YKK900—6 5200kW 6kV IP54大惯量三相异步电动机的研制与设计

孙明达+郑亚琦

摘 要：本文讨论了大惯量三相异步电动机的研制过程，围绕设计过程进行了分析，总结了设计心得，为今后同类产品的设计积累了经验。

关键词：异步电动机 大惯量 电磁设计 结构设计

1、 问题的提出

大型离心风机叶轮直径大，转子重量大，因此通常具有较大的转动惯量，电动机拖动其起动时，起动温升是一个突出的问题。

笔者接到产品设计任务，为某电厂引风机设计配套YKK900-6 5200kW 6kV IP54电动机，其中风机负载转动惯量6500 kg.m2 ，且用户要求转子为铜排转子结构。而此前我公司该型号电机转子均为铸铝转子结构，这就首先要求合理设计转子结构，满足电机安全稳定运行要求；其次校核转子起动过程中温升，满足拖动大惯量负载起动要求。

2、电动机的基本技术参数

2.1电动机额定参数及结构特点

额定功率：5200kW；

额定电压：6000V；

额定电流：580A；

额定频率：50Hz；

额定转速：996r/min

绝缘等级：F级

防护等级：IP54

冷却方式：IC611；

结构及安装型式：IMB3；

允许拖动负载转动惯量：6500 kg.m2

2.2依据标准：GB755《旋转电机 定额和性能》

GB/T13957《大型三相异步电动机基本系列技术条件》

3、大惯量三相异步电动机的设计过程分析

3.1电磁设计

根据技术设计任务书，确定电机的电磁负荷以及与电磁性能相关的有效尺寸，包括定、转子冲片及铁芯尺寸，绕组数据等。在设计过程中，既要考虑坚固电机各项性能指标要求，又要考虑成本，并且温升留有合理裕度。定子齿磁密1.46T，定子轭磁密1.37T，转子齿磁密1.49T，转子轭磁密1.4T。

定子采用双层叠绕组，为削弱5、7次谐波，节距去5/6极距，定子接线Y接。因定子电流较大，并联支路数选择6路。

3.2 结构设计

3.2.1定子结构

定子由定子铁芯、定子绕组、机座等部分组成。

3.2.1.1定子铁芯

定子铁芯由优质冷轧电工钢片叠压而成，定子冲片采用扇形片、整圆由6片扇形片拼成，1/2迭片。定子采用内压装，径向通风道结构，在机座内叠片，用机座内筋板紧固，压装后，由定子压圈压紧。铁芯压紧后将固定片与机座壁板焊牢，然后进行嵌线、整浸。

这一结构主要有以下优点：

（1）铁芯在机座内固定后，不再受下道工序的影响而导致铁芯变形；

（2）铁芯压装好后，嵌线在机座内进行不易碰坏。

3.2.1.2定子绕组

定子绕组为双层叠绕组，整个定子绕组采用VPI真空加压浸漆工艺，且绕组端部表面喷环氧敷盖漆，绕组端部和直线部位固化成整体，从而减小匝间短路的可能。同时，浸渍漆充分占满槽内空间，提高散热性能。

3.2.1.3机座

机座是定子的主要结构件，采用卧式箱式结构，提高了零部件通用性。机座由钢板焊接而成，起承受冷却器重量、定子重量，固定铁芯的作用。

3.2.2转子结构

转子主要由幅板轴、转子铁芯、导条、端环、风扇等组成。在转子设计中，材料的选择，结构的运用应经过相应的机械计算。

3.2.2.1转子铁芯

转子冲片采用整圓片，采用径向通风槽结构。转子铁芯通风槽与定子铁芯通风槽对齐，数量相同，宽度相等。沿轴向分段，每段间由径向通风槽隔开，每个通风槽由一张铁芯端板与另一张焊有通风槽片的铁芯端板组成。当叠压后，铁芯两端采用转子压板压紧后以拉紧螺杆固定。

4、起动温升的计算

电机在拖动大惯量负载起动时，往往会遇到起动电流大、起动时间增加这类问题。因此在电机设计过程中，必须计算起动过程中电机个部分温升，以保证其不超过材料限制。由于电机在起动过程中时间较短，通常不考虑定子绕组与铁芯之间热传递，将这一过程视为绝热过程。

4.1起动时间计算

异步电动机起动时，其转速与时间的关系，可按下列运动方程确定。

式中

Te——电动机的电磁转矩（N·m）

TL——负载阻力矩（N·m）

J——机组的转动惯量（kg·m2）

Ω——角速度（1/s）

计算机组起动时间为20.5s。

4.2定子绕组的起动温升计算

在电机起动过程中，定子绕组中产生的热量来自于电流产生的焦耳热

（J）

J1s——起动时定子绕组电流密度（A/mm2）

Ρ——定子绕组电阻率（Ω·mm2）

ts——起动时间（s）

在绝热状态下， （J）

——定子绕组导体密度（g/cm3）

cs——定子绕组导体比热（J/（g·℃））

——定子绕组起动温升（K）

由此可得： （K）

需要说明的是，由于在起动过程中定子电流是不断变化的，因此计算起动过程中定子电流密度应为等效电流密度。

4.3转子导条及端环的起动温升计算

在计算转子导条及端环的起动温升时，做如下假设：

（1）不考虑转子导条与转子铁芯铁芯间的传导散热；

（2）不考虑转子端环与周围空气的对流散热；

（3）转子导条和端环之间无热交换。

即在绝热状态下，计算转子导条和端环的起动温升。

在起动过程中，若忽略转子铁耗，输入转子的功率一半用来使转子加速；另一半为转子铜耗。若轴上无负载转矩，则转子损耗等于电动机额定功率乘以机械时间常数的1/2。当轴上有负载转矩时，不但使起动时间增长，还使电动机产生额外的转子损耗，从而导致转子温升增加。

（K）

（K）

式中：A2——起动过程中转子铜耗；

R2BS、R2R——分别为起动过程中导条和端环的等效电阻；

、 ——分别为转子导条和端环的密度；

cB、cR——分别为转子导条和端环比热容；

VB、VR——分别为转子导条和端环的体积；

计算后得出结果，该电机绕组起动温升53K，导条起动温升228K，端环起动温升65K，满足材料对于温升限制的要求，电磁方案的设计可以满足拖动大惯量负载的要求。

5、结束语

电机主要性能参数设计值与试验值的对比由上表可见，该产品性能指标满足标准要求，电机如期合格出厂。该电机电磁设计及结构设计是成功的，为今后设计制造大惯量三相异步电动机积累了经验。

参考文献

[ 1 ] 《交流电机设计手册》 湖南人民出版社 ， 1977 .

[ 2 ] 陈世坤. 电机设计 [M ]. 北京 ： 机械工业出版社 ， 1990 .

[ 3 ] 傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册 [M ]. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2001 .