四速电动机的设计与制造

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)



四速电动机的设计与制造

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)

介绍了中心高为315mm，极数为4/8/16/32的船用四速电动机，其定子绕组采用两套独立变极绕组，转子为鼠笼结构。并介绍了四速电动机在设计与制造过程的焦点，阐述了环流的分析及单层绕组变极方法的应用，并且在实践样机制造过程中得到验证。

四速电动机；绕组系数；环流

0 引言

我公司制造了一台非标四速船用鼠笼转子电机，该电机中心高315mm，额定功率148/74/37/17kW，额定电压440V，额定频率60Hz，极数为4/8/16/32p，防护等级IP56，绝缘等级F级，冷却方式为IC71(电机机座两端各开一个窗口，其中一个为进风口，一个为出风口)，安装方式IM1001。

该电机用于船厂的起重机主起升工作平台，其工作制按S2-60min/45min/30min/15min进行考核。电机要求带绕组和轴承测温装置。该电机属于原起重机构上进口原型电机的备件电机，要求全压运行时4极的起动电流低于1500A。本文主要从电磁设计、结构设计、试验注意事项等方面介绍了该四速电机。

1 电磁设计

我公司参照了客户提供的原型电机的外部控制方式：起升时，按从低速向高速逐极切换；下降时，按从高速向低速逐极切换。并且4/8p为一套绕组，当4p触点通电运行时，8p触点短接，另外两个极数断电。16/32p为另一套绕组，当16p触点通电运行时，32p触点短接，另外两个极数断电。

由此可见，该电动机是将两套相互独立的绕组嵌入同一个定子铁心的槽中，根据实际运行控制时通电顺序的不同，就会产生工作绕组和休息绕组的区别(注：当4/8p绕组通电的时候，没有给电的另一套16/32p绕组则是休息绕组，反之亦然)。当工作绕组中通电时，由于电磁感应的作用电机气隙中将产生旋转的磁场。旋转的磁场不仅在鼠笼转子的导条中产生感应电动势，而且根据变压器原理也会在休息绕组的定子线圈中产生感应电动势。如果该休息绕组本身已构成闭合回路，并且回路中感应电动势不能互相抵消，则非工作绕组中会产生环流。环流的叠加影响将导致工作绕组的电流急剧增加，影响工作绕组的正常运行，严重的还将因迅速过热而导致绕组和绝缘烧毁。

所以，对于双绕组多速电动机，我们要使绕组联接的每条支路中感应电势互相抵消，使其合成电势为0而不能形成环流，进而杜绝环流对电机运行过程产生伤害。

当绕组接法为1路三角形联接时，由于三相合成电势为零，不会产生环流；对1路星形联接时，由于三相绕组未形成闭合回路，也不会产生环流。因此，双绕组多速电动机在1路连接时不会产生环流。但是对于多路并联，从星形相位图来判断，当并联每支路的感应电势矢量为零或闭合回路的感应电势合成矢量为零，即：当一个矢量或多个矢量的合成矢量与另一个矢量或多个矢量的合成矢量，其相位差为180°×(2n-1)时，应相互串联；当相位差为360°×n时，应相互并联，其绕组均为正常工作。因此，双绕组双速电动机的设计中，对于多路接法，必须对每支路电势进行分析。防止定子绕组产生环流，影响电动机的正常运行[1]。

这台四速电机的4/8p和16/32p绕组接法均为2Y/△，所以需要分析4/8p绕组通电时16p绕组内部的环流和16/32p绕组通电时4p绕组内部的环流。根据参考文献[1]中所介绍的方法对2Y联接的支路电势进行分析，上述两种通电的情况下，在休息绕组的闭合回路中感应电势合成矢量为零，所以休息绕组内部均无环流产生，可以按照2Y/△的联接方式进行接线。

该电机采用96/72的定转子槽配合，16/32p绕组跨距为y=3(1-4)，当采用双层绕组变极方案或者单层绕组变极方案时的定子内部线圈连接分别如下面图1和图2。

图1 双层绕组变极方案

图2 单层绕组变极方案

16p和32p的槽号相位图见图3和图4。

图3 16p槽号相位图

图4 32p槽号相位图

由此，我们可以计算出采用不同变极方案时16p和32p绕组的各项系数。

表1 16p和32p绕组各项系数

将上表中数据进行对比可知，采用单层绕组变极时，16p和32p的绕组系数均有不同程度的提高(尤其32p的提高更为明显)，这对提高绕组利用率、改善电机性能均是有益的，而且单层绕组可以减小绕组之间的层间绝缘，提高定子槽利用率；线圈组数少，绕线工效高，工人劳动强度小。所以样机制造时我们最终采用的是单层绕组变极方案。

根据以往的制造经验，4p和8p电机的效率和功率因数一般比较高，相对而言16p和32p电机低速运行时的效率和功率因数值均比较低，电机的空载电流和运行电流均很大，电机短时间连续运行(一般控制在5min以内)就会发热很严重。而这台四速电机的16p和32p工作制均要求按S2-30min/15min来进行考核，需要对这低速极的设计特别注意，要想办法降低磁场饱和程度，降低运行电流和空载电流，减少损耗。所以在电磁设计时将这台四速电机16/32p的气隙磁密Bδ取值均控制在5500～6000高斯以内。而4/8p的气隙磁密Bδ取值均控制在6000～6500高斯以内。

在电机制造嵌线时是将4/8p绕组放在槽下半部，16/32p绕组放置在槽上半部，所以电磁设计时4/8p需要控制定转子的轭部磁密，而16/32p需要控制定转子的齿部磁密，我们在设计时将这两部分的磁密控制在13500～15000高斯之间。同时还需要考虑绕组放置在不同位置时漏抗的变化(槽口部分磁通少，漏抗小；槽底部分磁通多，漏抗大)。

由于电机是用于起升机构，同时客户要求全压运行时4p的起动电流低于1500A。所以需要在保证电机起动转矩的同时控制电机的起动电流。为了保证有足够大的转矩，转子电阻值不能太小，所以转子导条的材料可以采用黄铜或者铝锰合金。而鼠笼型转子感应电机在起动时，转子导条里会产生集肤效应现象，集肤效应使槽内导体有效高度减小，因而电阻增加，槽漏抗减小。利用集肤效应可以改善笼型转子感应电动机的起动性能，提高起动转矩，降低起动电流[2]。因此综合考虑，转子结构为铸铝转子，转子槽型为既能降低起动电流又能提高起动转矩的凸形槽。同时采用斜槽结构，以便削弱5次和7次谐波对电机运行的影响。

通过优化设计，4p起动电流的设计值约为1420A，转矩设计值方面4/8p的起动转矩约为2倍，最大转矩倍数约2.5倍。16/32p的起动转矩约为1.5倍，最大转矩倍数约2倍。

2 结构设计

电机的冷却方式为IC71，外部管道系统的冷空气是从电机机座一端的进风口进入，带走电机内部的热空气从机座另一端的出风排出形成冷热交换，从而使电机的绕组和铁心等部件的温升状况保持稳定在一个合理的范围。所以在进行结构设计时对于通风回路的设计要加以考虑，尽可能增加定子铁心与机座联接之间支撑筋的径向高度，减小支撑筋的宽度，支撑筋四边倒圆角减少风阻。转子采用带6根辐筋的转轴结构，这样相对于带通风孔的结构可以有更大的轴向通风面积。辐筋的型材采用圆钢，同样也可以使风阻更小。

前文已经提到电机绕组为两套独立绕组，16/32p绕组位于定子槽的上部靠近槽口位置，而4/8p绕组则位于下部靠近槽底位置。所以在进行定子线圈绕线模设计时，需要根据每套绕组在槽内的占比，合理计算定子线圈的跨距和半匝长，上部线圈尺寸要比电磁设计单数据缩小，而底部线圈尺寸要比电磁设计单数据加大。所以，16/32p定子线圈的总长要比4/8p绕组短20mm左右。通过这些措施的处理可以使定子线圈贴合更紧密，有效地提高电机槽满率。

另外，需要按照GB/T 7060—2008《船用旋转电机基本技术要求》中的相关规定对电机主材(铸件、轴料、紧固件等)认真选择，并做好绕组处理和表面涂覆。单独地，对于IP56的防护等级要求还应该进行特殊处理如下。

(1)出线盒座底部、出线盒盖、观察窗盖、端盖止口加工环形沟槽，先在沟槽内均匀涂抹厌氧型密封胶，然后再上硅胶O型密封圈后安装到位。

(2)出线盒座配套金属出线套的螺纹外侧均匀涂抹厌氧型密封胶后旋紧固定到位。

(3)增加一个迷宫式甩水环在骨架油封前端，甩水环内孔与轴之间为小过盈热套配合，以轴用弹性挡圈进行轴向定位；

(4)轴承内盖的丝孔不钻穿，轴承外盖钻孔后表面锪孔，联接螺栓上增加硅胶O形密封圈；

(5)适量增加端盖与机座之间、轴承内外盖之间以及出线盒座、盖之间的联接螺栓数量。以这台船用四速电机为例，其出线盒座盖之间的联接螺栓数量就有12颗[3]。

3 试验注意事项

由于国内工厂一般只有380V/50Hz的工频电源，所以当440V/60Hz的电机进行试验时一般是采用变频电源来供电。受变频电源谐波和变频器线路损耗的影响，测试数据可能会比实际工况运行时的数据略有偏高。建议在变频电源的输出侧与待测试电机之间增加专门的滤波电路，以吸收变频电源输出电流中的高次谐波电流成份，尽量降低变频器的干扰。

对于16p和32p两个极数下电机的功率因数和效率值均很低，尽管两个极数的功率相对较小，但是其空载电流和运行电流数值均很大，电机运行时总损耗也大，所以必须严格控制这两个极数热试验的测试时间。电机通电起动后要加快加载速度，尽可能减少空转时间，降低空载损耗的影响，当测试周期一到立马断电停机，迅速测量绕组热态阻值。

根据S2工作制-短时工作制的定义：“在恒定负载下按给定的时间运行，电机在该时间内不足以达到热稳定，随之停机和断能，其时间足以使电机再度冷却到与冷却介质之差在2K以内”[3]。所以在进行四个速度S2工作制下的热试验时，要严格控制每个极数运行的间隔时间，当一个极数热试验做完后必须要等绕组的温度降到与室温相差2℃～3℃时才能进行另一个极数的热试验。

电机装配完工后，在进行主要性能参数测试和热试验之前，先对其通电进行空转。用电压表分别测量了空转情况下4/8p绕组通电时16p接线端的感应电压，以及16/32p绕组通电时4p接线端的感应电压。这两种情况下用电压表测到的数值均可忽略不计，说明电机正常工作时内部无环流产生。

最终测量结果，除了32p的起动转矩倍数为1.4倍，最大转矩倍数为1.8倍，与设计值有点偏差外，其他参数的测量值均与设计值比较吻合。按照S2工作制下不同的时间要求分别进行热试验，4个极数的定子绕组温升为102K(4p)/53K(8p)/83K(16p)/92K(32p)，温升值均在标准范围内。后续机型的优化过程中，可以通过增加定子铁心径向通风道的方式来改善定子绕组的温升状况，进一步提高电机的可靠性和使用寿命。

4结语

本文论述的重点是四速电机在设计过程中采取合理的措施避免和消除环流的影响、选用单层绕组变极方案、磁路和槽型的布置。同时论述了在结构设计和试验方法运行方面四速电机区别于普通单速电机的不同之处。只有结合了现场工况的实际需要，从整体上对四速电机进行设计和优化，才能获得最贴切实际的运行性能。

[1] 程友明，王泽威.隔爆型双绕组双速电动机绕组环流分析.电气防爆,2014.3.

[2] 陈世坤.电机设计(第2版).北京：机械工业出版社，1982.

[3] 唐庆华.浅谈船用起重用绕线转子电动机的设计与制造.防爆电机,2015.5.

[4] GB 755—2008旋转电机.定额和性能.

Design and Manufacture of Four-Speed Motor

TangQinghua

(Electric Motor Factory of China Changjiang Shipping Group, Wuhan 430205, China)

This paper introduces a marine four-speed motor with frame size of 315mm and pole number of 4/8/16/32. Its stator adopts two sets of independent pole-changing windings, and rotor is of squirrel-cage structure. This paper introduces focuses of the motor in design and manufacturing, and expounds the analysis of circulating current and the pole-changing application of single-layer windings. They have been verified in manufacturing process of practical model.

Four speed motor；winding factor；circulating current

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.05

TM302

A

1008-7281(2016)06-0014-004

唐庆华 男 1976年生；毕业于湖南工程学院，现从事电机设计及技术管理工作.

2016-03-21