異步電動機設計策略初探

洪君山

(泉州泉風電機有限公司，福建泉州362000)

1 異步電動機的基本尺寸的確定

異步電動機輸出功率大小決定于定子內徑大小的平方和鐵心疊長的乘積，即

在電動機的功率P、極對數p確定以后，定子的外徑D1、疊長L也基本確定(一般按中心高選取標準沖裁尺寸，也可以在體積不受限制時，向上一個機座號選取D1，以減少L)。其中，定子內徑Di的選取非常關鍵。通常是根據現成沖片的尺寸，憑經驗選取。首先，某些基本條件是一定要滿足的，如溫升、效率、功率因數、起動性能和過載能力等均不能低于標準規定值，且要有一定的余量，以防大批量制造時由于工藝過程產生的下偏差而造成不合格品。

定子內徑Di的選取常采取三種辦法：

(1)按中心高選取標準沖裁尺寸后，以現成沖片選取Di，然后通過電磁計算確定L及其它參數。這種做法在耗材、力能指標等方面不可能有大的突破。

(2)在體積不受限制情況下，可向上一個機座號選取D1、Di，然后通過電磁計算確定L及其它參數。這種做法有可能減少耗材和小量提高效率，因為L減少了，在定子槽內的電磁線減短了，電磁線的總長減少而減少了電阻，從而減少銅耗;同理，轉子鋁耗也有所減少，故效率有小量提高。這一做法對于需要減小軸向尺寸的電機，效果比較理想。

(3)按中心高選取標準沖裁尺寸后，通過電磁計算合理確定Di、L及其他參數。由于對電機的各種參數進行精心安排和選取，所以可以在材耗減少和力能指標提高有較大幅度的突破。

2 異步電動機電磁計算參數的選取

第一種方法效果不顯著，第二種方法是第三種方法的一種簡單做法，弄清楚第三種方法就能掌握第二種方法，故本文著重敘述第三種方法。在電磁計算前應對額定參數進行假設。

(1)確定異步電動機的軸功率P(不一定按功率等級系列選，應按實際軸功率)、極對數p。額定電壓U、頻率f等參數，按電機的使用電源參數選取。

(2)額定起動轉矩倍數TST、額定最大轉矩倍數Tm。TST、Tm的確定一般按同功率等級標準選取，但對于一些特別用途的電機，如風機、水泵、砂輪機等，一般對TST要求較低，但對Tm要求較高，可按具體設計對象的要求酌情選取。起動電流倍數IST一般按標準選取。

(3)確定效率η，可選高于標準1.5～3%。

(4)確定功率因數cos φ，可選取高于標準4%～5%。

(5)定子外圓D1一般按同功率等級的機座號標準套裁的沖裁尺寸選用。當然，如果外形有特殊要求，亦可選用向上或向下一個沖裁尺寸。

(6)定子內圓Di的選取是整個設計的關鍵。如果按照巳有系列尺寸選用，雖然簡單，即使你花大力氣進行優化，在節約耗材和節能方面也不會有太大的突破。特別是一些特殊用途的電機，更是不能令人滿意。

依經驗，此參數可按系列同極數尺寸與下一極數尺寸平均值選取。例如單相YC－2電機中心高90 mm，標準D1=145 mm，Di1=77 mm，下一極數4，Di2=87 mm，故Di=82 mm。有時，由于現成轉子壓鑄模具為80，且產品數量有限，為降低開發成本，即可選80。又例如DO256－2，中心高56，D1=90 mm，Di1=48 mm，下一級極數4，Di2=54 mm，故Di=51 mm，但經計算，取53 mm，效果非常顯著。

(7)定、轉子鐵心疊長L一般按同功率等級疊長減少12% ～15%選取，電磁計算有一定結果后，再最后確定。對于沒有參考尺寸時，可以用公式：

式中：參數均為設定值，1－εL為滿載電勢系數，0.72～0.91，KS為磁飽和系數，1.05 ～1.35，KE為端壓降系數，0.76 ～0.85，A 為線負荷，N 為同步轉速，Bδ為氣隙磁密，0.4～0.65 T，計算結果取整或按所使用硅鋼片厚度的倍數選用。

(9)氣隙長度δ可按中心高系列所采用的氣隙長度選用，可按工藝條件及精度要求選用，氣隙長度是個非常敏感的參數，會直接影響效率和功率因數的高低，對最大轉矩、噪聲也有影響。也可按C.G.維諾特的經驗公式:確定。

(10)基本參數確定后，就可進行定、轉子開槽計算。

(a)定、轉子槽數Q1、Q2的確定，一般可按國家系列同型號的槽配合選用，如按減少噪聲、振動、起動性能(單相電機)、諧波等條件，在齒寬沖裁允許的情況下，可增加槽數選用。

(b)轉子開槽，可按原選用型號轉子槽面積定，或可稍加長和加寬，Di加大后，轉子齒距增大，轉子軛部也增長，故轉子槽面積可適當增大，以減少鋁耗。可采用平行齒的梨形槽，以利于沖裁模具的制造和使用壽命。同時齒寬可較大些，以減少齒磁密。

(c)定子開槽，由于Di增大，定子齒距也增大，故定子槽可做成寬扁型，寬扁的槽形，槽漏磁導相對要小些，對減少漏抗有利。且面積可少13% ～18%，這可使定子軛部加長，補償因增加Di引起軛部的減少;一般設計成平行齒梨形槽，這有利于沖裁和定子繞組散熱，且槽有效面積較高，可選大齒寬，減小磁密，也減少了齒部磁耗。軛部有效長度CL1、CL2可比選用型號軛部稍小15% ～20%，這可減少軛磁耗。

3 電磁計算

3.1 定子繞組的計算

根據 Q1、Q2確定每極槽數 QP1、QP2，并計算定、轉子槽面積 S1、S2。

繞組匝數的確定三相每相串聯導體數：

式中：Sδ為 氣 隙 每 極 截 面 積，Sδ= τpLδ=;τp為極矩;Bδ為氣隙磁密，0.4 ～0.65 T;KW為繞組系數。

單相每極串聯導體數：

式中：α為極弧系數;fB為波形系數;Kym為主繞組系數(根據選用正弦繞組確定)。

繞組的結構盡可能安排三相選用上、下層雙層繞組;單相選用正弦繞組，主、副繞組可安排上、下層的同槽結構。目的是盡量減少諧波份量、電磁噪聲和增加起動能力，但應核算槽滿率。對微小電機(100 W以下)只能采用單層或集中繞組，但因對起動有高要求，特別是2極單相電機，還是盡量采用正弦繞組，更能保證運行可靠。

根據繞組電流選取電磁線的線徑。由于Di增大，且定、轉子齒寬增大，所以，繞組總導體數可減少，又效率和功率因數都會增加，因此激磁電流和額定電流均會減少，故繞組線徑可適當減小，電密一般可取 7.5 ～8.2 A/mm2，以進一步減少銅材。

槽絕緣一般總厚度應選用0.17～0.3 mm。

根據以上計算和選用每極槽數、正弦繞組各槽分配百分比，確定各槽導體數，然后計算各槽的槽滿率。總槽滿率應控制在68% ～76%之間，太滿會造成嵌線困難，太松對繞組散熱不利。

計算繞組半匝長Lm。繞組端部長，在不影響繞組跨度和整形的情況下，應盡可能減短，減小半匝長，以減小電阻，且也減小了繞組端部漏抗。

計算繞組總電阻分定子相電阻和主繞組電阻。

3.2 電磁計算

電磁計算的關鍵在于調整各部尺寸，使電密適當，各部磁通密度均衡，氣隙磁密最好在0.68 T以下，齒磁密在1.55 T以下，軛磁密在1.45 T以下。當然，斷續負載的電機可根據負載情況適當放寬。

電磁計算已為大家熟知，本文不再贅述。

4 實 例

2005年為泉風電機公司設計的一臺微型軸流風機QA22090電機，由于軸流風機要求軸向尺寸小，效率高，溫升低，其軸功率 P=40 W，p=2，U=220 V，f=50 Hz。如果選用DO25022定、轉子沖片，定子尺寸：D1=80 mm，Di=44 mm，L=45 mm，即使將L減小，軸向尺寸也不能滿足要求。故加大外徑至90 mm，然后按第三種方案設計定、轉子沖片，并確定疊長L。按DO25612電機定子內徑為48，把它擴至53 mm，通過電磁計算、模具制造、工藝加工制造和經省中心檢驗所檢測。現把新設計電機與DO25022，AO25622電機作全面比較，性能比較如表1所示，材耗比較如表2所示。優化后的電機特性曲線如圖1所示。

圖1 MS曲線

表1 性能比較

表2 材料消耗比較

HS－1 5612電機改繞組后用于一微型齒輪變速電機M100。由于性能高于客戶提供樣機，特別是力能指標高5.6%，客戶非常滿意。

2008年5 月為本公司主產品風機QA20060電機定、轉子沖片改造，原電機定子外徑81 mm，內徑40 mm，疊長30 mm。重新設計后，外徑81，內徑42 mm，疊長25 mm。風機風葉不變，負載不變。由于內徑增大，長度減小，繞組匝數減少，半匝長減小，電阻減少，效率提高，負載轉速略有增加，因此風量也增加了。矽鋼片節約16.7%，電磁線節約12%。該風機每年產量12萬臺套以上，經濟效益顯著。

從以上表格和數據可以看出，通過第三種方案設計，實例電機在材耗減少的情況下，電機性能不但沒有下降，反而有一定的提高，特別是力能指標的提高。HS－3 5622三相電機由于用作卷簾門電機，需要高起動力矩，故轉子電阻取大些(轉子端環做得小些)，所以該電機起動轉矩達到4倍，最大轉矩達到2.9倍，額定電流大一點，功率因數和額定轉速小一些。

從電機的溫升看，新設計的電機都在30 K以下，在節材方面還有相當潛力。

［1］ 施斌耀.單相電動機電磁計算程序［M］.中小型電機技術情報，1981.

［2］ 陳世坤.電機設計［M］.西安：西安交大出版社，1982.

［3］ 程福秀，林金銘.現代電機設計［M］.北京：機械工業出版社，1993.