（电气工程专业论文）大型高速yrk400021430型绕线式三相异步电动机的研制.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：雌一 日期：三型量卫旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：年盔墨导师签名：左塑鳆日期：盈必。幽。丝 山东大学硕士学位论文 摘要 高速电机是近几十年来电力电子技术、材料科学、计算机技术发展的产物。随着 中国经济的发展，国内高速电机也获得了很大发展，但大型高速电机以及相关调速和 控制系统的开发国内基本上处于摸索阶段，与国外电机制造强国差距很大。在此情况 下，我们自主研制了大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动机。本文讨论 了大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动机的设计、制造、检验整个过程。 本文首先对大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式三相异步电动机的 设计思路及原理进行了阐述，主要围绕大型高速绕线式三相异步电动机的起动方式、 调速方式、制动方式的选择进行了分析，得出了起动方式采用转子串入可调水电阻； 调速方式采用变频电源调速；制动方式采用动力制动的结论。 其次对大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式三相异步电动机设计过程 及相关设计分析进行了总结。对大型高速绕线式三相异步电动机的电磁设计、结构设 计、变频高速的原理等进行了研究，并采用较先进的计算机仿真分析软件m a t l a b 和a n s o f t 动态仿真了该电机在空载条件下，起动时电流变化的情况和在满载条件时 变频超速( 6 0 h z ) 情况下转矩、转速和电流的变化情况，并绘出相应曲线，应用a n s y s 计算机软件对该电机在负载条件下，额定电流、电压情况下的稳态场进行了分析计算， 绘出电机的磁场强度( h ) 分布情况，磁力线分布情况。 最后把在大型y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式高速三相异步电动机试制的 过程中碰到的一些技术难题和取得的较成功的经验与大家进行一下交流，并把产品验 收过程进行测试的结果与我们理论计算和仿真分析进行比较，从而为今后大型绕线式 高速三相异步电动机设计打下一个坚实的基础。 关键词：大型高速绕线式异步电动机水电阻起动变频调速m a t l a b 仿真 a n s y s 分析 山东大掌硕士学位论文 a b s t r a c t s h i 曲一s p e e dm o t o ri st h er e s u l to fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o d y n a m i ct e c h n i q u e ，m a t e r i a l s c i e n c ea n de n m p u t e rt e c h n i q u e w i mt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y h i 啦- s p e e d m o t o rg e t sb i gd e v e l o p m e n t si nc h i n a b u tt h ed e v e l o p m e n to fl a r g eh i g hs p e e da n d c o r r e l a t i v et i m i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi si nt h ep r i m a lp e r i o di nc h i n a i ts t i l le x i s tb i gg a p w i t hm o t o rm a n u f a c t u r i n gc o m p a n yo f f b r e i g nc o u n t r i e s u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，w er e s e a r c h a n dm a k et h el a r g eh i 吐s p e e dy r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0w i n d e rt h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r b yo u r s e l v e s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ed e s i g n , m a n u f a c t u r ea n di n s p e c t i o no fl a r g e h i g h s p e e dy r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0w i n d e rt h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r f i r s t l y , t h i sa r t i c l ee x p o u n d st h ed e s i g nt 1 1 0 u g h ta n dp r i n c i p l eo fl a r g eh i 曲s p e e d y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 04 m w ，6 k vw i n d e rt h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r i ta n a l y z e st h e c h o i c eo fs t a r t - u pm o d e ，t i m i n gm o d ea n db r a k em o d eo fl a r g eh i 曲- s p e e dw i n d e r t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r a n di tg e t st h ec o n e l u s i o nt h a tt h es t a r t u dm o d ea d o p t s r o t o rb u n c ha d j u s t a b l ew a t e l r e s i s t a n c e ；t h et i m i n gm o d ea d o p t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o n p o w e rs u p p l yt i m i n ga n dt h eb r a k em o d ea d o p t sd r i v eb r a k e s e c o n d l y ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e s i g n i n gp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g d e s i g n i n ga n a l y s i sf o rl a r g e c a p a c i t yh i g h - s p e e dt h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sw i n d i n gm o t o r y r k4 0 0 0 2 1 4 3 04 m w ，6 k v i ts t u d i e dt h ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g n ，c o n s t r u c t i o n d e s i g na n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nh i 【曲s p e e dp r i n c i p l e ，e t c ，a d o p t e dt h ec o m p a r a b l y a d v a n c e de m u l a t i o na n a l y z i n gc o m p u t e rs o f t w a r e m a t l a ba n da n s o f t ，i m i t a t i n g d y n a m i c a l l yt h et o r q u e t u r ns p e e da n dc u r r e n td i f f e r e n c c sw h e nr i o i o a d e dm o t o ri ss t a r t e d a n di nf r e q u e n c yc o n v e r s i o no v e rs p e e d ( 6 0 h z ) ，a n dm a k i n gt h er e l e v a n tc u r v e s ，a n d a d o p t e ds o f t w a r ea n s y st oa n a l y z ea n dc a l c u l a t es t e a d y - s t a t ef i e l dw h e nt h el o a d e d m o t o ri si nt h er a t e dc u r r e n ta n dv o l t a g e m a k i n go u tt h em o t o r sm a g n e t i cd e n s i t y ( h ) d i s t r i b u t i o nc u r v ea n dm a g n e t i cf i g u r e f i n a l l y , t h i st h e s i ss h a r e sw i ma l lo fy o ua b o u ts o m et e c h n i c a lp r o b l e m sc o m i n ga c r o s s d u r i n gt h e t r i a lm a n u f a c t u r i n go fl a r g e c a p a c i t yh i g h s p e e dt h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u s w i n d i n gm o t o ry r k 4 0 0 0 2 1 4 3 04 m w 6 k va n ds u c c e s s f u le x p e r i e n c e c o m p a r e st h e m o t o ra c c e p t i n gt e s tr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a jc a l c u l a t i o n sa n de m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c h l a y saf i r mf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ed e s i g no fl a r g e c a p a c i t yh i g h - s p e e dt h r e e - p h a s e a s y n c h r o n o u sw i n d i n gm o t o r k e y w o r d s ：l a r g e c a p a c i t y ，w i n d i n ga s y n c h r o n o u sm o t o r , w a t e rr e s i s t a n c es t a r t i n g , f r e q u e n c yc o n t r o l ，m a t l a be m u l a t i o n ，a n s y sa n a l y s i s 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 参照文献【3 8 】【3 9 】【l l 】 1 4 】 1 1 高速电机的发展简介 高速电机是近几十年来电力电子技术、材料科学、计算机技术发展的产物。如 今高速电机特别是小型高速异步电机在机械工业( 如高速磨床、铣床) 、国防工业( 如飞 机环境控制系统和电子设备高效冷却系统、电能存贮系统、电动推进系统) 等各方面 获得了广泛的应用，它对于减少装置体积重量，提高设备性能有重要的意义，高速电机 现在世界上有一些国家已研制达到2 0 万r p m 以上。 高速电机是从小型电机起步的。因为如果转子上无绕组，无滑环，无电刷， 实现高速较容易，而小型电机具备这些特点较容易，因而小型鼠笼式异步电机，无 刷直流电机，开关磁阻电机等均适合于高速运转。在高速电机应用中，异步电机由 于成本低，结构简单，坚固耐用，便于维修和控制技术成熟是高速电机选择的主要类 型，随着高频驱动电源，高强度低损耗电磁材料及计算机技术的发展使电机能高速 甚至超高速运行。 现在随着经济发展的需要，对大型设备的高速拖动问题也被提了出来，如拖动 大型发电机的型式试验及拖动大型风机、水泵、轧( 钢) 机、球磨机等设备高速运 行，虽然国外电机设计制造强国如美、日、德、法、瑞士等有该方面成熟技术，但由 于价格昂贵且不一定适合中国市场，因而开发大型高速拖动电机，市场将是广阔的，效 益也是可观的，但是该类型产品国内厂家有能力做的较少，设计制造方面成功的经 验也不多见，因而开发难度和风险也较大，但随着现代设计技术在电机设计方面的 应用，如优化设计、有限元机械和电磁场及振动分析和计算机仿真技术的大量应用， 以及我国对引进的国外先进电机设计及制造技术不断消化吸收，最近几年我国陆续 开发成功了一些这方面的产品，其中就有我们单位开发的y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 6 k v 高速异步电动机，现己形成独立设计丌发此类产品以及小批量生产制造的能力。 1 2 国内外高速电机开发的现状 随着国内数控机床等高、精、尖设备在各行各业的广泛应用，对高速电机的需 求也同益增加。目前国内中小型普通高速电机在常规技术参数上与国外差距不是太 大，如电机的速度和功率数等，速度上国内已研制达至r j l 7 万转分，国外目前才达到 2 0 万转分，有些低档产品已出口欧美等发达国家；但在大功率高速电机方面较国外 电机制造强国差距很大，如异步电机额定功率国内最高仅达6 3 0 0 k w ( 两极笼型) ， 国外是1 2 0 0 0 k w ( 两极笼型) 。另外国内高速电机的可靠性以及噪音、精度、效率等 d 山东大学硕士学位论文 指标较国外电机制造强国产品差距较大，特别是高频电源技术，高强度低损耗电磁 材料的研究及计算机技术应用等方面与国外差距很大，因而国内高速电机只能在有 限领域在价格上与国外品牌一决高下，一般高速电机用户为保证产品质量首选国外 品牌包括电机的调速及控制系统。特别对于大型高速电机以及相关调速以及控制系 统的开发国内基本上处于摸索阶段，可参考的东西很少，而国外电机制造强国技术 已很成熟，而他们的技术是保密的，购买成品价格非常昂贵，在这种状况下国内一 些有实力的电机公司已开始投入大笔资金开发大型高速电机，但控制系统大部份从 国外进口，高频电源也较国外原始落后，这种状况在很长一段时间内不会改变，因为 这需要我们国家整体实力的提高，而不仅仅是电机设计制造的问题。 1 3 课题研究的内容 针对目前国内大型高速电机特别是绕线式高速电机以及相关调速以及控制系统 的开发几乎是空白的现状，我们决定自主研制大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三 相异步电动机，并在此基础上不断完善提高，追踪国际先进水平，在此领域缩短与国 外电机制造强国的距离，并最终赶上并超越他们。 1 ，本文首先对大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式三相异步电动机 的设计思路进行了阐述和分析。主要对大型高速绕线式三相异步电动机的起动方式、 调速方式、制动方式的选择进行了详细论述。 2 其次对大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式三相异步电动机设计过 程及相关设计分析进行了总结。对限制三相绕线式异步电动机容量增加和高速实现的 难点：电机的电磁设计、电机结构设计、电机定子的v p i 绝缘系统、交频高速的原理 等进行了研究，并采用较先进的计算机仿真分析软件m a t l a b 和a n s o f t 动态仿真了 该电机在空载条件下，起动时电流变化的情况和在满载条件时变频超速( 6 0 h z ) 情 况下转矩、转速和电流的变化情况，并绘出相应曲线，应用a n s y s 计算机软件对该 电机在负载条件下，额定电流、电压情况下的稳态场进行了分析计算，绘出电机的磁 场强度( h ) 分却情况，磁力线分布情况，以此改进设计，采用先进技术降低损耗、 优化冷卸系统、改进结构及机械部件等，从而使空气作为冷却介质的大容量的高速( 最 高转速3 7 8 0r m i n ) 电动机制造成为可能。 3 对大型y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式高速三相异步电动机试制过程进 行了总结。由于该类型产品国内厂家能做的较少，设计制造方面成功的经验也不多见， 在新产品试制的过程中的确碰到了一些技术难题，同时我们在试制过程中也做了一些 技术探索# 取得了较成功的经验，在此与大家进行一下交流，为我图的：_ = 型高建电机 e 山东大学硕士掌位论文 进一步发展打下一个坚实的基础。 4 对大型y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 绕线式高速三相异步电动机的实验研究。 首先在空载条件下，起动和超速情况下对电机的电流、转速和转矩进行测试，验证仿 真结果的正确性，然后通过对该电机的型式试验项目的测定如：绕组对机壳及绕组之 间绝缘电阻、绕组直流电阻、温升、效率、功率因数及转差率、转子开路电压等，将 这些数据与计算值进行比较，验证设计的正确性、合理性。 第二章大型高速绕线式三相异步电动机的设计思路及分析 参照文献【1 0 】【1 2 】【1 3 】【18 3 4 1 1 3 5 1 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。在电机内建立进 行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电 流来产生磁场，例如普通的直流电机、异步和同步电机。这种电励磁的电机既需要 有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永 磁体材料产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化后，不再需要外加 能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可提高电机效率。但大 型高速电机永磁机目前其开发设计是个难题，我们不采用永磁结构。因同步机和直 流机在经济性上均不适合大型高速电机，我们采用三相异步电机的设计思路。 2 1 大型高速三相异步电动机的起动方式选择 三相异步电动机是一种交流电机，按转子结构分类，分为鼠笼式和绕线式，虽然鼠 笼式比绕线式结构简单，可靠性高，造价相对便宜，但要拖动大功率发电机需要大起 动转矩的电动机，根据三相异步电动机转子电压方程： e 2 j = 4 4 4s l n 2 k 2 。 ( 2 1 ) e ：，为转子每相电动势的有效值，s 为转差率，工为频率，2 为转子线圈匝数， 九为主磁通，。为绕组因数 起动时s = 1 感应电动势也最大，其起动电流很大，虽然对于鼠笼型异步电动机， 起动电流可以用减压起动的方法来限制，根据起动转矩： 一 m lu 2 i r 2 1。2五(r,+cr02+(x,a+cx2a)2 ( 2 2 ) 瓦为起动转矩，m l 为定子相数，踣为机械角速度，( 届+ c r 2 ) 2 + ( x ，盯+ c x 2 盯) 2 为 山东大学硕士学位r e 文 定子漏阻抗r “x - 仃和转子等效阻抗r z “x 2 0 模的平方，c 为修j f 系数，ut 为定 子电压，r z 为转子电阻的归算值 起动转矩t 。与定子电压u 1 的平方成正比，因而此时起动转矩及最大转矩也相应 的大大减小了，对于我们设计的要求起动转矩较大的y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型4 m w 、6 k v 大 型高速三相异步电动机，是不行的，因而不可仅采用减压起动的方法，又根椐起动电 流公式( 略去激励电流i o ) ： l l 2 丽霖雨o 菰l 丽 2 3 ) 毛为起动电流，厶为转子电流的归算值 可知虽然可以增大转子电阻r 2 来降低起动电流，但这样正常运行时鼠笼式电动 机损耗势必增大，耗电大，效率低。而绕线式电动机则不然，虽比鼠笼式电机复杂造 价高，效率也稍低，但在起动时，可以在转子回路中串入适当的起动电阻( 或频敏电阻) ， 仅在起动时减小起动电流，起动后去除或减小，不影响运行效率，同时由上面起动转矩 公式看出增大转子电阻r 2 可以使起动转矩增大( 相当使转子功率因数c o s l l ：和转子有 功分量增大) ，改善电动机的起动性能，如果串入起动电阻使转子电阻满足 r 27 = 二r 1 2 + ( 。r l 仃+ c x 2 盯) 2( 2 4 ) 则起动转矩可以达到最大转矩值，同时因转子串入可调电阻，因而还可在小范围 内调速，虽然笼型深槽感应电动机和双笼也可起到类似作用但其起动性能和可调节性 还是不如绕线式，因而我们采用绕线式电机形式。 我们开发的大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动机额定功率 4 0 0 0 k w 额定电压6 0 0 0 v ，额定电流4 0 0 a ，起动时定子起动电流按5 倍高达2 0 0 0 a ， 因而转子电流高达1 3 0 0 a 转子电压1 8 0 0 v ，因而转子串接一般的频敏电阻就不能满足 要求，我们采用水电阻，它可以通过改变两极板间的距离、电解液的浓度和温度方便 地连续调节，以满足电机起动过程中，对起动电阻的控制要求。在电机起动过程中， 水电阻主要通过下述方法自动控制： 1 、改变极板的距离： 随着电机转速的升高，离心力j j u 大，水电阻极板距离逐步减少，_ 片在电机转速达 山东大掌硕士学位- g p 文 到电机额定转速经过一段延时后，将水电阻极板距离降为零。 2 、改变水电阻的温度： 水电阻通过电流后温度自动升高，在水电阻负温度特性的作用下，电阻逐步减少。 我们采用前一种，由伺服电机来自动调节极板的距离，从而调节电阻的大小，但 距离改变的速度需预先设置，无法自动跟踪实际负载的变化，有时需人工根据实际情 况进行调整达到最佳启动状态。同时因该电机用于试验站，经常频繁起停，定、转子 线圈经常要承受很大电流，为安全起见我们有时要采用电压与频率同步减小方式来降 低定子电流( 即恒功率方式) ，防止温丹过高烧坏定子线圈，当然同时转子电流也相 应减小，改善了它的起动性能，由转矩公式可知这种方式其起动转矩会下降但不会大 大降低，因而其起动性能还是比较好的。但这种方式结构复杂、体积大、价格高，无 法克服滑环、碳刷造成的不良影晌。 另外绕线式异步电动机还有一种谐波起动法，因绕组需特殊设计一般很少采用， 这里就不提及了。 2 2 大型高速三相异步电动机的调速方式选择 根据g b t 7 0 6 4 2 0 0 2 透平型同步电机技术要求我们单位生产汽轮发电机转子 应进行l ，2 倍额定转速的超速试验，即转速应达到3 6 0 0 r p m ，对5 0 h z 历时2 r a i n ，对 6 0 h z 历时1 m i n ，因而我们开发的大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动 机须进行调速，由三相异步电动机的转速公式 厅：堂( 1 一j ) ( 2 - 5 ) p 这里1 1 是转速，p 为极对数 我们可以从以下三个方面来调节感应电动机的转速：( i ) 改变定子绕组的极对数 p ；( 2 ) 改变电动机的转差率；( 3 ) 改变电源频率f l ；三种调速方式各有利弊： 一、是改变定子绕组的极对数即变极调速： 变极调速只能一级一级地调速，而不能平滑地调速，般变极调速电动机都是笼 型，因为笼型转子的极对数能随着定子的极对数的改变而自动改变，使定、转子的极 对数始终保持相等。如果是绕线型感应电动机，则当定子绕组改变极对数时，转子绕 组也必须相应地改变其极对数，这就很不方便，因此绕线型感应电动机极少采用变极 山东大掌硕士学位论文 调速，这里就不提了。 二、是改变电动机的转差率来调速： i 、是改变电动机的端电压来调速： 从电磁转矩公式： u 2 1 坐 n 2 五m l 面谭忑面s ( 2 - 6 ) 来分析，因是电动机状态，故o s i ，可知电动机的电磁转矩与端电压的平方成正 比，因此改变电动机的端电压就可以改变电磁转矩的大小，实际运行中负载转矩不变， 从而达到调节转速的目的，假设当电压由u 。变为u 。”时，可推出 h ： 1 - s ( 芝) z 】 u i ( 2 7 ) 可知转差率s 变为原值( 与) 2 倍，这种调速方法，当转子电阻较小时，改变速度的范 u i 围不大，当转子电阻大时，可以有较大的调节范围。但又增大了损失，所以只能用于间 歇工作的传动上。因而一般很少采用，主要用于拖动风扇负载的小型笼型电动机上。 2 、就是转子加电阻调速： 这种方法只适用于绕线型感应电动机，当转子中调速电阻增加时，若负载转矩不 变，转子的转差率将增大，根据转速公式，即转速将下降，这种方法简单、调速范围 广但要消耗一定的能量，因而效率降低，另外，转子加入电阻后，电动机的机械特性 变软，于是负载变化时电动机的转速将发生显著变化，主要用在中、小容量的异步电 机，虽然可以用串极调速和双馈电机方式将损耗电能送回电网但对大型电机不是很适 用且不可靠，因而我们不采用此种调速方法。 三、是改变电源频率厂1 即变频调速： 近年来，随着交流技术的发展，变频装置的价格不断降低，性能不断提高，交频 调速成为目前电机行业比较时兴的调速方式，我们也采用了此种调速方式。从转速公 式( 2 - 5 ) 来看，改变电源频率时，电动机的同步转速将随频率j 下比变化，于是转子 转速将随之而变化。如果电源频率可以连续调节，则电动机的转速就可以连续、平滑 地调节。但这种调速方式必须有专门的电源。一种是采田变频器将普通交流电变频实 9 山东大掌硕士学位论文 现调速，另一种是采用发电机组得到稳定的变频交流电实现调速。下面详细进行阐述。 变频调速根据实际生产中各种生产机械的不同要求，常用下列三种情况进行调 速： i 、恒转矩调速，即调速时丁= 常数，转矩不变： 恒转矩变频调速时，为了不使电动机的运行性能变坏，总希望保持气隙磁通量 丸基本保持不变。这样，一方面磁路的饱和程度激磁电流和电动机的功率因数可 以保持不变；另一方面，电动机的最大转矩亦可以保持不变。在转速较高时，如 果忽略定子的漏阻抗压降，则根据： u l “e i = 4 4 4f , n l k l 。 ( 2 _ 8 ) 故要保持丸不变，应使定子端电压与频率成比例地调节，即等= 常值，根据 最大转矩近似公式： 乙，。旦堕一型娑：盟娶 ( 2 - 9 ) “ 2 q l 石1 d + x 2 盯 4 须五4 西2 斫k。f 2 1 ( 假设，l 石- 盯+ x ：仃= 爿。) ，若能使等= 常值，则最大转矩亦保持不变，如果进 一步忽略调频前、后通风情况的变化，上述调速方案将允许同样大小的转子电流， 因而具有同样的额定转矩，所以这是一种恒转矩的调速方案。 2 、保持最大转矩倍数e ，不变调速，即保持过载能力不变时的变频调速： 根据前面最大转矩公式( 2 9 ) ，假设，l i ，异步电机 运行于制动状态。这种方法适用于起重装置的绕线式异步电动机上，为避免产生过大 电流，需在转子中串入电阻，调节转子电阻的大小可以改变异步电机的速度。但这种 制动方式振动和冲击力较大，对电机的损坏是不可避免的，故不与考虑。 三、是能耗制动： 能耗制动是将异步电机从电源拉下来，定予绕组加入一个直流励磁，转子作为一 个同步发电机的电枢，感应的电流与恒定磁场相互作用，产生制动力矩，使转子很快 停转。由于制动过程中，电机转子的动能转变为电能消耗在转子电阻上，所以称为能 耗制动。在制动时，定子两杯绕组接成串联，由整流器供给直流励磁。这种方式缪线 13 山东大掌硕士学位论文 式鼠笼式均适合，我们采用此种方法。 四、是机械制动： 通常主要指电磁机械制动。在切断电动机电源的同时，也切断制动机构中克服弹 簧压力的电磁铁电源，使制动闸受弹簧压力迅速动作，制动闸轮使电动机停转。通过 调节制动闸的弹簧压力可改变制动力矩。这种方法不受中途停电或电气故障的影响， 因此广泛用于起重、卷扬等设备中。但这种方式对大型高速电机显然是不适合的。 第三章大型高速绕线式三相异步电动机的设计过程及相关设计分析 参照文献 1 】【2 】【3 】【5 】【6 【1o 】 12 】【1 3 1 5 】【18 】【2 3 】【2 5 】【3 6 】【3 7 1 9 】【4 0 】【2 4 】 电机的设计过程主要分为准备阶段，电磁设计阶段，结构设计阶段。准备阶段通 常包括两方面内容：首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本和技术资料( 包括 试验数据) ，并听取生产和使用单位的意见与要求；其次在国家标准有关规定及分析相 应资料的基础上，编制技术任务书和技术建议书。该产品因国内外很少可借鉴资料，更 无适当的标准，我们为此编制了q q l j 0 2 2 0 2 0 0 4 ( y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 三相绕线型高 速异步电动机技术条件，用以指导全部设计工作和产品验收时的技术依据。 3 1 电机的电磁设计 电磁设计又称为方案设计是根据设计技术要求，并考虑制造运行的经济电磁设计 又称为方案设计是根据设计技术要求，并考虑制造运行的经济合理性和可靠性，确定 电机的电磁负荷以及与电磁性能有关的有效部分的尺寸，包含电机的定、转子冲片和 铁心尺寸及绕组数据等，选定材料，并核算电磁性能和有关参数。 在方案设计过程中我们先后确定了1 0 种方案，经过对设计方案的对比优选，本 产品的磁密、电密、效率、功率因数、最大转矩倍数( 过载能力) 等各项技术参数基 本上做到了兼顾合理，温升限值留有足够的裕度，定子温升限值为8 0 k ( f 级设计按b 级考核) ，设计值分别为5 6 k 和6 3 k ，效率、功率因数等也都有适当的裕度。 另外为以后开发同中心高、同极数的电机，我们选定在定子内外径、轴孔直径、 定转子槽数、槽形以及转子线圈、风扇等尺寸相同的情况下，改变铁心长度，定子线 圈匝数、定子线规等变量，可实现不同功率的电机设计。考虑到电机的通用性继承性 和生产成本等问题，在方案设计时最大限度的兼顾到了与相关产品及派生产品在结 构、工艺、工装、材料等方面的联系，如座式滑动轴承借用了q f 系列发电机的轴承 样式。定、转子落料模、分离模均可相互借用，使其具有很高的系列化、通用化、标 山东大学硕士学位论文 准化水平，为以后成批量生产打下基础。下面具体阐述一下电磁设i ；过程： 一、电磁负荷的选择： 根据电机设计知识可知，电磁负荷就是易和a 的乘积，a 为电负荷，表示沿定 子内腔( 或电枢) 圆周上单位长度的安培导体数： 一；丝d ( 彳抛) ( 3 一1 ) z d a 式中q 是槽数，z 。是每槽导体数，是电流( a ) ，a 是并联支路数，d 是定子铁 心内径。 b ；为气隙磁密，公式为： 易= 爰( d ( 3 2 ) 式中p 是极对数，妒是每极磁通，是平均磁通密度与最大磁通密度之比，是定 子铁心有效长度。 对于正弦气隙磁场分布，仍的值等于2 。根据已学电机设计知识可知，交流电 机的利用系数： c = 熹 o 1 1 6 k w a b 。, x 1 0 3 伍删m i n m 3 ) ( 3 - 3 ) 式中以。是气隙磁通密度的基波幅值，单位为t ；4 是定子电负荷有效值，单位为 a m ，如是绕组系数。 由此看出电磁负荷值越大，电机的利用系数越高，电机有效材料用量越少，但从 电负荷a 和气隙磁密易公式看出，电磁负荷还与电机的运行参数和性能( 功率因数、 起动性能、过载能力等) 密切相关，电负荷a 受导体中产生的损耗、温升及大部分由 槽深所影响的漏抗等因素的限制，气隙磁密以受铁心磁路饱和以及铁心中损耗等因 素的限制，因而电磁负荷值也不能无限增大，一般空冷异步电机电负荷a 为2 9 1 0 4 ( a m ) ，气隙磁密以为0 5 0 8 5 ( t ) ，因电磁负荷及其相互关系很难用固定的原 则来确定，在实际设计中，较多采用同类产品的统计平均值，我们根掘经验和反复计 算选定a b 2 4 5 1 0 4 。 山东大掌硕士学位论文 二、铁心设计： 1 确定落料尺寸： 根据转速3 0 0 0 r p m 3 6 0 0r p m 频率5 0 h z 一6 0 h z 的要求，该电机为二极，根据经 验二极大型异步电动机定子内径d , 定子外径之比d s = 0 4 8 o 5 5 ，因该电机超出设计 手册范围，因而其定子冲片外径和内径只能先参照我们单位及同行业6 k v 相近容量 电机进行比照，结合我单位设计经验和制造、运行的经济合理性和可靠性，最终选 定定子内径d 定子外径之比d s = 7 0 0m r n 1 4 3 0 m m 0 4 8 9 5 。 2 铁心长度l 和定子内径d i 之比九的确定： 根据经验二极大型异步电动机 通常为0 7 1 1 ，前面已知定子内径d ，= 巾7 0 0 m m ，参照我们单位及同行业6 k v 相近容量电机，应用我单位电动机电磁计算软件 反复进行电磁计算，确定定子铁心长度l = 7 9 0i 砌， 约为1 1 3 。 3 气隙长度6 的确定： 气隙长度6 对电机的性能影响较大。气隙长度的减小，可减小电机励磁安匝及 损耗。如果气隙长度过小，气隙谐波磁场及谐波漏抗增大。使起动转矩稍有降低，电 机杂散损耗及电磁噪声增加，温升可能升高。为保证电机运行可靠，避免气隙不均匀 而引起定、转子相擦，因而电机气隙不能太小。一般不小于0 2 5m m ，经计算并参照 我们确定气隙g - - 6a i m ，损耗和温升等较合理，由此确定转子外径6 8 8m n l 。 4 槽数选择和槽配合的确定： 为减少谐波磁动势，每极每相槽数q s 一般取整数。为降低杂散损耗和提高功率 因数，应选用较多的槽数，但槽数增多将增加槽绝缘，降低槽利用率，并增加线圈 制造及嵌线工时。一般对功率较大的两极异步电机每极每相槽数q 。一般为6 9 ，我 们根据计算选为8 。选择转子槽数必须与定子槽数有恰当的配合，应使电机起动j 下常， 转矩转速特性曲线平滑，杂散损耗较小，噪音低，结合电磁计算，结合我厂设计经 验和工艺能力，槽配合选为4 8 7 2 。 5 槽形选择和槽形尺寸的确定： 根据设计手册对于大型高压( 6 0 0 0 v ) 成型绕组，定子槽形选为丌口槽形，转子选为 矩形丌槽。但槽形尺寸的确定较复杂：( 1 ) 使槽有足够的截面积，以保证槽内导体 电密在一定范围内。( 2 ) 有足够的齿宽和轭高，使铁心齿部、轭部磁密不致过高。 为保证机械强度和工艺能力限制，齿宽和轭高也不宜过小。根据经验齿部磁密b t 为 1 6 山东大学硕士掌位论文 i 3 - 1 6 t 、轭部磁密引为1 1 一1 5 1 ， 我们结合类似产品，以及考虑到产品通用性，确定槽形尺寸为：定子2 2 1 1 2 ， 转子1 0 4 7 5 ，经计算定子齿部磁密1 4 6 t ，轭部磁密1 3 1 t ，转子齿部磁密1 7 t ， 轭部磁密1 1 5 t ，说明定、转子槽形尺寸选取较合理。虽然转子齿部磁密1 7 t 超出 范围，我们以前电磁设计未用过，但同行业同类产品相同数值甚至更高均采用过， 因而我们认为正常。气隙磁密o 7 7 t ，在我们平时正常范围内。 三、绕组设计 1 绕组形式和绕组连接的选用： 对大型两极隐极异步电动机定、转子一般采用双层叠绕组，3 0 0 0 v 以上高压异步 电动机，绕组连接形式定、转子一般均采用y 联结，这样转子三根引线可以分别接到 转轴上的三个集电环，转子绕组可以通过集电环和电刷在转子回路中接入变阻器，用 以改善电动机起动性能或调节电动机的转速。而我们转子是接，因为转子y 接相电 流相对较大，i ：l a 接大4 3 倍，因此在同样耗铜量下，使转子电密，温升较大有些超 标，故采用接。 2 绕组节距： 考虑到我单位嵌线技术水平和吊把难度，定子线圈跨距由类似产品的1 1 6 改为 1 - 1 5 ，将在后面详细阐述。 3 绕组并联支路数和每槽导体数： 对大型高压绕线式电机定子，在同样耗铜量下，一般感应电动势较大，进而绕组 电流相应较大，因我们开发的4 0 0 0 k w 电机额定电压为6 k v ，绕组电流相应较大， 如果采用单支路绕组会带来温升较高，因为双层绕组的并联支路数最多为2 p ，因该 电机p 即极对数为1 ，为此我们设计并联支路数为2 。而转子绕组为避免极i 日j 接线过 多，并联支路数一般取1 。而每槽导体数z 。应为整数，对定子绕组可按选定的气隙 磁密估算绕组每相串联导体数： z 。：篓坠型( 3 - 4 ) 知2 瓦瓦了万 k 。是满载电动势与额定相电压比值，般为0 8 5 0 9 5 ，u d 为定子相电压，膏。 为定予基波绕鲴因数可用计算机求出，c p 为极距f ，= ，d 2 p d 为定子冲片内杼，为 1 7 山东大学硕士掌位论文 铁心有效长度，b 。为气隙磁通密度幅值( t ) ，f 为频率，而每槽导体数： 7m s a s z 博 2 专 ( 3 5 ) 珐为定子槽数，为并联支路数，m 。为相数，经计算z $ 定为2 。而转子根据转子 开路电压设计每槽导体数z 口r ，大型绕线式转子一般取z 口r 为2 。 4 绕组导线规格和并绕根数： 由选定的定、转子电密或热负荷，根据公式： 如= 击 6 ， 可求出导线截面积4 。，进而求出定、转子绕组导线规格及根数，经计算定、转 子电密分别为2 8 2f i m m 2 和5 3 7a r a m 2 ，定、转子热负荷a 1 j 1 和a 2 j 2 分别为1 6 1 2 和2 6 3 2 ，都在正常范围内，由此我们确定定、转子线规分别为2 5 x 8 、2 - 3 1 5 2 2 4 ， 并绕根数分别为4 和2 ，定、转子匝数分别为6 和1 。 5 电磁计算的其他计算：关于电磁计算还有气隙磁场和磁路计算；电感和电抗计 算；损耗和效率计算等，在后面第5 、6 两节进行研究。 3 2 大型高速绕线式三相异步电动机结构设计 电机的结构设计是根掘电机的使用要求、技术条件以及电磁设计所确定的有关数 据，确定电机的机械结构、零部件尺寸，材料的规格、性能及加工要求，结构设计过 程还包括电机通风温升、振动噪声等计算，这部分内容因篇幅问题在此文中将不做涉 及。我们单位开发的大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动机考虑到电机 的安装和运行情况，为与被拖动发电机转子直联，中心高确定为8 8 0 m m ，结构形式 为i m t 7 3 1 1 即双座式轴承带底架结构，如图3 1 所示，主要由定子、转子、座式轴承、 底架等几大部分组成。 一、轴承 因为我们设计的大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型6 k v 绕线式三相异步电动机转子较 长( 达4 1 8 0 m m ) ，挠度大转速高并承受一定轴向冲击载荷，故轴承采用座式球面滑 动轴承，如图3 2 所示。根据所受负载和转子轴径以及标准化、系列化、通用化要求， 山东大学硕士学位论文 图3 1 大型高速y r k 4 0 0 0 2 1 4 3 0 型绕线式三相异步电动机外型图 中心高设计为6 3 0 m m ，轴瓦尺寸设计为2 0 0 2 0 0 ，选用1 2 0 0 0 k w 发电机座式轴 承结构形式，考虑到电机启动，运行过程中的轴向蹿动，电动机轴径两端设计了止推 面，对其套筒轴承及挡油板进行了结构和尺寸调整。轴瓦间隙单边为o 0 5 5 ，0 1 4 1 m m ， 总装时顶部间隙0 2 5 0 3 m m ，符合标准要求，球面宽度1 2 0 m m ，为0 6 d p ( d p = 2 0 0 n u n ) ，润滑采用压力循环润滑油，牌号为l t s a 3 2 ( 即老2 0 号) 防锈汽轮机油，每 个轴承 图3 2 座式轴承( 带绝缘层非传动端) 所需油量4 5 l m i n ，进油温度1 5 4 0 。c ，供油压力4 9 k p a ( 约o 5 工程大气压) ，轴承 不承受任何外加的径、轴向负荷。为防止轴承出现不正常运行状态并及时作出处理， 在轴承出油口装有监测轴承出油温度的带电接点w s s x 一4 1 1 ( 0 - 1 0 0 ) 双会属温度计 和窥视小窗，并预留带遥测功能双支p t l 0 0 轴瓦测温接口，提高了电机使用的安全性 和自动化水平。为防止轴电流造成的危害，在非传动端的轴承座下加装绝缘挚，轴承 座的固定螺钉也套上绝缘套管。 山东大学硕士掌位论文 二、定子 定子是由定子铁心、机座、定子绕组、冷却系统等组成，主要结构形式有两种， 全封闭式和开启式，大型电机一般采用开启定子结构，我们的结构形式如图3 3 所示。 1 一定子绕组2 密封橡皮条3 一定子压圈4 定子铁心5 通风槽板6 机座 7 支撑板8