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n e m a 油井泵电机设计 种转子片按规律码放，用以增大转子电阻方法来保证。电机 温升高，设计上主要可以从几个方面入手：一是降低电机中 除转子转差损耗以外的其他损耗，主要是减少附加损耗，采 用“低谐波绕组”形式，就是利用定子线圈的排列使定子基 波磁场尽量正弦化；二是降低铁耗，采用冷轧或热轧铁损较 低的硅钢片，且热轧硅钢片进行涂漆处理；三是增大转子向 轴心传热的能力，采用“变截面的导条结构”，增加导条的导 热能力，即增加导条热容量，来解决这种类型电机的设计。 同时在工艺上：采用真空压力浸漆，使定子浸漆更加完善， 保证热量的传导，降低温度，机械零件上对端盖轴承室进行 挤压，提高轴承室的圆度及质密度，减少轴承损耗，以降低 电机机械损耗，另外对合金铝成分的保证，熔铝锅的清洗， 对铝条熔化、转子铸铝、铸铝转子热套转轴时温度和时间的 控制等工艺措施，也是保证设计成功的关键。 关键词油井泵电机，三相鼠笼异步电动机，n e m a 标准d 设计，高转差，高起动转矩，温升，低谐波绕组，变截面导 条 第2 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 n e m ao ilw e l lp u m pm o t o rd e s i g n a b s t r a c t t h eo i lw e l lp u m pi i 】o t o ri so n eo ft h et h r e ep h a s er a t c a g e s y n c h r o n is me l e c t r i cm o t o rw h jc hi se x p o r t e dt ou n i ts t a t e s t t i sak i n do fm o t o rw h i c hi su s e do nt h eo i lm a c h i n e r yt a k i n go u t t h e0 i la to i lf i e l da tn o r t ha m e r i c aa n dc a n a d a ，i tj 1 】e e tt o t a l e n c l o s e dc 0 0 1 i n g ，e n c l o s u r ei p 4 4 ，s 1 d u t ya n dn e m add e s i g n g e n e r a l l y ， i t i se a s yt 0m e e tt h ec u s t o m e r sd e m a n df o ro u t s i d e c o n n e c t i n gd i m e n s i o n s ，b u ti ti sd i f f i c u l tt om e e tt h ep e r f o r m a n c e d a t as i n c en e m ada s kf o r ：t s t 2 7 5 t n ，s n 5 ，a n dh a v ed e f i n i t e a m p sd e m a n df o rd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n t e m p 1 1 0 k p e rt h e s e d a t a ， w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o t o r sr o t a t o rl o s s i sm u c ha n dt e m p e r a t u r ei st h em a i np r o b l e 【 s ot e m p e r a t u r er 1s e a n ds t a r ta i i l p sh a v et ob ec o n s i d e r e dw h e ni tm e e tt h ec a p a b l e s t a n d a r d t h e r es h o u l db eag o o db a l a n c eo fa llt h ep e r f o r m a n c e d a t a p o w e rt a r g e ta n da m pl i m i t e d ：m a t e r i a l ， a l u m i n u ma l l o y 第3 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 d e s i g ns t y l e ：t a k i n gt h ew a yo fc h a n g i n gs e c t i o nl e a db a rt or e d u c e t h er o t o rl e a da r e a ， a n dw n ht h ed i s c i p l i n a r i a np u t t i n go f s e v e r a lk i n do fr o t a t o rp i e c ew h i c hi s i n c r e a s e dt h er o t o r r e s i s t o rt og u a r a n t e et h a t t h et e m p e r a t u r ep r o b l e mc a nb e r e s o l v e dt h r o u g hb e l o ww a y s ：t h ef i r s ti st or e d u c et h er o t a t o r s 0 t h e r1 0 s se x c e p tr o t o rs l i pl o s s i ti sm a i n l yr e f e rt oa d d i t i o n a l 1 0 s s w ec a nu s e“1 0 wh a r m o n i cw i n d i n g ” w h i c hi sm a k eu s i n go f t h es t a t o rw i n d i n g s a r r a n g e m e n tt ot r yt og e tt h eb e s t s i n e w a v e t h eo t h e rw a yi sr e d u c i n gt h ei r o nl o s s t h ec o l dr o l ls t e e l o rh o tr 0 1 1s t e e ls i l i c o np i e c e sw a su s e d ，a n dp a i n th a n d l i n gw i l l a l s ob eu s e do nh o tr o l ls t e e lp i e c e s t h et h i r d ，i n c r e a s i n gt h e h e a tt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yf r o mr o t o rt os h a f tc e n t e rb yt h e w a yo f“c h a n g i n gs e c t i o n1 e a d ” w h i c hc a ni n c r e a s et h eh e a t t r a n s i l l i s s i o nc a p a b i l i t y i tm e a n st or e s o l v et h i sk i n do fm o t o r s d e s i g nb yi n c r e a s i n gt h eh e a tt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yo fl e a db a r f r o mt e c h n i c s ：t h ev p lw a su s e dt om a k ep e r f e c tf o rs t a t o r i n s u l a t i o n ，a n dg u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o no fh e a ta n dg e t1 0 w e r t e e r a t u r e f r o mm e c h a n i c a l ，t h eb e a r i n gr 0 0 mw a sc r a s h e dt o i n c r e a s et h eb e a r i n gr o o m sc i r c u l a r i t ya n dm a t e r i a ld e n s i t y ， r e d u c et h eb e a r i n g s1 0 s s ，a n dd e c r e a s et h e 1 0 t o r sm e c h a n i c a l l o s s a l s o ， a d d i t i o n a lk e yt om a k es u r et h em o t o rd e s i g n s u c c e s s f u li st og u a r a n t e et h ea l l o ya l u m i n u ma n dt h ec l e a n i n g 第4 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机没计 o fm e l ta l u m i n u mb o i l e r ，t h ee x a c t l yp r o c e s s i n gc o n t r o lf o rt h e m e l t i n go fa l u m i n u m ， t h et e m p e r a t u r ea n dt i m eo fh e a tc o v e ro f r o t o r ， r o t o rc a s t i n ga l u m i n u m k e yw o r d so i lw e l lp u m pm o t o r ，t h r e ep h a s er a tc a g ea s y n c h r o n i s m e l e c t r i cm o t o r ，n e m as t a n d a r ddd e s i g n ，h i g hr o t o rs l i p ，h i g h s t a r t u pt o r q u e ， t e m p r a t u r e ，l o wh a r m o n i cw i n d i n g， c h a n g i n g s e c t i o nl e a db a r 第5 页共3 7 页 符号说明 m 1 为电机相数 u 电机定子端电压 q 。为电机同步机械角速度 r ，为定子每相电阻 r 。为归算到定子边的转子电阻 s 电机转差 n 。电机同步转速 n ，电机实际转速 x ，。电机定子漏抗 x 。电机激磁电抗 x 。电机归算到定子边的转子漏抗 z 。电机定子电抗 z 。电机激磁电抗 t 。电机起动转矩 i 。电机起动电流 p 。电机电磁功率 第7 页共3 7 页 p 。电机定子铜损耗 p ，。电机铁耗 p a ，。电机转子铝损耗 p 。电机杂散损耗 p ，。电机机械损耗 k ，短矩系数 i ( d ，分布系数 k 州绕组系数 i p 电机外壳防护等级表示，n表示o 5 ( 8 ) 忽略 时用z 表示 s 1 、s 3 电机工作制一种表示 第8 页共3 7 页 n e m 油井泉电机设计 一、引言 1 n e m a 油井泵电机性能特点 随着国内电机出口产品的增大，我公司北美及加辜大地区的客户对 油井泵电机( 这里所说的电机是抽油机上的电机) 需求日益增多。要求 产品防护等级是i p 4 4 ，绝缘等级为f 级，s l 工作制考核濡升，其余性 能指标按n e m a 标准d 设计要求。 按n e m am g l 标准( 美国电气制造商协会的电动机和发电机标准) 中1 1 6 1 4 要求：d 设计电动机为笼型电动机，按满压起动设计，堵 转转矩高，且符合m g l 1 2 3 9 的规定即电机起动转矩t s t 2 7 5 倍( 与 额定转矩的比值) ；堵转电流不大于m g l 一1 2 3 5 ( 6 0 赫兹时) 的规定值， 即起动电流i s t 5 4 2 5 a ( 这里对应n e m a 4 4 4 t 一6 d7 5 h p4 6 0 v6 0 h z 并 借用此规格电机阐明论文，此规格电机是油井泵电机中比较典型的，借 以推广一种思维方法) ，相当于电机额定电流的6 2 倍；额定负载时的 转差塞为5 及以上即s 、5 。 根据标准要求，所有上述主要性能指标没有容差。( 即没下偏差) ， 其余要求按n e m am g l 中的通用规定。 从上面所述要求看，此电机属高转差电机，按照国内对此类电机设 计的要求而言( 根据j b t 6 4 4 9 一1 9 9 2y h 系列( 1 p 4 4 ) 高转差牢三相异 步电动机技术条件) ，规定此种电机的定额是以断续周期工作制s 3 为基 步电动机技术条件) ，规定此种电机的定额是以断续周期工作制s 3 为基 第9 页基3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 准的周期工作定额，运行负载持续率一般为：6 0 、4 0 、2 5 、1 5 ( 每 一个工作周期为1 0 m i n ) 四种，且同一规格随负载持续率增加，电机额 定功率减小，但输出额定功率时的额定负载持续率只是其中的一种。而 国外客户要求考核为s l 工作制，( 尽管电机实际工状并不是满负载运 行) 这样无疑对电机设计增加了难度。( 电机的安全系数高，保裕量大) 市场经济的特点是买方市场，用户是“上帝”，估计外商为增加自 己的竞争力对电机提出了自己的要求，超出了国外市场的现状：在美国 国内用于油田抽油机用的电机，采用的是被称做为超高转差电动机 ( u l t r ah i g h s l i pm o t o r ) ，其转差达1 0 ，但结构特点为防护式 i p 2 2 。但由于电机在野外作业，所以防护网较密( 高于i p 2 2 要求) 电 机内部的发热很容易散出。 2 专有名词的释义 所谓电机的防护等级是指电机的外壳防护的分级。此种电机按约定 属于n e m am g l 一1 2 6 2 中范畴( 全封闭自带风扇外壳冷却的电机) ，i p 4 4 中指出第一位数字指外壳对人和壳内部件的防护等级( 4 表示能防止直 径或厚度大于1 m m 的导体或片条触及或接近壳内带电或转动部件，能防 止直径大于l m 的固体异物进入壳内。) ；第二位数字指由于外壳进水而 引起有害影响的防护等级( 4 表示防溅水电机，能承受任何方向的溅水 应无影响) 。 负载是指电机的输出的功率，表示旋转电机在某一瞬间供给一个电 路或一台机械所需要的电量或机械量的全部数值。 工作制是指电机所承受的一系列负载状况的说明，包括起动、电制 第1 0 页共3 7 页 n e m a 油) # 泵电机世汁 动、空载、电制动、停机和断能及其持续时间和先后顺序等。 空载是指旋转电机在额定条件下以正常转速运行而没有输出时的 状态。 工作周期是指在一定时间内的负载重复变化过程，每个周期的时间 较短，不足以使电机达到热稳定状态。 周期工作制是指工作周期以规律性时间间隔重复的工作制。 负载持续率是指工作周期中的负载( 包括起动与电制动在内) 持续 时间与整个周期的时恻之比，以百分数表示。 连续工作制一s l 工作制是指在无规定期限的长时间内是恒载的工 作制，在恒定负载下连续运行达到热稳定状态。 断续周期工作制一s 3 工作制是指电机按一系列相同的工作周期运 行，每一周期由一段恒定负载运行时间和一段停机并断能时间所组成。 但在每一周期内起动和运行时间较短，均不足以使电机达到热稳定，且 每一周期的起动电流对温升无明显影响。 热稳定是指电机发热部件的温升在l h 内的变化不超过2 k 的状态。 电机温升是指电机整机在达到热稳定时的温度与环境温度差值。 起动转矩( 即堵转转矩) 是指电机机在额定频率、额定电压和转子 在其所有角位堵住时所产生的转矩的最小测得值。 起动电流( 即堵转电流) 是指电动机在额定频率、额定电压和转子 在所有转角位置堵住时从供电线路输入的稳态方均根电流。 绝缘结构是指与导体和支撑结构件组合的绝缘材料的组合体。 绝缘等级是指电机绝缘结构的分级，是根据其温度定额的热寿命分 第1 1 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 为几个等级。 转差率是指同步转速与转子实际转速之差，以标么值或同步转速的 百分比表示。 3 n e m a 油井泵电机机设计要点 工程上的设计讲的是适用性、针对性。 从n e m am g l 标准中d 设计要求转差率高，起动转矩大，且起动电 流i s t 是被限定在不易达到的水平上来分析，这三项参数哪个是第一位 的? 起动转矩是第一位的! 因为它是服务于用户，用来起动负载的，它 若小，就可能带不动负载，完成不了起动，电机怎么能运行? 第二位的 是起动电流i s t ，它若大，则要求配置的变压器容量大，( 对局电网和 其它用电设备影响大( 电磁干扰) ) 用户的出装费用增加；至于转差率， 必须要高，因为它与t s t 相关联，与i s t 相关联，转子电阻大，则t s t 大，i s t 会因阻性分量的加大而减小。这些可以从下面的公式中不难得 到：( 电机学中的工程用的公式) l 电机等效电路 第1 2 页共3 7 页 卜n _ l 兰 l，乏 ， ， 。 一 n e m a 油井泵电机设汁 研。堕 乃2 塞2 毒。：_ i ：吾商n - 1 ( 电磁转矩) s 。棚；、厨巧i 可( 1 2 ) 当s = 1 时电机处于起动状态，这时转矩为起动转矩 瓦= 幻。q ，) 移拙i ) 协+ 出；) 2 + 伍，+ z ) 2 j ( 卜3 ) l ：u 瓶i 而可币丽( 1 4 ) 以上公式是根据电机的各状态由等效电路得到的，是各性能与电机 参数的表达式。 此电机要求转差率s 。5 ，就比普通电机转差不足1 大到5 倍多。 根据公式： 2 = s 只( 卜5 ) 此电机要求防护等级是i p 4 4 ，这多出的4 倍多的转子损耗向何处 排放? 因此解决电机的温升问题，就成了位居首位的矛盾，是需要十分 认真地对待! 电机的设计包括：机械设计和电磁设计两大部分。机械设计，该产 品外型同一般n e m a 电机产品一样，可以说是成熟的；电磁设计，从上 面分析看需要重新调整。这两方面设计最终是要反映到电机上，同电机 的性能和电机的寿命有关，用户才能使用得满意。电机的性能指标上面 第1 3 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 谈到了，电机寿命一般指电机绝缘老化的时间，是最先被老化的绝缘在 没老化前所持续的时间，它在绝缘材料定了以后，主要与电机设计与工 艺上所导致的电机温升有关。我们按此类电机解决矛盾的主次温升 ( 主要是转子温升) 展开讨论，设计方法和工艺要点同时讲，先从转子 上先谈，然后再谈定子，最后谈外面整机其它设计特点。( 般设计是 应该从大到小考虑，此电机也是这样考虑的，只不过为更好地阐述此电 机的特点及解决的方法以从内到外，从特殊方法到一般方法来叙述。) 第1 4 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 二、“变截面导条”结构 1 高转差铸铝转子简介 根据上章中各式可以看出，转子电阻变大( r ：f ) 力争使( 斗) 起动转矩变大( t s t 个) ，力争使( o ) 起动电流变小( i s t 山) ，力争使( 一) 电机转差率变大( s 。1 、) ，这时转子损耗变大( p 【。f ) 。因为。= s 凡，我 们为更直观( 量化) 分析，可以近似认为p 。= p f5 5 k w ( 7 5 h p ) ，当s 。5 时，则p 。o 0 5 5 5 k w = 2 7 5 0 w 。这至少2 7 5 0 w 的损耗向哪里排放， 才能使电机温升得以保证? 直观地看：第一，多向电机中心传导并散出 ( 它可以通过和负载的机械联接传向外部并散出) ；第二，增大转子导 条自身的热容量，降低转子导条自身的温升。而普通笼型转子电机的转 予损耗所占总损耗比例不大，即不是主要因素。这也高转差电机与普通 电机的区别。 单纯地从改变电机转子铸铝形式，使电机达到高转差率、 高起动转矩的做法是多种多样的，如：方法一，可以缩小转 子导条截面来加大转子导条电阻；方法二，可以将导条做成 “梳齿”结构( 也是变截面的一种) ，既能满足起动及运行的 需求，又保证导条中热量扩散；方法三，可以研配特殊高电 阻率合金材料来铸转子以增大转子导条电阻； 用方法一解决不了温升高的矛盾，并且由于缩小转子导条截面使转 第1 5 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 子导条便细，减小了导条的热容量且强度也降低了，尤其是在较大电机 中，由于发热而最终会烧毁转子。 用方法二由于”梳齿”中导条粗细变化频繁，且变化较大，从而不 仅带来码片工艺难度大，而且铸铝需千吨级的压铸机，才能保证压铸的 成功，国内电机厂极少有这样大的压铸机，我厂没有。所以此方法目前 在国内不易推广起来。 用方法三也存在问题：首先是研究并配置材料对工厂是不适宜的， 其次既使材料电阻满足要求，也可能压铸时工艺难度大，不可控因素太 多，质量难于稳定，也不适用于工厂。( 如其它合金) 由于高转差率和电机温升是矛盾的( 转子损耗大，产热量多) ，这 样，选择一种新型的转予结构，使电机温升控制在考核的范围内是必经 之路的。 2 变截面导条结构设计 对于一个实体企业的设计人员，工作要从产品的实际要求出发，结 合本厂的现实情况和经验，尽力地设计出，低成本易实现的产品。我厂 压铸机只有3 1 5 吨，在此前提下我们要作到：转子等效电阻大：起 动转矩t s t 大：电机起动电流保证；转子导条的热容量大，自身等 效电流密度小，温升下降；让转子导条的发热有利于向转子轴心的方 向传递。这样才能实现出口油井泵电机的要求。 达到上述目的，可以通过“变截面导条结构”来实现，如图1 所示。 铸铝转子中转子冲片如图2 所示，有两种。 第1 6 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设汁 ae 段为冲片1 h 段为冲片2 图l 转了导条轴向截面 所谓变截面导条结构是延着转子轴向看，电机转子导条截面是变化 的。由于转子导条截面，在轴向电流流动方向上的改变，使得电流在导 条中呈电流“场”分布，这样导条各段截面的导条等效高不等，可以计 算出“等效的”导条高度：在b ”段可视为“d ”，而在“c ”段则通过 电流“场”的数值计算，可以算出在“c ”段几何高度为h 的“等效的” 导条高h e f f 来，h e f f = f ( d ，c ，h ) 。设计时可以先假定一个d ，给出 第1 7 页共3 7 页 n e m a 油升泵电机设计 一。? 蓼黪j 。； 藩j 签 蓼j ，j | | ? i 爹 。；髫缪鲤眵? 一 图2 转子冲片 b ，c ，h 即可。根据h e f f = f ( d ，c ，h ) 找到h e f r ，然后代入计算程序， 即可得到s 。、i s t 、t s t 等等各项参数。根据实际情况再做调整，一般 有三、四次的反复即可定稿。 根据我公司的情况，由于冲片2 形式( 小圆孔) ，为了使此种转予 的铸铝成功把握性更大：第一，我们采用了国内常用的z l d 0 0 1 铝锰合 金，此铝合金的电阻率比纯铝电阻率高近一倍，可以使我们在设计时等 效高度放大，( 即冲片2 小圆孑l 放大) 也就是用提高转子导条电阻率的 方法来提高电机转子电阻，同时也给设计上尺寸得以放宽，保证铸铝成 功更大；第二，此种合金铝流动性及延展性较普通铝差，调整铸铝工艺 使铸铝时保压时间适当放长，以减小铝合金在转子铸铝后的开裂：第三， 转子铁心铸铝前预热，增加铝水流动性，使转予槽铸满，用以保证每根 第1 8 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 导条的质量；第四，在转子码片时，要把转子两端与端环相连的部分用 l 号片即用大槽片，这样更易保证端环与导条间的强度，有利于铸铝的 成功。 特别注意：通过多次试验此种铝的电导率随着在高温中，长时间会 有变化( 一般是变小) ，由于我们的设计为保证温升电导率控制较严， 所以我们在熔化时，铸铝转予热套轴时，都对温度、时间有不同于普通 铝的要求范围。 第1 9 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 三、转子闭口槽与涡流电流和涡流力矩 国内现行的中小型鼠笼三相异步电动机中，转予槽槽口普遍是开口 的，但我们这次所用的两种片都是闭口的，而且根据我们的工艺，保证 车完转子外圆后依然是闭口的。( 国外有的制造厂转子不用车，气隙是 冲出来的) “变截面导条”铸铝转子得以更好地实现必须依靠闭口槽的转子 冲片结构，因为我公司压铸机吨位小，且压铸时铝水在导条中要“直行” 还要“弯拆”且几次的变径和拐弯都会卸压，而闭口槽有利于保压和填 充满整个转子中各个槽形空间，( 这样才能增加导条的热容量，才能增 加导条向转予轴心方向传热能力) 所以在此条件下，用这种冲片会更好 地实现转子导条的“变截面”的设计形式要求，工艺上还可以简化铸铝 中模的要求，甚至不要中模都可。( 当然，此种槽口形式的铸铝转子铝 条的缺陷不易被发现。) 另外转予冲片为闭口槽时，转子铁心外圆就是一个完全连通的整 体，在起动时，转子表面的涡流电流和涡流力矩，处在5 0 h z 的交变磁 场下，因而它产生的涡流电流和涡流力矩确实是一个不小的量。在设计 i s t 时应留出一定的裕量( 至少0 5 倍) ，而在设计t s t 时涡流力矩是一 个有利因素，可较之一般半闭口槽增大2 0 左右，( 设计之初是根据其 它试验数据估计) 但电机在额定状态的电流、噪声下降，而效率、功率 因数等有所上升，尤其是在极数多的电机上效果会更明显，这是闭口槽 第2 0 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 转子冲片的一个积极有用的一面。( 当然也有其不利的一面，如涡流损 耗发热等，但相对于设计中的主要矛盾，是可以忽略的。) 现国外如美国、欧洲、日本等国一些大的电机公司，在中小型电机 中转子都以采用闭口槽，我国一部分在技术上受加工工艺上的限制( 传 统习惯) ，主要是没有重视基础工业提升是关键，而不断在低端竞争， 这需要电机行业共同认识和国家宏观调控。 第2 l 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 1 电机损耗分析 四、低谐波绕组的应用 降低电机的损耗即提高电机的效率是从根源上解决电机温升，一般 2 极电机效率较高，而4 、6 极电机效率较低。小电机中4 、6 极以定子 铜损耗和转子铝损耗为主，提高效率是主要措施是降电流密度和磁通密 度，但这样就势必要放大导线截面和增加铁心长度，多用材料，从设计 上要权衡采用：而大电机效率一般较高，应通过各种措施来降低风摩损 耗、铁耗和杂散损耗，而不能主要依靠通过材料增加来降低铜、铝耗。 另外大电机中空载电流所占比例较小，降低铁耗选取高导磁率硅钢片的 不是主要指标，而选取较低比损耗p 1 0 5 0 ( 单位公斤损耗值) 硅钢片 是最主要的出发点。 油井泵电机设计中举例的电机( n e m a 4 4 4 t 一6 d 的设计单中可以看出 电机的5 种损耗) 的设计值为： p 。= 儿8 2 w p ，。= 8 6 9 w 2 1 5 1 5 8 4 8 6 p 。= 1 9 2 5 w ( 3 5 ) p 。= 5 4 9 w( 1 0 ) 设计出的结果分析是：在这5 种损耗中，铝损耗是电机运行中在转 子铝中产生的损耗( p 。= s 。p 产0 0 5 5 5 k w = 2 7 5 0 w ) ，这一项是不能 第2 2 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设汁 减少的；铁损耗p 。指的是电机主磁场在定转子铁心中发生的，已经减 到最小了，设计中已经降低了磁负荷，又可采取了性价比较高的硅钢片； 定子铜损耗民，是指电机运行中在定子绕组中产生的损耗，此电机中要 降低已不具备条件，因为定子电密和槽满率已经选取到最佳值了，而且 它只占2 1 5 ；机械损耗艮指的是电机通风损耗及轴承摩擦损耗等，我 们可以根据我公司多年的经验，选取适当的风扇风罩形式和更好的加 工、装配工艺；附加损耗p 。指的是，定、转子开槽而引起的气隙磁导谐 波磁场在对方铁心表面产生的表损耗，和因开槽而使对方齿中磁通因电 机旋转而变化所产生的脉振损耗，及负载时工作电流所产生的漏磁场 ( 包括谐波磁场) 在定、转子绕组罩和铁心及结构里引起的各种损耗， 这是估算值( 设计时) ，一般是不准确。我厂生产过程中实测过y 2 8 0 m 6 5 5 k w3 8 0 v5 0 h z ，7 2 5 8 槽配合的附加损耗值，实测结果是3 5 ( 不 是一般估计的1 ) 。可以看出这种电机的附加损耗是占比例较大的，因 此降低p 。( 占3 5 ) 效果会很好的，势在必行! ( 我们此规格电机同 y 2 8 0 m 一65 5 k w 3 8 0 v5 0 h z 相近，槽配合也一样，有可比性) 2 电机绕组分析 感应电机电磁作用都与绕组有关，所以绕组是电机的重要部件。而 一般三相笼型转子异步电机的绕组构成主要从运行和设计制造两方面 的考虑出发，交流绕组的型式虽然各不相同，但它们的构成原则却基本 相同，具体要求是 ( 1 ) 合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形，数量 上力求获得较大的基波电动势和基波磁动势： 第2 3 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 ( 2 )对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电 抗要平衡； ( 3 )绕组的铜耗要小，用铜量要省； ( 4 )绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。 交流绕组可按相数、绕组层数、每极下每相所占槽数和绕法来分类 我们这罩谈的主要是三相整数槽绕组，按槽内层数，可分为：单层绕组、 双层绕组、单双层绕组三种型式。 从绕组的形式的对比中可以看出，单层绕组短矩系数为1 ，双层绕 组多为o 8 个极矩左右，短矩系数为o 9 5 左右，但短矩以后三相合成 的磁势的正弦度就比单层整矩的好多了。以下为绕组的一些公式： 短矩系数 足，。：s i n 譬( 4 1 ) 其中 2 丢。熹z ， 式( 7 ) 中y 为以槽数表示的绕组节距： z 。是电机每极槽数； 日是每极每相槽数； 从绕组自身的特点看，“集中”则绕组利用系数高，而“分布”则 对磁势正弦度有利。 s l n = 吼 分布系数局，= 乇4 3 ) g ls l n i 第2 4 页共3 7 页 式中口= 笔旦是用电角度表示的槽距角 厶1 绕组系数世中l = t i 川( 4 4 ) 单层绕组特点是： ( 1 ) 槽内无层间绝缘，槽的利用率高： ( 2 )同一槽内的导线都属于同一相，在槽内不会发生相问击 ( 3 ) 线圈总数少，为总槽数的一半： ( 4 ) 在一般情况下不易做成短距，因而其磁势波形较双层绕组的 差： ( 5 ) 电机导线较粗时，绕组的嵌线和端部的整形都比较困难。 双层绕组特点是： ( 1 ) 可以选择有利的节距以改善磁势与电势波形，使电机的电气 性能较好； ( 2 ) 端部排列方便、整齐； ( 3 ) 线圈尺寸相同，便于制造； ( 4 )多用了绝缘材料，嵌线比较麻烦。 双层绕组采用短距时，某些槽内上下层的导体属于同一相，而某 些槽内上下层导体不属于同一相。如果把属于同一相的上下层导体合 起来，用单层绕组来代替，而上下层导体属于不同相的仍保持原来年 双层绕组，并用同心式绕组端部形状将其端部连接起来，这种绕组就 是单双层绕组。它与单层绕组相比，有双层绕组的特性，即有较好的 气隙磁场波形，较好的起动性能和较低的附加损耗等一系列优点。从 第2 5 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 结构上看，它比双层绕组在较短的实际节距下，可以得到较大的有效 节距，从而使基波绕组系数提高。当电机的有效匝数相等时，可以减 少实际匝数；当有效节距相同时，实际节距可以缩短，从而节省绕组 用铜，铜损耗也相应减少，效率相应提高。但由于线圈的几何尺寸和 节距不等，单层和双层线圈的匝数也不相同，制作稍复杂。 降低附加损耗p s 的最行之有效的方法，在槽配合一定条件下就是 让定子绕组产生的旋转磁场更趋近正弦波，( 谐波含量少) ，这只有在 定子绕组上花费力气1 4 低谐波绕组的设计 不同于现有6 0 0 相带双层短矩，而是采用扩大相带分布，按照正弦 度要求在槽内做不等匝安排，最后达到三相合成磁势阶梯波逼近正弦分 布，绕组分布形式上有单层又有双层故起名为“单双层不等匝同心式低 谐波绕组”。 这种单双层绕组主要特点是：双层槽内上下层匝数可以不等，而是 利用磁势逼近正弦波来分配的。从而达到谐波含量少，降低附加损耗的 目的。 这里可以用模拟正弦曲线上点方式来求每槽安匝数，求出各匝数之 比加上匝数不能为小数( 即圆整) 来确定各槽匝数分配。 用于n e m a 4 4 4 t 一6 d7 5 h p ( 5 5 k w ) 4 6 0 v6 0 h z 的“单双层低谐波 绕组”是由两个单层绕组和4 个双层绕组构成的“单双层同心式不等匝” 的低谐波绕组，每对极下线圈的排布如图3 示。 我们来看看各匝数是如何确立的，令单层匝数为1 ，两侧匝数依次 第2 6 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 为x 、y ，( 从图上看，绕组是由构成一个由两个单层，两侧各为两个双 层的线圈构成的单双层不等匝同心式绕组) 单层跨距为卜1 2 ，两侧绕 组取近连接，同心结构则有2 1 1 ；3 1 0 。假设这样排布的绕组组成的 阶梯波中心的联线为正弦函数，再确定x ，y 的数值当为多少! 设阶梯波基波幅值为m ，则依阶梯波形成的原理每上一个台阶即加 上这一槽产安匝数，取a 相电流为1 ，则根据电流的相位关系，b 、c 相 为1 2 ，这样可以列出逼近正弦波的算式 i 半x + i c 半y = ( s i n l 5 0 s i n o o ) m ( 4 5 ) x + 1 2 y = o 2 5 8 8 m i y + i 。x = ( s i n 3 0 0 - s i n l 5 0 ) m( 4 6 ) y + 1 2 x = 0 2 4 1 2 m 用此法可以确定每槽匝数比l ：x ：y ：= 1 0 0 ：5 6 ：4 4 这样便可以确定上下层匝数。 这里需要指出的是：1 ) 匝数分配比例并不服从余弦规律； 2 ) 比例计算是采用阶梯波中心联线是正弦波 而来的。 3 ) 最大与最小的匝数比一般不易太大 “单双层不等匝同心式低谐波绕组”的绕组系数k 。的计算，从一 对极槽号相位图和阶梯波可以看出，电机每槽匝数不等，中间匝数最多， 两侧对称地减少，所以可以按相量合成法求取： i ( d 。= ( c o s 7 5 0 + x c o s 2 2 5 0 + y c o s 3 7 5 ”) ( 1 + x + y )( 4 7 ) 把x 、y 代入后即可求出绕组系数。 第2 7 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 它们的绕组系数k 。= o 9 2 8 6 ，超过了普通双层叠绕组y = 0 8t 的 绕组系数k 。而其磁势波形的正弦度则非常贴近正弦波，比之正规的 双层等匝叠绕组则好得多得多了，如图4 示。 9 6 9 4 矿 8 1 “ g 75 4 8 。 2 7 o o 。 2 7 4 8 6 70 8 i 9 45 9 6 l2345g 7 8 ql o1 11 2 】： l41 516718 92 ( ) 2 12 22 _ 24 n 是髫rc 盛篙b 一墨等aj ? ! ：；c 、c 1i ：i ；bd ：! ：；a ah( 1 分别为三相单层边匝数1 7 跨距l 一1 2 a l b lc 1 分别为三相双层边匝数1 5 跨距2 l l a 2 ) 2c 2 一分别为三相双层边匝数1 2 跨距3 i 0 图；一对极下绕组排布 15 。3 0 。4 n l 5 06 0 。7 5 。9 0 0 12 0 01 5 0 。【n 0 7 2 7 0 。 5 3 6 0 。 s l 标准正弦函数蓝线 三相合成磁势台阶中心点构成的曲线 图4 一对极下磁势波形图( t a 第2 8 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 经电机试验( 用实测杂散损耗法) 来分析电机的性能数据得到实测 的杂散损耗p = ；= 1 4 5 8 w 、1 4 1 2 w ( 见表6 1 ) ，约占电机功率的2 6 5 ， 比普通叠绕组下降o 8 5 个百分点，它没有多用铜，相当于节省了4 2 5 1 9 5 k g 铜，降低了约5 k 的温升。可见此绕组对电机性能提高的益处。 第2 9 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 五、其他降温措施 1 ) 加大气隙由o 6 5 加大到0 8 0 ，可以减少谐波及转子向定子的 热辐射。 2 ) 增加电机的材料的用量，提高电机的能力，从而增加电机的热 容量。在电机中心高不变的条件下放大了定予外径，由中4 4 5 加大到 4 9 3 ( 仍借用n e m a 电机的冲片外径分家模) ，铁心长为l = 2 4 0 ，较之 y 2 8 0 m 一65 5 k w3 8 0 v5 0 h z 铁心长为l = 2 6 0 ，电机用料增加1 3 ( ( 等 2 舞= 1 1 3 ) i 考虑到5 0 h z 和6 0 h z 的功率关系，则用料增加 3 5 6 ( 1 1 3 o = 1 3 5 6 ) ，材料的增加帮助了温升的降低，也是不 少的一部分。 3 ) 电机有绕组定子铁心采用真空压力浸漆，有效地填充绕组中间 隙，有利提高定子的散热能力，降低电机温升。 4 ) 控制端盖轴承室公差，对轴承室进行挤压，提高轴承室尺寸精 度及圆柱度，降低机械损耗，减少轴承温度。 5 ) 利用现有我公司的技术条件，采用大的风扇和新型风罩。增加 通风面积。 第3 0 页共3 7 页 n e m a 油卦泵电机设计 六、试验结果与分析 经过试验两台n e m a 4 4 4 t 一6 d7 5 h p ( 5 5 k w ) 4 6 0 v6 0 h z 电动机的 试验数据见表6 1 。 表6 一l设计值与试验值对照表 项目r ( q ) i 。( a )i 。( a )p c u 。( w )p 。( w )p r 。( w )p s ( w )( w ) 设计值 o 1 4 3 l2 0 6 98 5 5 41 1 8 22 6 7 08 6 91 9 2 55 4 9 l # 电机o 1 4 1 3 1 9 】98 74 4】0 8 03 9 9 06 6 31 4 5 86 0 4 试验值 2 # 电机o 1 4 1 61 7 8 8 8 7 11 0 7 03 9 3 45 9 01 4 1 27 2 0 项目 n ( )c o s 啦n ( )t s t ( )i s t ( a )s 。( ) 0 ( k ) 设计值 8 8 40 9 1 3 2 6 41 9 34 9 9 64 4 f 级 1 # 电机 8 7 60 9 02 7 43 0 15 4 86 5 41 0 8 试验值 2 # 电机 8 7 7 o 9 0 32 8 02 9 85 3 96 4 51 0 0 该电动机的标准为： 额定转差率s 。5 起动转矩t s t 2 7 5 堵转电流i s t 5 4 2 5 a 温升0 1 l ok 由表6 1 可知主要指标均已达到! 误差分析： 根据设计值p 。= 2 6 7 0 w 、而试验值p ：= 3 9 9 0 w 、3 9 3 4 w 二者出入较大 第3 l 页共3 7 页 n e m a 油井泵电机设计 究其原因可知：电机是按f 级设计，转子电阻折算到1