中小型异步电动机电磁负荷和气隙长度的确定

2020-08-12杜世勤

科技与创新 2020年15期

杜世勤

（上海电机学院，上海201306）

1 引言

信息时代最具代表性的工业发明是计算机，电动机则是电气时代的标志性产品，人类在技术迭代过程中体会了生产效率的提高。中小型异步电动机在工农业生产领域被广泛地运用，替代了劳动者的很多体力工作，因此在可见的将来还不会被淘汰。没有最好的电机，只有最合适的电机。结合与时俱进的设计方法和信息自动化程度日趋提高的加工工艺水平，中小型异步电动机的设计变得容易实现。在加工自动化、成本透明的当代，设计一台合适的中小型异步电动机，常使用计算机的科学计算功能。商用软件输入这种电机的几何尺寸和绕组参数，接在一定频率的电源电压上，输出给定功率的电机设计清单。输入几何参数不能靠碰运气，至少要完成中小型电动机电负荷、磁负荷和气隙长度的选取，为之后的设计调整创造良好的开端。

2 中小型异步电动机电磁负荷的选取

对于所设计的中小型异步电动机电机，一般给定的是额定功率，而不是计算电磁功率。由于计算电磁功率表达以电磁能的形式通过定、转子之间气隙传递的功率，而额定功率是指输出功率，计算电磁功率比额定功率大一些。

确定电机主要尺寸的一般方法：根据电机的额定功率PN，利用公式得出计算功率P´。然后根据P´与n（交流电机为同步转速，直流电机为额定转速），结合所设计电机的特点，利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷A、Bδ，代入公式即可算得D2Lef[1]。考虑电枢直径D 和电枢的计算长度Lef的比例关系，计算得出电枢直径D 和电枢的计算长度Lef，然后根据国家冲片标准，选取靠近的那一款。

D2Lef近似地表示转子有效部分的体积。对于同一功率和同一转速的电机，A、Bδ愈高，则电机的主要尺寸愈小，材料愈省。而要选用较高的A、Bδ，有赖于改善电机通风散热条件和使用优质导电导磁材料与绝缘材料。

设计感应电动机时，电磁负荷A 和Bδ是依据制造和运行经验所积累的数据来选择的。对于中小型感应电动机通常取线负荷A 为1.5×104～5.0×104A/m，文献[1]以曲线的形式描述了中国大量生产的中小型感应电动机的A 值，即线负荷和额定功率的关系。查文献[1]中图10-2，得到一个线负荷数值。参考文献[1]中图10-2，Y 系列中小型异步电机极对数P=1、2、3、4，输出功率Pn为1～100 kW，用下述对数函数式表达为：

P=1 时，线负荷与额定功率的关系如图1 所示。

图1 P=1 时线负荷与额定功率的关系

P=2 时，线负荷与额定功率的关系如图2 所示。

P=3、4 时，线负荷与额定功率的关系如图3 所示。可以得到设计Y 系列中小型异步电动机线负荷，并确定每相串联导体数，进而得到每槽导体数，取整后得到每线圈匝数、每相串联匝数。

实际设计电机时，在考虑机电能量转换的同时，电路方面还要考虑电机的铜耗、流过导体的电流，其电流密度J 不能太大，线负荷和电密的大小决定了电机槽的面积大小。

图2 P=2 时线负荷与额定功率的关系

图3 P=3、4 时线负荷与额定功率的关系

电机轴向截面中硅钢片的齿槽形状，从磁路方面理解比较简单好懂，涉及磁负荷的选择。一般没有使用线磁通负荷和齿轭磁密确定中小型异步电动机齿的宽度和轭的高度的说法，更为直接的是从气隙磁密和齿轭磁密的取值，来确定齿的宽度和轭的高度。

中小型异步电机设计中，磁负荷Bδ值的波动范围不大，防护等级IP44 的电动机气隙磁密在0.6～0.8 T 之间[2]。根据参考文献[2]中表1-8，还可知定子齿磁密Bt1在1.4～1.6 T 之间，定子轭磁密Bj1在1.1～1.5 T 之间；转子齿磁密Bt2在1.25～1.6 T 之间，转子轭磁密Bj2约为1.0 T。根据磁负荷确定齿宽和轭高，在保证机械强度的基础上，冲片开槽形成定转子磁路。

输入磁路和电路参数给电动机设计核算软件，会有槽满率的计算结果。如果槽满率符合电机生产企业的工艺要求，中小型电机的主要尺寸就能确定，为校核计算奠定了基础。

中心高、定子内外径和转子内径，国际电工委员会组织IEC 已有标准体系[3]。由于电机设计可以利用几何相似定律，冲片又是标准化的，有一些参考资料直接给出了定、转子冲片尺寸，然后再往下设计。

3 中小型异步电动机气隙长度的选取

定、转子气隙长度对电机性能和运行可靠性影响较大。气隙过小，使谐波漏抗增大，导致电机起动转矩降低，杂散损耗增加；气隙过大，又会降低电动机的功率因数，使空载电流增大[3]。参考文献[3]中的表2-3 给出具体的数值，依据中心高从低到高，气隙长度为0.25～1.80 mm。参考文献[3]给了如下经验公式：