高壓電機氣隙長度與轉子損耗的關系初探

邢建賓， 吳艷紅

(1.雙龍集團上海防爆電機鹽城有限公司，江蘇 鹽城 224000；(2.上海電機系統節能工程技術研究有限公司，上海 200063)

0 引 言

一般情況下高壓三相異步電動機定子采用平行槽。即開口槽，槽形寬度較大，與轉子齒距相對比較接近。在運行中容易在轉子齒中形成較大幅度的脈振磁通量，造成轉子的脈振損耗增大，損壞轉子或燒毀軸承。本文通過實例說明氣隙長度在減小轉子損耗、降低轉子溫度的作用。同時，提出脈振振幅、定子槽寬、氣隙長度、轉子齒距之間的對應關系式和轉子脈振損耗的計算式，列舉了部分產品的氣隙長度計算值與圖紙標注的對照表。

1 實例說明

在電機設計中，雜散損耗一般以0.005倍的額定功率來估算，所以通過設計程序的計算結果無法充分說明電機質量的優劣。

某廠生產高壓礦用防爆電機YBQ2-4501-4P 10 kV 220 kW IP6X一臺拖動潛水泵。負載試驗時多次發生燒毀軸承的問題。經測溫試紙測量，電機運行3 h時定子鐵心溫度60 ℃，轉子表面溫度140 ℃，軸承內蓋處溫度120 ℃。分析原因為轉子溫度高和軸承溫升疊加，使軸承溫度過高被燒毀。該電機的電磁方案和損耗情況如表1、表2所示。

表1 電磁負荷及主要性能參數計算值

表2 電機的各種損耗計算值 kW

由表1、表2可知，該電機的電磁負荷較低，性能指標比較合理，各種損耗符合常規設計范圍，電機性能較好。后將轉子氣隙長度由2.5 mm放大到3.5 mm。再次經測溫試紙測量，電機運行3小時時定子鐵心溫度55 ℃，轉子表面溫度65 ℃，軸承內蓋處溫度50 ℃，電機故障被排除。

從上述實例的設計計算值可說明，各項指標正常，電機的定轉子氣隙長度對降低轉子損耗、降低轉子溫度有舉足輕重的作用。

2 定轉子參數和氣隙長度的關系

根據電機設計理論可知，定轉子的雜散損耗除了表面損耗以外還有定轉子齒中的脈振損耗。表面損耗與定子的極距τ有關，極距與定子諧波波長相比要大得多，所以表面損耗存在于轉子表面的淺層，對轉子損耗的影響較小。而脈振損耗與定轉子的齒距有關，齒距與諧波波長比較接近，所以脈振損耗是轉子損耗的主要成分。由于定轉子有齒、槽和氣隙的存在，如果定轉子設計不當，會使脈振損耗表現突出，造成很大影響。

轉子槽寬度和定子齒距往往不一致，使定轉子在運行中，齒部產生脈振磁通量。定子齒部脈振磁通密度的振幅如下：

(1)

(2)

式中：Bp1——定子齒部脈振磁通密度的振幅；

Bt1——定子齒部磁通密度；

δ——氣隙長度；

t1——定子齒距；

b02——轉子槽形寬度。

定子槽寬度和轉子齒距往往也不一致，轉子齒部脈振磁通密度的振幅為

(3)

(4)

式中：Bp2——轉子齒部脈振磁通密度的振幅；

Bt2——轉子齒部磁通密度；

δ——氣隙長度；

t2——轉子齒距；

b01——定子槽形寬度。

由于轉子槽形寬度較小，定子齒距較大，兩者比例關系較遠，所以一般定子齒部脈振磁通密度的振幅較小，對轉子影響很小。而定子槽形寬度較大，轉子齒距也較大，兩者比例關系接近，轉子脈振磁通振幅較大。

對轉子而言，要使脈振損耗降低，則需要使脈振振幅降低，變換式(3)得

(5)

將式(4)代入式(5)，得

(6)

令k2=BP2/BT2，代入式(6)，得

(7)

k2——轉子齒部脈振磁通密度振幅與轉子齒部磁通密度的比值。

k2反應了脈振磁通附加的比例，減小這個幅度將有利于減小轉子齒部的脈振損耗。它的存在也可以理解為：調整定子槽形寬度和轉子齒距的比例關系，進而取得合適的氣隙長度使轉子脈振損耗最小化。通常k2的值在0.1～0.15，也即說明：當轉子齒部脈振磁通密度振幅小于轉子齒部磁通密度的10%～15%時，定子槽寬、轉子齒距、氣隙長度之間形成的比例關系才是適當的。小功率、多極數、轉子開口槽時k2取大值，大功率、少極數、轉子閉口槽時k2取小值，Y2系列電機結構緊湊、效率高，k2值取小值，普通Y系列由于電機內部空間寬敞，k2值取大值。式(7)表達了定轉子參數b01、t2與氣隙長度δ通過k2相聯系的密切關系。在電機產品設計時，在獲得較好電磁性能的同時，應兼顧四者的關系，才可以取得質量滿意的產品。

3 轉子脈振損耗與定轉子參數和氣隙長度的關系

轉子齒部脈振損耗的表達式為

Pp2=0.07(z1nBp2)2Gi2×10-6

(8)

式中：z1——定子槽數；

N——電機額定轉速；

Gi2——轉子齒部的質量。

將式(6)以等式形式代入(8)得

(9)

式(9)表明：在轉速、定子槽數一定的情況下，減小定子槽形寬度、增大轉子齒距、增大氣隙長度、降低轉子齒部磁密、減小轉子齒部質量均可減小轉子的脈振損耗，這些因素的調整依據是式(7)、式(9)和相關計算單或試驗值。

4 結 語

經過上述論述可知，定子槽寬、轉子齒距、氣隙長度之間有著重要的關聯性，定子內徑、槽配合、定子槽寬、氣隙長度選擇是否協調妥當，關系著電機質量的優劣。部分產品的氣隙長度依據式(7)計算所得與圖紙標注氣隙長度的對照表如表3所示。表明式(7)是可靠、有效的。建議電機設計時先設定k2為0.1～0.15，然后由此調整定轉子槽配合、定子槽形寬度和氣隙長度完善設計方案，定轉子槽配合選擇時注意避免選用產生較大電磁噪聲和其他缺陷的槽配合。

表3 計算得氣隙長度與圖紙標注氣隙長度對照表

【參考文獻】

[1] 陳世坤. 電機設計修訂本[M]. 北京：機械工業出版社，1990