二極異步電動機轉子設計與研究

黃麗芹++劉思偉

摘 要：本文討論了二極異步電動機轉子設計與研究，圍繞著設計過程中主要旋轉部件進行了分析研究，為今后二極異步電動機的設計積累了經驗。

關鍵詞：二極異步電動機;撓度; 臨界轉速;軸流風扇;振動

一、二極異步電動機設計分析過程

該產品采用箱式焊接結構，座式滑動軸承，具有外形美觀，噪聲低、振動小，高效節能，運行穩定，安裝、維護方便等優點。電動機繞組絕緣結構所采用的材料在電機溫升作用下，其絕緣性能將逐漸變壞，而當溫度升高到一定程度時，絕緣材料的絕緣特性會被迅速破壞，最后甚至失去絕緣能力。因此，為了獲得經濟的使用壽命，該電機的定子線圈絕緣采用F級絕緣，提高了整個電機的絕緣水平，有利于延長電機的使用壽命。YKS630-2 2500kW 6kV異步電動機額定轉速為2990 r /min，轉差率為0.45%。對于如此高轉速的異步電動機，其轉子結構機械設計要求很高，如何滿足這一要求成為設計的關鍵所在。

（一）轉子結構設計

轉軸是電機中最重要的零部件之一，二極高速電機的轉軸設計更是非常重要。在轉子設計中，為了滿足高轉速下機械強度的要求，并改善異步電動機的特性，轉子材質一般為45號鍛鋼（見圖1） ，并且為了有足夠的強度、剛度還要作正火、回火、或調質等一系列的熱處理。另外個別截面要有足夠的強度，在正常負載及規定的特殊情況下（如突然短路等） ，轉軸不能產生殘余變形或損壞。轉軸的撓度必須在電機氣隙的10%范圍內，還有臨界轉速與工作轉速間應有足夠的差值，以免發生共振。下面就撓度和臨界轉速的計算作詳細說明。

（二）撓度計算

計算轉軸撓度，不外乎采用兩種方法：作圖法及分析法。作圖法，需要制作轉軸的彈性線，從彈性線上按照某種尺寸比例，可以得出任何一點的撓度，此法準確度很高，但應用此法會耗費大量時間。實際上通常只需知道轉子鐵心安放位置上中點的轉軸撓度即已足夠。計算這一點撓度的最簡易方法是分析法。該方法花費時間少，還可避免可能的誤差，現在已經用計算機來完成此操作，所以在電機設計轉軸計算時，分析法得到了廣泛應用。下以YKS630-2 2500kW 6kV電機為例做簡要計算：

①電樞（轉子）重量，G1（不包括鐵芯段的軸重）

G1=867.7kg

軸的重量：Q=768kg

②有效鐵芯長度：L=83.93cm

③轉子外徑：D=51.2cm

④單邊平均氣隙：б=0.4cm

⑤軸在b點的柔度系數

式中：E-拉壓彈性系數，此軸的材質為45鍛鋼，故E=2.1×106kg/cm2

Kab ——左半軸的彈性系數

Kcb ——右半軸的彈性系數;

用以下公式計算

其中：Xi—圖4中所標尺寸X1， X2等;

Ji —每段軸的慣性矩

⑥磁拉力剛度

式中：δ—單邊平均氣隙

D —轉子外徑

L —有效鐵心長度

Bδ—氣隙磁密

⑦初始單邊磁拉力

P0=k0e0=10122 x 0.04=405kg ? ? e0=0.1δ

⑧由重量G1引起的b點撓度

⑨單邊磁拉力引起軸在b點的撓度

⑩軸在b點的總撓度

占氣隙百分數

（三） 轉軸的臨界轉速

除了對軸的撓度計算外，還應對電機轉子固有振動特性進行分析，即主要計算轉軸的臨界轉速，軸自已橫向振動的周率不應與轉子旋轉軸速度一致。一般情況下，僅考慮單邊磁拉力作用于轉軸，有一個負荷在鐵心中部時的影響。其臨界速度可表示為：

在普通電動機的設計中，按照機械計算公式，當轉軸的撓度小于氣隙的10%時，臨界轉速一般都能高出額定轉速的30%， 這樣的軸， 稱之為剛性軸。而對于二極異步電動機，也有采用柔性軸（即一階臨界轉速低于額定轉速）。本文所述電動機也采用了剛性軸的設計理念，使其一階臨界轉速高出額定轉速的30%。

（四）轉子沖片的設計

一般4極及4以上的電動機在軸上焊接輻板，一來可以降低電機的成本，二來輻板可以起到風扇的作用能夠加強電機的冷卻效果，但是二極電機由于轉子沖片的內徑較小，對轉軸的強度要求又很高，所以二極電機不安裝輻板，而是在轉子沖片上加工通風孔（圖2），使通風孔疊壓后形成的管道與轉子的通風槽管連通，靠通風槽管旋轉來冷卻電機，由于二極電機的轉速較高，其冷卻的效果也可以滿足電機的要求。

二、轉子風扇的設計

由于二極電機轉子外徑小，轉速高，風扇一般選用軸流風扇，軸流風扇的特點是效率高、噪音低，氣體通過軸流風扇時一般不改變運動方向，正好與轉子通風槽管形成的“離心風扇”形成串聯風扇，能夠加強電機的冷卻效果。以前我公司電機的轉子平衡環設計的位置是在風扇與鐵芯只間，雖然在平衡環上也加工了通風孔，但是由于其高速旋轉，風扇與通風槽管形成的風路遭到破壞，影響了電機的冷卻效果，而且會產生較大的噪聲，現將平衡環設計在風扇的外側，即加強了電機的冷卻效果又降低了噪聲。已設計的異步電動機已經在客戶處投入使用，得到一致好評，在機械強度、電氣性能等方面均未出現異常現象其運行安全、可靠、穩定。

三、結語

綜上所述，通過以上設計電機轉子可以有效的降低電機振動的概率，但是引起二極電動機振動原因是多方面的，我們在設計時要注意以上的幾點注意事項，并且嚴把機械加工和裝配，控制各個工序，就可以在源頭消除振動，可以大大地減少由于電動機振動帶來損失。

參考文獻：

[1]徐建國.大型高速電機軸向振動的分析和處理[J].電機技術，2013（4）：38-39.