四速電動機的設計與制造

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

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四速電動機的設計與制造

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

介紹了中心高為315mm，極數為4/8/16/32的船用四速電動機，其定子繞組采用兩套獨立變極繞組，轉子為鼠籠結構。并介紹了四速電動機在設計與制造過程的焦點，闡述了環流的分析及單層繞組變極方法的應用，并且在實踐樣機制造過程中得到驗證。

四速電動機；繞組系數；環流

0 引言

我公司制造了一臺非標四速船用鼠籠轉子電機，該電機中心高315mm，額定功率148/74/37/17kW，額定電壓440V，額定頻率60Hz，極數為4/8/16/32p，防護等級IP56，絕緣等級F級，冷卻方式為IC71(電機機座兩端各開一個窗口，其中一個為進風口，一個為出風口)，安裝方式IM1001。

該電機用于船廠的起重機主起升工作平臺，其工作制按S2-60min/45min/30min/15min進行考核。電機要求帶繞組和軸承測溫裝置。該電機屬于原起重機構上進口原型電機的備件電機，要求全壓運行時4極的起動電流低于1500A。本文主要從電磁設計、結構設計、試驗注意事項等方面介紹了該四速電機。

1 電磁設計

我公司參照了客戶提供的原型電機的外部控制方式：起升時，按從低速向高速逐極切換；下降時，按從高速向低速逐極切換。并且4/8p為一套繞組，當4p觸點通電運行時，8p觸點短接，另外兩個極數斷電。16/32p為另一套繞組，當16p觸點通電運行時，32p觸點短接，另外兩個極數斷電。

由此可見，該電動機是將兩套相互獨立的繞組嵌入同一個定子鐵心的槽中，根據實際運行控制時通電順序的不同，就會產生工作繞組和休息繞組的區別(注：當4/8p繞組通電的時候，沒有給電的另一套16/32p繞組則是休息繞組，反之亦然)。當工作繞組中通電時，由于電磁感應的作用電機氣隙中將產生旋轉的磁場。旋轉的磁場不僅在鼠籠轉子的導條中產生感應電動勢，而且根據變壓器原理也會在休息繞組的定子線圈中產生感應電動勢。如果該休息繞組本身已構成閉合回路，并且回路中感應電動勢不能互相抵消，則非工作繞組中會產生環流。環流的疊加影響將導致工作繞組的電流急劇增加，影響工作繞組的正常運行，嚴重的還將因迅速過熱而導致繞組和絕緣燒毀。

所以，對于雙繞組多速電動機，我們要使繞組聯接的每條支路中感應電勢互相抵消，使其合成電勢為0而不能形成環流，進而杜絕環流對電機運行過程產生傷害。

當繞組接法為1路三角形聯接時，由于三相合成電勢為零，不會產生環流；對1路星形聯接時，由于三相繞組未形成閉合回路，也不會產生環流。因此，雙繞組多速電動機在1路連接時不會產生環流。但是對于多路并聯，從星形相位圖來判斷，當并聯每支路的感應電勢矢量為零或閉合回路的感應電勢合成矢量為零，即：當一個矢量或多個矢量的合成矢量與另一個矢量或多個矢量的合成矢量，其相位差為180°×(2n-1)時，應相互串聯；當相位差為360°×n時，應相互并聯，其繞組均為正常工作。因此，雙繞組雙速電動機的設計中，對于多路接法，必須對每支路電勢進行分析。防止定子繞組產生環流，影響電動機的正常運行[1]。

這臺四速電機的4/8p和16/32p繞組接法均為2Y/△，所以需要分析4/8p繞組通電時16p繞組內部的環流和16/32p繞組通電時4p繞組內部的環流。根據參考文獻[1]中所介紹的方法對2Y聯接的支路電勢進行分析，上述兩種通電的情況下，在休息繞組的閉合回路中感應電勢合成矢量為零，所以休息繞組內部均無環流產生，可以按照2Y/△的聯接方式進行接線。

該電機采用96/72的定轉子槽配合，16/32p繞組跨距為y=3(1-4)，當采用雙層繞組變極方案或者單層繞組變極方案時的定子內部線圈連接分別如下面圖1和圖2。

圖1 雙層繞組變極方案

圖2 單層繞組變極方案

16p和32p的槽號相位圖見圖3和圖4。

圖3 16p槽號相位圖

圖4 32p槽號相位圖

由此，我們可以計算出采用不同變極方案時16p和32p繞組的各項系數。

表1 16p和32p繞組各項系數

將上表中數據進行對比可知，采用單層繞組變極時，16p和32p的繞組系數均有不同程度的提高(尤其32p的提高更為明顯)，這對提高繞組利用率、改善電機性能均是有益的，而且單層繞組可以減小繞組之間的層間絕緣，提高定子槽利用率；線圈組數少，繞線工效高，工人勞動強度小。所以樣機制造時我們最終采用的是單層繞組變極方案。

根據以往的制造經驗，4p和8p電機的效率和功率因數一般比較高，相對而言16p和32p電機低速運行時的效率和功率因數值均比較低，電機的空載電流和運行電流均很大，電機短時間連續運行(一般控制在5min以內)就會發熱很嚴重。而這臺四速電機的16p和32p工作制均要求按S2-30min/15min來進行考核，需要對這低速極的設計特別注意，要想辦法降低磁場飽和程度，降低運行電流和空載電流，減少損耗。所以在電磁設計時將這臺四速電機16/32p的氣隙磁密Bδ取值均控制在5500～6000高斯以內。而4/8p的氣隙磁密Bδ取值均控制在6000～6500高斯以內。

在電機制造嵌線時是將4/8p繞組放在槽下半部，16/32p繞組放置在槽上半部，所以電磁設計時4/8p需要控制定轉子的軛部磁密，而16/32p需要控制定轉子的齒部磁密，我們在設計時將這兩部分的磁密控制在13500～15000高斯之間。同時還需要考慮繞組放置在不同位置時漏抗的變化(槽口部分磁通少，漏抗小；槽底部分磁通多，漏抗大)。

由于電機是用于起升機構，同時客戶要求全壓運行時4p的起動電流低于1500A。所以需要在保證電機起動轉矩的同時控制電機的起動電流。為了保證有足夠大的轉矩，轉子電阻值不能太小，所以轉子導條的材料可以采用黃銅或者鋁錳合金。而鼠籠型轉子感應電機在起動時，轉子導條里會產生集膚效應現象，集膚效應使槽內導體有效高度減小，因而電阻增加，槽漏抗減小。利用集膚效應可以改善籠型轉子感應電動機的起動性能，提高起動轉矩，降低起動電流[2]。因此綜合考慮，轉子結構為鑄鋁轉子，轉子槽型為既能降低起動電流又能提高起動轉矩的凸形槽。同時采用斜槽結構，以便削弱5次和7次諧波對電機運行的影響。

通過優化設計，4p起動電流的設計值約為1420A，轉矩設計值方面4/8p的起動轉矩約為2倍，最大轉矩倍數約2.5倍。16/32p的起動轉矩約為1.5倍，最大轉矩倍數約2倍。

2 結構設計

電機的冷卻方式為IC71，外部管道系統的冷空氣是從電機機座一端的進風口進入，帶走電機內部的熱空氣從機座另一端的出風排出形成冷熱交換，從而使電機的繞組和鐵心等部件的溫升狀況保持穩定在一個合理的范圍。所以在進行結構設計時對于通風回路的設計要加以考慮，盡可能增加定子鐵心與機座聯接之間支撐筋的徑向高度，減小支撐筋的寬度，支撐筋四邊倒圓角減少風阻。轉子采用帶6根輻筋的轉軸結構，這樣相對于帶通風孔的結構可以有更大的軸向通風面積。輻筋的型材采用圓鋼，同樣也可以使風阻更小。

前文已經提到電機繞組為兩套獨立繞組，16/32p繞組位于定子槽的上部靠近槽口位置，而4/8p繞組則位于下部靠近槽底位置。所以在進行定子線圈繞線模設計時，需要根據每套繞組在槽內的占比，合理計算定子線圈的跨距和半匝長，上部線圈尺寸要比電磁設計單數據縮小，而底部線圈尺寸要比電磁設計單數據加大。所以，16/32p定子線圈的總長要比4/8p繞組短20mm左右。通過這些措施的處理可以使定子線圈貼合更緊密，有效地提高電機槽滿率。

另外，需要按照GB/T 7060—2008《船用旋轉電機基本技術要求》中的相關規定對電機主材(鑄件、軸料、緊固件等)認真選擇，并做好繞組處理和表面涂覆。單獨地，對于IP56的防護等級要求還應該進行特殊處理如下。

(1)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環形溝槽，先在溝槽內均勻涂抹厭氧型密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位。

(2)出線盒座配套金屬出線套的螺紋外側均勻涂抹厭氧型密封膠后旋緊固定到位。

(3)增加一個迷宮式甩水環在骨架油封前端，甩水環內孔與軸之間為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進行軸向定位；

(4)軸承內蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯接螺栓上增加硅膠O形密封圈；

(5)適量增加端蓋與機座之間、軸承內外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯接螺栓數量。以這臺船用四速電機為例，其出線盒座蓋之間的聯接螺栓數量就有12顆[3]。

3 試驗注意事項

由于國內工廠一般只有380V/50Hz的工頻電源，所以當440V/60Hz的電機進行試驗時一般是采用變頻電源來供電。受變頻電源諧波和變頻器線路損耗的影響，測試數據可能會比實際工況運行時的數據略有偏高。建議在變頻電源的輸出側與待測試電機之間增加專門的濾波電路，以吸收變頻電源輸出電流中的高次諧波電流成份，盡量降低變頻器的干擾。

對于16p和32p兩個極數下電機的功率因數和效率值均很低，盡管兩個極數的功率相對較小，但是其空載電流和運行電流數值均很大，電機運行時總損耗也大，所以必須嚴格控制這兩個極數熱試驗的測試時間。電機通電起動后要加快加載速度，盡可能減少空轉時間，降低空載損耗的影響，當測試周期一到立馬斷電停機，迅速測量繞組熱態阻值。

根據S2工作制-短時工作制的定義：“在恒定負載下按給定的時間運行，電機在該時間內不足以達到熱穩定，隨之停機和斷能，其時間足以使電機再度冷卻到與冷卻介質之差在2K以內”[3]。所以在進行四個速度S2工作制下的熱試驗時，要嚴格控制每個極數運行的間隔時間，當一個極數熱試驗做完后必須要等繞組的溫度降到與室溫相差2℃～3℃時才能進行另一個極數的熱試驗。

電機裝配完工后，在進行主要性能參數測試和熱試驗之前，先對其通電進行空轉。用電壓表分別測量了空轉情況下4/8p繞組通電時16p接線端的感應電壓，以及16/32p繞組通電時4p接線端的感應電壓。這兩種情況下用電壓表測到的數值均可忽略不計，說明電機正常工作時內部無環流產生。

最終測量結果，除了32p的起動轉矩倍數為1.4倍，最大轉矩倍數為1.8倍，與設計值有點偏差外，其他參數的測量值均與設計值比較吻合。按照S2工作制下不同的時間要求分別進行熱試驗，4個極數的定子繞組溫升為102K(4p)/53K(8p)/83K(16p)/92K(32p)，溫升值均在標準范圍內。后續機型的優化過程中，可以通過增加定子鐵心徑向通風道的方式來改善定子繞組的溫升狀況，進一步提高電機的可靠性和使用壽命。

4結語

本文論述的重點是四速電機在設計過程中采取合理的措施避免和消除環流的影響、選用單層繞組變極方案、磁路和槽型的布置。同時論述了在結構設計和試驗方法運行方面四速電機區別于普通單速電機的不同之處。只有結合了現場工況的實際需要，從整體上對四速電機進行設計和優化，才能獲得最貼切實際的運行性能。

[1] 程友明，王澤威.隔爆型雙繞組雙速電動機繞組環流分析.電氣防爆,2014.3.

[2] 陳世坤.電機設計(第2版).北京：機械工業出版社，1982.

[3] 唐慶華.淺談船用起重用繞線轉子電動機的設計與制造.防爆電機,2015.5.

[4] GB 755—2008旋轉電機.定額和性能.

Design and Manufacture of Four-Speed Motor

TangQinghua

(Electric Motor Factory of China Changjiang Shipping Group, Wuhan 430205, China)

This paper introduces a marine four-speed motor with frame size of 315mm and pole number of 4/8/16/32. Its stator adopts two sets of independent pole-changing windings, and rotor is of squirrel-cage structure. This paper introduces focuses of the motor in design and manufacturing, and expounds the analysis of circulating current and the pole-changing application of single-layer windings. They have been verified in manufacturing process of practical model.

Four speed motor；winding factor；circulating current

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.05

TM302

A

1008-7281(2016)06-0014-004

唐慶華 男 1976年生；畢業于湖南工程學院，現從事電機設計及技術管理工作.

2016-03-21