定轉子槽配合對高壓異步電動機溫升的影響

程雪玲，吳泰，馬硯芳

(江蘇清江電機制造有限公司，江蘇223005)

0 引言

如何選擇合適的定、轉子槽配合來獲取電機滿意的性能參數，一直是各電機制造廠非常關注的事情。據資料介紹美國某公司轉子槽數(Q2)一般少于定子槽數(Q1)，即Q2＜Q1，且Q2=0.6～0.75Q1。而德國公司則采用轉子槽數大于定子槽數的槽配合，即1≤(Q2/Q1)≤1.25。國內電機行業一般也會參照這些原則來確定具體產品的定轉子槽數。但在實際生產過程中，廠家因槽配合選擇不當而導致電機產生高溫現象也時有發生。本文主要闡述定轉子槽配合對高壓鼠籠型異步電動機的溫升影響及處理方法。

1 實例介紹

實例1:某工廠曾為客戶制造過近200 臺YKK 系列大中型高壓鼠籠型異步電動機，機座號包含H450、H500、H560、H630、H710，其中H560及以下機座號皆為鑄鋁轉子結鉤。電機采用空-空冷徑向通風方式。因之前有過磁性槽楔脫落、松動故障，故該批電機沒有采用磁性槽楔。雖然設計時熱負荷取得很低，設計溫升低于65K，但電機運行不到6 個月，已有60 多臺電機因高溫問題返廠處理。這些電機使用的槽配合見表1。

從表1 可以看出:采用少槽配合的電機溫升都合格，而溫升過高的電機都采用了多槽配合。

對比電機出廠前做過的型式試驗報告，發現溫升高的電機鐵損試驗值比設計值均大于20%左右。尤其異常的是有些電機型式試驗溫升沒有超過80K，可在用戶處運行時電機溫度卻隨時間的推移不斷攀升，繞組測溫元件PT100 的測試值甚至超過150℃(設定保護值)而導致電機跳閘。

實例2:2011 年試制的1 臺NEMA 電機，型號NEG5010-4 315kW 6kV。設計槽配合為48/58，電機定轉子內外圓尺寸(通常稱之三圓尺寸)分別為:560mm、327mm、110mm。在廠內做型式試驗，電機鐵損7.79kW，占額定功率2.47%，溫升高達96K。

實例3:最近制造的一臺YKK560-6 1 120kW 6kV 的電機，采用徑向通風方式，選用的槽配合也為72/86，定轉子內外徑分別為950/660/423，第一次采用凸形槽的鑄鋁轉子，雖然定子采用了磁性槽楔，但是電機的溫升還是嚴重超標，負載試驗5 個多小時，PT100 測量的溫度已到160℃，溫升102K，電機溫升還沒有穩定下來。

2 原因分析

2.1 定、轉子槽配合對電機附加損耗的影響

異步電機的附加損耗主要由氣隙諧波磁通引起。這些諧波磁通在定、轉子鐵心中產生高頻鐵耗(表面損耗和齒部脈振損耗)，在鼠籠轉子中產生高頻電流損耗(包括斜槽轉子的橫向電流損耗)。其中以定、轉子齒諧波磁通的作用最為顯著。

當定、轉子槽數很接近時，轉子齒頂的寬度將十分接近定子齒諧波的波長，因此轉子齒中由定子齒諧波磁通引起的脈振較小，脈振損耗也很小。同樣，定子齒中由轉子齒諧波磁通引起的脈振損耗也較小。因此，選擇異步電機的槽配合，從減少附加損耗出發，定轉子槽數應盡量接近，但不能相等，因為這會產生同步附加轉矩，使電機無法起動。

采用多槽轉子，轉子中的諧波損耗雖然比少槽轉子有所增加，但因轉子齒諧波幅值減小，它在定子齒中產生的脈振損耗也隨之減小，因此總的附加損耗與采用少槽的差不多。但對于斜槽鑄鋁轉子，由于導條間由橫向電流引起的損耗較大，而且隨著槽數的增加而迅速增大，轉子側的附加損耗比定子側的大很多。因此在斜槽鑄鋁轉子電機中，一般都采用少槽-近槽配合，即定轉子槽數接近，且轉子槽數略小于定子槽數。

當定子為開口槽或半開口槽、轉子為直槽鑄鋁轉子時，如轉子槽數多于定子槽數，會使空載附加損耗增加，因此最好也采用少槽-近槽配合。

美國某公司電機的設計特點:一是采用少槽配合;二是采用徑向通風結構。少槽配合可以減小空載附加損耗;定子槽數多一方面可以提高定子齒諧波的級次，有利于降低附加損耗，另一方面還增加了定子線圈總的散熱面積，可以彌補轉子徑向通風道風壓小、風量不足的缺點，從而降低電機的溫升。

實例1 為6kV、10kV 中型高壓電機，徑向通風結構。溫升不合格的鑄鋁轉子電機定子槽全部為開口槽，轉子為直槽，且采用多槽配合，因此電機的附加損耗高，從而引起電機過熱。

2.2 定、轉子多槽配合對轉子風路的影響

選用多槽配合的電機還可能存在一個嚴重缺陷，就是轉子齒部間距小，通風槽管占據的面積大，管間距離太小，影響通風散熱。尤其對于采用徑向通風(見圖1)的多極數電機，影響更為嚴重。因此采用多槽配合，務必仔細校核轉子槽齒間距。通常兩通風槽管之間最小距離必須大于5mm。實例2 和實例3 則主要是受轉子風道被堵、風路不暢的影響。我們將電機頂部的空-空冷卻器移去，空載運行電機，用風速儀從電機頂部測試定子通風道口風速，結果發現風速幾乎為零。典型的空-空冷徑向通風結構圖見圖1。

圖1 徑向通風結構圖

實例2 電機NEG5010-4 315kW 6kV 轉子通風槽板兩通風槽管間最小間隙只有2mm，鑄鋁時有漏鋁將之間間隙填滿，很難清理出來。由于該電機采用徑向通風，電機徑向風扇裝轉子兩側，冷風從機座兩端進，從機座中間出。轉子通風槽片無法將轉子鐵心中的熱量通過通風槽管扇出來，因此造成電機高溫(見圖2)。

圖2 NEG5010 轉子通風槽板

實例2 電機重做鑄鋁轉子，槽配合改用48/38，即轉子槽數由58 槽減少到38 槽，適當加大轉子槽截面積，保持轉子鋁條總體積不低于之前。經過整改后電機鐵損下降了1.83kW，溫升下降到77.8K。

實例3 電機YKK560-6 1120kW 6kV 拆去冷卻器，抽出轉子檢查，情況與實例2 非常相似。經分析發現，因采用了多槽配合，鑄鋁轉子通風慒管間間隙太小(2.5mm，見圖3)，將風道堵塞，使風路不暢。后更換了銅條轉子，雖然還是相同的槽數，但由于取消了通風槽管，轉子齒部間距最小值已達12.2mm，轉子通風槽片扇出的熱風可以通過通風槽片與銅條間的間隙扇出，經過定子鐵心的通風道吹向機座上端的冷卻器，風路暢通。電機溫升降到52.7K，鐵耗下降8.1kW，效率增加0.8%。由此可以看出，對于銅條轉子電機，因過轉子鐵心的通風面積擴大了數倍，則受多槽配合的影響較小。

圖3 YKK560-6 6kV 銅條轉子通風槽板

3 降低電機溫升的方法

3.1 采用磁性槽楔，可以降低電機溫升10K 左右。使用磁性槽楔不僅可以降低電機的表面附加損耗，降低電機溫升，還可降低電機的成本，提升產品的市場競爭力。但如果磁性槽楔選材不當或固定不良，就會引起松動、脫落，導致定轉子內磨、電機燒毀等嚴重故障。為此，采用新的高強度導磁板加工制造的磁性槽楔，并將定子槽層間、槽楔下面的墊條材料由以前的層壓板3240、3241 更換為熱膨脹板。新材料、新工藝使用以來，未出現槽楔脫落現象，有效地解決了磁性槽楔松動、脫落這一困擾很多電機廠家的難題。

3.2 轉子采用閉口槽，也可以達到減少表面附加損耗的效果。但閉口槽鑄鋁轉子質量比較難于控制，因為轉子如有錯片、細條等缺陷，目視法無法檢測出來。

3.3 適當加大氣隙，也是廠家常常采用的一個降低溫升的非常方便且效果顯著的辦法。這種方法既可以降低電機表面附加損耗，提高電機效率，又可以改善電機的通風。其缺點是會加大空載電流，降低電機的功率因數。

3.4 對于YKK 系列電機，可以更換空-空冷卻器，適當加大冷卻器的換熱容量(因鐵損加大，原設計的容量不能滿足要求)，適當加大外風扇的直徑和換熱管的數量。如客戶條件許可，可以將電機的冷卻方式由IC611 改為IC616。

3.5 對于鑄鋁轉子電機，在保持定子槽數不變的情況下，選用合適的少槽配合轉子槽數，重做鑄鋁轉子鐵心予以更換，效果顯著，成本增加不多。

3.6 在定轉子槽數不變的情況下，將鑄鋁轉子更換為銅條焊接轉子，可以達到更佳的降溫效果，但成本會增加很多。

實例中問題電機通過采用以上幾種方法進行返工，電機的溫升全部降到80K 以下，合格出廠。

4 推薦使用的槽配合

根據電機的研發制造經驗，并結合國內外電機行業的資料介紹，推薦以下行之有效的鼠籠型電機槽配合(見表2)。

表2 推薦使用的槽配合

由圖5 可知，錦屏二級研發項目負曲率導葉設計成果，最優轉角時頭部速度矢量均勻分布梯度合理，幾乎達到無撞擊來流。截面流線表明，導葉翼型繞流異常平順，無分離渦流等現象發生，有益于導葉水力性能的提高。

根據水輪機效率對比試驗結果，兩種翼型導葉水輪機模型最優效率比較如圖6 所示。

綜上所述，負曲率導葉具有更小的水力損失和更為理想的水流流態，試驗結果也表明，使用負曲率導葉水輪機水力效率得到較為明顯的提升。

3 結語

由于高水頭混流式水輪機流量小、水力損失大、小開度區運行等缺點，這對活動導葉的水力設計提出了嚴格的要求。負曲率導葉特殊的翼型特征，在改善小轉角時頭部繞流、降低小開度區水力損失、提高高水頭混流式水輪機效率水平等方面具有顯著作用，更適用于高水頭大容量混流式水輪機的研發。負曲率導葉應用于我國錦屏二級高水頭大容量混流式水輪機研發項目中，其顯著的技術優勢在工程實踐中得到了成功的驗證，可為我國未來雅魯藏布江流域規劃建設的大批量高水頭大容量混流式水輪機的水力研發提供借鑒。

［1］ 程良駿.水輪機［M］.北京:機械工業出版社，1981.10.

［2］ 張樂福，陳元林，張亮.錦屏二級電站水輪機水力優化設計［J］.大電機技術，2008.