 改善极靴形状，主极极靴外形影响气隙磁场在空间的分布，呈现非正弦性，可通过极靴的优化设计减少奇次空间谐波。根据经验，极靴宽度与极距比一般取0.7～0.75，最大气隙与最小气隙比取 1.5。

4.2 采用分布绕组，增加每极每相槽数q，能有效抑制谐波电动势，但是q过多，将提高电机成本，降低基波的绕组系数，因此选用6≥q≥2。

4.3 采用短距，根据电机情况，适当调整线圈的跨距， 以降低绕组的谐波含量。

4.4 采用分数槽绕组， 每极每相槽数q等于分数时，齿谐波次数一般为分数或偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，因此不会出现齿谐波电动势。

4.5 采用斜槽，经过计算当斜过的齿等于1个齿距时能消除齿谐波，但大型电机斜槽时，铁心叠压工艺比较复杂， 可采用斜极来削弱齿谐波。

4.6 磁极采用硅钢片，其表面氧化膜绝缘层增加涡流回路的电阻，减小磁极的表面损耗。

4.7 减少槽宽与气隙的比值，能降低磁通密度幅值，可减小磁极的表面损耗。

4.8 采用磁性槽楔，开口槽时电机气隙磁场在齿和槽的分布不均匀，使用导磁性槽楔可减小电机的气隙系数，使气隙磁密变得更加均匀，显著减小脉振损耗和表面损耗。

4.9 改进端部结构，采用非磁性材料，减少端部漏磁在电机端盖、压指等金属零部件中的损耗。

4.10 定子绕组采用换位技术，利用各股线在槽部感应的电势差来抵消端部漏磁场在绕组端部所感应的不同电势，使线圈各股线间的环流降低，从而减小绕组的环流损耗。

5 结语

本文分析了大型凸板同步电机杂散损耗产生的原因，利用磁路法充分考虑产生杂耗的各种因素,结果表明，该方法计算简便,对相同类型电机的损耗分析具有一定的借鉴意义。

[1] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京： 机械工业出版社，1990.

[2] 白延年. 水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3] 林锡川，费师谨.同步电机实验软件开发难点分析.防爆电机，2007.6.

Calculation for Stray Loss of Large Salient-Pole Synchronous Motor

LiuZhaojiangandLiJunting

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper analyzes causing reason of stray loss of large salient-pole synchronous motor, introduces specific magnetic circuit method to calculate stray loss and lists some major methods which can reduce stray loss according to relevant theory and practical experience. It has

ignificance for calculating stray loss of the same kind of motors.

Salient-pole synchronous motor；stray loss；calculation；equivalent magnetic circuit method

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.11

TM306

B

1008-7281(2016)05-0037-004

刘兆江 男 1973年生；毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，硕士，现从事电机设计开发工作.

2016-04-06