YD 280-2/4/12三速电机电磁设计

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

YD 280-2/4/12三速电机电磁设计

刘卫星

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

对三速电机的电磁设计进行了研究，利用电机设计原理设计出了符合性能标准的设计方案，并生产样机，进行实验验证。同时，也对实验样机进行了有限元仿真分析，分析其电磁和机械性能，深层次地探究样机性能，验证了样机能够在三种速度状态下，可靠的运行，证明了该设计方案切实可行。

三速电机；双绕组；电磁设计

0 引言

在工农业生产中，为了提髙生产率和产品质量，或为了节能，常要求电动机的转速能够调节，称此类型的电机为变速电机。

1 电机技术要求

YD 280-2/4/12 125/125/40kW，额定参数具体见表1。

表1 YD 280-2/4/12 125/125/40kW额定参数表

本文针对YD 280-2/4/12 125/125/40kW双绕组三速电机的电磁设计进行了研究，利用三相感应电动机设计原理，对双绕组三速电机进行电磁手算设计，设计了三速电机三种工作状态下的电机主要尺寸，并进行有限元仿真。并设计和制造了试验样机，进行电磁和机械性能的实验验证。

2 电磁计算

2.1 绕组设计

三速电动机的绕组设计通常有两种方案：一种为有一套绕组通过变换外部接线获得三种转速的单绕组三速电动机；也用两套绕组再通过变换外部接线获得三种转速的双绕组三速电动机，可由一个倍极比双速单绕组加一个普通单绕组组成，也可由一个非倍极比双速单绕组加一个普通单速绕组组成。

单绕组三速电动机随可通过一套绕组变换接线实现，但由于出线头较多，接线变换复杂以及各种极数下功率难以完美照顾等原因一般工程上不予采用，实际产品也以双绕组三速电动机为主。

以电动机为工程实例，型号为YD 280-2/4/12 125/125/40kW的三速电动机，其中2p和4p功率一致，与12p相差三倍。对于这种三速电动机设计，优先考虑采用双绕组设计，这也是本文论述的重点。目前该方案采用的是12p单绕组放置在槽口，2p、4p采用单绕组双速在槽底。

2.2 定子槽数的选择

当采用较多的定子槽数时，可以获得较好的磁势波形，谐波磁场减小，谐波漏抗减小，附加损耗减低，槽中线圈边总散热面积增加，有利于散热；但绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率降低。因此，槽数的选择应考虑多方面因素。在定子铁心内、外径、长度已经确定的情况下，槽数的多少应使得铁心齿磁密，轭磁密，槽内导体电流密度都比较合适，而每极每相槽数q值既不过多，也不少于 2。q可在 2～6 间选取，且尽量选取整数。但在电机的系列设计中，有时为了两种极数的电机通常用同一种冲片，q可能出现分数值。对于极数少，功率大的电机，q值可取较大值。根据前面的分析，我们尽可能把不同极数时的每极每相槽数选为整数槽，且都为对称绕组，故对于2/4/12p双绕组三速异步电机，选定子槽数为 72槽较为合适。

2.3 转子槽数的选择

当选定了定子槽数Z1以后，鼠笼转子的槽数将受到定子槽数的约束，转子槽数Z2必须Z1与有一个适当的配合，即通常所谓的槽配合。如果槽配合不适当，则会使电动机的性能变坏。例如出现起动困难；发生电磁噪音、振动现象；附加损耗变大，效率降低，温升增高等。多速电动机对定、转子槽配合要求比单速电动机高。各极下一般都应满足如下，定、转子槽配合关系。

为避免径向振动和噪声应满足

为避免启动时的“死点”和“低速潜行”应满足

对于双绕组三速异步电机来说，定、转子槽配合必须兼顾三种极对数，使三种极对数下的绕组磁势谐波都较少。其定、转子槽配合和所选绕组方案、节距以及其他因素有关，设计中务必抓住主要矛盾。槽配合的具体数据需要对既定绕组作出谐波磁势分析并通过实验而确定。根据电机设计手册及现有产品方案，综合考虑，暂选转子槽数为 63槽较为合适。

2.4 转子笼条材质

因该电机对起动性能有特殊要求，为满足性能需求，现将转子导条、端环材料采用铝锰合金，保证电机的起动性能满足要求。

2.5 电磁负荷及磁密的选择

根据电机的通风结构及实际工程需要，将电动机各部分磁密限定范围选取如下：电机定子齿部≤15500GS、轭部磁密≤15000GS，转子齿部、轭部磁密≤17000GS，齿部最窄处磁密≤18000GS。

2.6 电磁计算结果

通过分析结合电机设计程序计算可得三速电动机YD 280-2/4/12 125/125/40kW的设计参数如下表2；定子槽型、转子槽型见图1；设计结果见表3。

表2 电动机的设计参数

图1 定子槽型、转子槽型

3 Ansoft仿真分析

根据前面的计算结果，利用Ansoft进行仿真分析计算。将设计的三个不同参数的模块导入至Maxwell2D有限元模块中，软件将自动生成三个二维电机模型。在设置完电机的激励和边界条件后，进行计算分析。三种不同工作极数状态下的模型在0.2s时的磁感应强度分布图2所示。

图2 YD 280-2p、4p、12p的磁感应强度分布

电机的气隙中磁场的分布直接影响着电机的电磁性能，气隙磁密分布见图3。

图3 YD 280-2p、4p、12p的气隙磁密分布

从图3看出电机YD 280-2/4/12 125/125/40kW气隙中磁场的分布良好，具有良好的电磁性能。

图4为电机的瞬态电磁转矩曲线，电机的瞬态三相电流曲线如图5所示。

图4 YD 280-2p、4p、12p的瞬态电磁转矩曲线

图5 YD 280-2p、4p、12p瞬态三相电流曲线

由图4可知，电机2p和4p时电机运行平稳，电机为12p时，电机转矩波动较大，谐波含量较多。由图5可知电机电三相流成正弦对称分布，可以保证电机在三种工作转态下稳定运行。

4 试验数据对比

根据相关标准对两台三速异步电动机进行了试验。下面将电机型式试验结果中主要性能参数与电机设计值及标准值进行对比，见表4、表5、表6。

表4 2p试验数据对比

表5 4p试验数据对比

通过对实验数据与计算数据的对比可知，实验结果与电磁计算结果基本一致，满足规范要求。

表6 12p试验数据对比

5 结语

本文对双绕组三速电机的进行电磁设计，同时进行了有限元仿真分析，分析其电磁和机械性能，并对样机方案进行生产制造，进行实验验证。证明样机能够在三种速度状态下，安全可靠的运行，满足规范要求。

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ElectromagneticDesignofYD280-2/4/12Three-SpeedMotor

LiuWeixing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Electromagnetic design of three-speed motor is researched. The design scheme which meets performance standards is given based on design principle of motor, and the sample motor is produced and experimentally verified. Meanwhile, finite-element simulation analysis is carried out on the experimental sample motor, electromagnetic and mechanical performances are analyzed, and performance of sample motor is deeply researched. It is proved that the sample motor can reliably operate at three speeds.

Three-speed motor；double wound；electromagnetic design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.03

TM302

A

1008-7281(2017)06-0008-004

刘卫星男1972年生；毕业于哈尔滨理工大学，现从事电机设计工作.

2017-07-20