降低雙速屏蔽電動機起動阻轉故障的電磁設計風險分析

左占庫

（大連四方電泵有限公司，遼寧 大連 116045）

0 引言

電動機電磁性能分為兩大類別，一類屬功效性性能，如效率、功率因數、電流；另一類屬功能性性能，如起動轉矩T（包括堵轉轉矩Tst、最小轉矩Tmin和最大轉矩Tmax）、熱負荷A、Δ等。因為電動機起動轉矩的大小直接關系到能否順利地拖動負載進入正常工作狀態，而熱負荷大小直接關系到電動機的熱壽命及因過熱引起的故障。如果電動機的起動轉矩和熱負荷的裕度足夠大，電動機即使是在超過原規定的額定負載下長期運行也是安全可靠的。功效性性能的高低不會造成嚴重影響，因此本文不做分析。熱負荷雖然對電機影響較大，但易控制，只要參照普通同類電動機的設計即可，因此本文也不做分析，本文僅就會造成嚴重影響又不好把握的起動轉矩T（起）進行分析，通過與已使用運行的180kW2P/15kW6P雙速屏蔽電動機（以后簡稱樣機）進行對比，提高280kW2P/45kW4P雙速屏蔽電動機（以后簡稱產品）的可靠性，避免電動機發生啟動阻轉故障。

1 控制最小轉矩Tmin

雖然電動機的最小轉矩Tmin無法計算，但在電磁設計時可以采取措施進行控制，這些控制措施經同類電動機試驗驗證是有效的，使最小轉矩對電動機順利啟動的不利影響降至最小。

1.1 合理選擇定轉子配合槽數

電動機定轉子槽數配合如果選擇不好，可導致最小轉矩突降，導致電動機無法啟動或產生很大的振動、噪聲。本次我們選用定子槽36槽、轉子28槽的配合，此配合是國內外電機專家普遍推薦使用在兩極和四極感應電動機上的，并且此配合槽數在我公司設計生產的多個機座號屏蔽電動機上已有實際應用，轉子不采用斜槽，效果較好，在中心高為180～250 mm的Y系列兩極三相異步電動機、中心高為100～160 mm的Y2系列四極三相異步電動機中均采用此配合。

1.2 采用短距和整數槽的分布繞組

產品中280kW2P和45kW4P的定子繞組均為雙層疊繞式，均可通過分布、短距措施，大大消弱磁場中高次諧波給電動機起動轉矩波形T=f（s）造成的不利影響，也限制了最小轉矩Tmin值的減少。

1）產品中280kW2P定子繞組的短距比β=0.722 222，與中心高180～250的Y系列、Y2系列兩極電動機以及樣機中180kW2P屏蔽電動機的定子繞組短距比相同。經計算5次諧波和7次諧波的繞組系數分別為Kdp5=Kd5×Kp5=0.113 1和Kdp7=Kd7×Kp7=0.144 734 4，兩項數值與樣機中180 kW2P屏蔽電動機相同，與整節距集中定子繞組對比，其5次諧波和7次諧波的幅值可分別削減88.69%和85.53%。

2）產品中45kW4P定子繞組的短距比β=y/τ=8÷9=0.888 889，5次諧波和7次諧波的繞組系數分別為Kdp5=0.139 85和Kdp7=0.060 66，此三項數值均與中心高315 mm的Y系列8極普通三相異步電動機相同，與整節距集中定子繞組對比，其5次諧波和7次諧波的幅值可分別削減86.02%和93.93%，因為7次諧波磁勢力矩在同步轉速n1的1/7處有一個最低值，使電動機起動轉矩波形T=f（s）在n1/7（約214 r/min）處突然下陷，產生的不利影響要大于5次諧波磁勢力矩。

1.3 適當增大氣隙長度

增加氣隙長度，對削弱附加力矩，改善T=f（s）波形的作用明顯，同時也減少了電機中的附加損耗。但增加氣隙長度會使電機的勵磁電流加大，cosφ變壞。產品的單邊氣隙長度為3.2 mm，一方面為了進一步改善T=f（s）波形，提高該電動機的起動和運行的安全可靠性，另一方面為減小一次循環水流道阻力，增加一次循環水的流量，增加冷卻電動機和潤滑軸承的效果，有助于降低該電動機的熱負荷，從而全面提高該電動機電磁性能的安全可靠性。此項措施是在犧牲功效性性能確保功能性性能，當兩者產生矛盾時應該把安全可靠地起動和運行放在首位。

1.4 嚴格控制定轉子的槽口寬度bo 1、bo 2尺寸

產品的定子槽口寬度bo1=4mm，轉子槽口寬bo2=2mm，與一般電動機對比，該電動機選用bo1=4 mm是偏小的，因為該電動機不僅容量較大，而且每個定子槽內要安置4個線圈邊，4種規格的槽絕緣，較一般雙層定子繞組電機增加了一倍。選取較小的定子槽口寬度主要目的是為了減小由于槽口氣隙磁導變化較大引起的齒諧波。根據齒諧波產生的機理可知，當定轉子槽的槽口寬度越小，氣隙長度越大時，齒諧波越小。該電動機氣隙長度約為同規格一般電動機的2倍，再加之選用的定轉子槽配合Q1/Q2=36/28，對280kW2P和45kW4P均較理想，可以大大地削弱齒諧波勢磁場及其產生的同步附加力矩，從而可以大大改善該電動機的起動力矩T=（fs）波形，有效地限制了最小轉矩的減小。

我公司多年設計生產各種屏蔽電動機的實踐證明，對于氣隙長度較大的屏蔽電動機而言，如果雙層疊繞式定子繞組的節距和定轉子槽配合的選擇合理，其起動轉矩的T=（fs）波形均較正常、理想，沒有必要再將轉子鐵心制成斜槽或再額外加大氣隙長度。

2 低速45kW4P的起動轉矩T值的安全可靠性

對于雙繞組雙速電動機而言，通常在低速小功率時起動更易出現起動不順暢的問題，所以如何在該電動機設計時，設法提高和改善45kW4P的T=f（s）波形是提高該電動機電磁性能安全可靠性的關鍵。

1）樣機中15kW6P電動機的相關情況及參數值如下：定子繞組為單層鏈式（在電氣上相當于全節距繞組），每圈6匝，沒有發生起動阻轉故障，為提高功率因數cosφ，改為每圈7匝，其他相關參數值如下：堵轉轉矩Tst=1.72倍，最大轉矩TM=2.95倍，堵轉轉矩的標么值KTst=Tst（倍數值）/Tst（基值）=1.72÷1.4=1.228 6，最大轉矩的標么值 KTM=TM（倍數值）/TM（基值）=2.95÷1.4=1.639。

注：阻轉轉矩的基值Tst（基值）和最大轉矩的基值TM（基值），分別為GB/T 21210-2007《單速三相籠型感應電動機起動性能》中的T1和Tb值（以下同）。

2）產品中45kW4P電動機相關的參數值如下：堵轉轉矩Tst=1.82倍，最大轉矩TM=3.36倍，堵轉轉矩的標么值KTst=Tst（倍數值）/Tst（基值）=1.82÷1.2=1.517，最大轉矩的標么值 KTM=TM（倍數值）/TM（基值）=3.36÷1.8=1.866。

3）樣機在轉速n由0（轉差率S=1）至額定轉速nN（轉差率SN=（n1-nN）/n1）的帶載起動過程中，負載需要樣機供給的牽引力矩T=f（s）是比較大的，與產品拖動狀況相似，所以兩者有可比性。

4）樣機的轉子為插紫銅條刀形轉子槽，產品的轉子為插H62黃銅條（其電阻系數為紫銅的3.7倍）長圓形轉子槽，銅條材質和轉子槽形狀改變后，T=f（s）曲線形狀好得多——即使在兩個方案的Tst和TM值相等的條件下，后者明顯比前者的最小轉矩Tmin值大，總的牽引力矩要大，這種情況尤其在兩個方案的低速電機對比上表現得更為突出，因為樣機中15kW6P電動機的定子繞組為單層，無法采用短距措施削弱有5次諧波和7次諧波磁場產生的附加異步力矩。

5）在同類但不同規格電動機的堵轉轉矩Tst、最小轉矩Tmin、最大轉矩TM值上的大小對比上，不應該用其倍數值，而應該用其標么值。由JB/T8158-1999可知，同類同極數的感應電動機，功率越大者要求其Tst、Tmin、TM值的最低限值越小，同類但不同功率不同極數的電動機轉矩的大小也可進行對比，例如以45kW4P與15kW6P為例，就堵轉轉矩Tst值要求的最低而言，45kW4P規定其Tst≥1.2即合格，而15kW6P規定其Tst≥1.4才合格。所以該電動機與93A-180kW2P/15kW6P電動機阻轉轉矩和最大轉矩的大小對比時，應該用標么值KTst（Tst（倍數值）/Tst（基值））和 KTM（TM（倍數值）/TM（基值））進行對比。由以上敘述可知，只要產品的KTst、KTM不低于樣機的KTst、KTM值，其最小轉矩的標么值KTmin（Tmin（倍數值）/Tmin（基值））肯定高于樣機——即該電動機的起動轉矩T值均不低于樣機的T值。

注：GB/T 21210-2007《單速三相籠型感應電動機起動性能》嚴格地說并不適用于該電動機，不適用是其規定的Tst、Tmin、TM的具體數值上需做相應地調整，而在同類屏蔽電動機不同規格的Tst、Tmin、TM值的大小對比的方式上是適用的。

6）雙繞組雙速屏蔽電動機及其拖動負載的結構零部件尺寸的大小，主要由其中的高速大功率的屏蔽電動機拖動的負載決定，同時還要兼顧滿足低速小功率時的性能，在結構尺寸上做適當的調整。也就是說，低速小功率屏蔽電動機在起動過程中，它要拖動的負載、轉子、軸承摩擦副等轉動件，基本都是按高速大功率、大容量的參數設計制成的，比獨立的同規格低速小功率屏蔽電泵要大得多，所以要求其Tst、Tmin、TM也比獨立的同規格低速小功率屏蔽電動機大得多，高速比低速的功率大得越多，對低速小功率的起動轉矩要求的越高，樣機中180kW2P的功率為15kW6P功率的12倍，而產品中的280kW2P的功率為45kW4P功率的6.2倍，兩者相差近一倍，即使再考慮兩者的低速極數比為6:4也計入在內時，兩者間仍有28.6%相差，再加上所述原因，產品中45kW4P的KTst=1.517和KTM=1.866，比樣機中15kW6P的KTst=1.228 6和KTM=1.639分別大23.47%和132.85%，所以更能順利起動。

3 高速280kW2P的起動轉矩T（起）值的安全可靠性

1）樣機中180kW2P和15kW6P電動機，均發生過起動阻轉故障，但180kW2P比15kW6P發生啟動堵轉故障的程度要輕，頻率要少。樣機的啟動轉矩和最大轉矩的倍數值和標么值分別如下（下標1為180kW2P數值，下標2為 15kW6P）：Tst1=0.81 倍，Tst2=1.48 倍；TM1=1.99 倍，TM2=2.89 倍 ；KTst1=0.81÷0.8=1.0125，KTst2=1.48÷1.4=1.0571；KTM1=1.99÷1.7=1.1706，KTM2=2.89÷1.8=1.606。

2）樣機中15kW6P電動機定子繞組為單層，每圈6匝時未發生阻轉故障，改為每圈7匝后就發生了起動阻轉故障，而且其阻轉狀況比180kW2P要嚴重些，未發生起動堵轉和發生起動堵轉的15kW6P電動機，前后兩種狀態下的堵轉轉矩和最大轉矩的比值分別為Tst（前）/Tst（后）=1.72÷1.48=1.162，TM（前）/TM（后）=2.95÷2.89=1.0208，由此推算出，樣機中180kW2P電動機的堵轉轉矩和最大轉矩，也按15kW6P電動機前后的增大比值增大后，也不會發生起動堵轉故障（經如此這般折算后不再發生起動阻轉的180kW2P的參數在其右上方加“′”標志），折算后的參 數 值 ：Tst′=0.81×1.162=0.941 倍 ，TM′=1.99 ×1.020 8=2.031倍，同理也可對其他參數值進行折算如下：KTst′=0.941/0.8=1.176，KTM′=2.031÷1.7=1.195，η′=0.76×57÷60=0.722，cosφ′=0.901×0.319÷0.401=0.719。

3）只要該電動機中280kW2P電動機的堵轉轉矩標么值KTst=1.29和最大轉矩標么值KTM=1.255，分別不小于KTst′=1.176 和 KTM′=1.195，就不會發生起動阻轉故障，所以產品中280kW2P電動機的起動轉矩T值是足夠的，是安全可靠的。

4 結論

通過以上對比分析，產品的啟動性能得以保證，規避了起動阻轉故障風險，提高了產品的可靠性。

［1］ 上海電器科學研究所.中小型三相異步電動機電磁計算程序［M］.上海：上海電器科學研究所，1971.

［2］ GB/T 21210-2007 單速三相籠型感應電動機起動性能［S］.

［3］ 陳世坤.電機設計（修訂本）［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［4］ 上海電器科學研究所《中小型電機設計手冊》編寫組.中小型電機設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1994.