YD 280-2/4/12三速電機電磁設計

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

YD 280-2/4/12三速電機電磁設計

劉衛星

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

對三速電機的電磁設計進行了研究，利用電機設計原理設計出了符合性能標準的設計方案，并生產樣機，進行實驗驗證。同時，也對實驗樣機進行了有限元仿真分析，分析其電磁和機械性能，深層次地探究樣機性能，驗證了樣機能夠在三種速度狀態下，可靠的運行，證明了該設計方案切實可行。

三速電機；雙繞組；電磁設計

0 引言

在工農業生產中，為了提髙生產率和產品質量，或為了節能，常要求電動機的轉速能夠調節，稱此類型的電機為變速電機。

1 電機技術要求

YD 280-2/4/12 125/125/40kW，額定參數具體見表1。

表1 YD 280-2/4/12 125/125/40kW額定參數表

本文針對YD 280-2/4/12 125/125/40kW雙繞組三速電機的電磁設計進行了研究，利用三相感應電動機設計原理，對雙繞組三速電機進行電磁手算設計，設計了三速電機三種工作狀態下的電機主要尺寸，并進行有限元仿真。并設計和制造了試驗樣機，進行電磁和機械性能的實驗驗證。

2 電磁計算

2.1 繞組設計

三速電動機的繞組設計通常有兩種方案：一種為有一套繞組通過變換外部接線獲得三種轉速的單繞組三速電動機；也用兩套繞組再通過變換外部接線獲得三種轉速的雙繞組三速電動機，可由一個倍極比雙速單繞組加一個普通單繞組組成，也可由一個非倍極比雙速單繞組加一個普通單速繞組組成。

單繞組三速電動機隨可通過一套繞組變換接線實現，但由于出線頭較多，接線變換復雜以及各種極數下功率難以完美照顧等原因一般工程上不予采用，實際產品也以雙繞組三速電動機為主。

以電動機為工程實例，型號為YD 280-2/4/12 125/125/40kW的三速電動機，其中2p和4p功率一致，與12p相差三倍。對于這種三速電動機設計，優先考慮采用雙繞組設計，這也是本文論述的重點。目前該方案采用的是12p單繞組放置在槽口，2p、4p采用單繞組雙速在槽底。

2.2 定子槽數的選擇

當采用較多的定子槽數時，可以獲得較好的磁勢波形，諧波磁場減小，諧波漏抗減小，附加損耗減低，槽中線圈邊總散熱面積增加，有利于散熱；但絕緣材料用量和加工工時增加，槽利用率降低。因此，槽數的選擇應考慮多方面因素。在定子鐵心內、外徑、長度已經確定的情況下，槽數的多少應使得鐵心齒磁密，軛磁密，槽內導體電流密度都比較合適，而每極每相槽數q值既不過多，也不少于 2。q可在 2～6 間選取，且盡量選取整數。但在電機的系列設計中，有時為了兩種極數的電機通常用同一種沖片，q可能出現分數值。對于極數少，功率大的電機，q值可取較大值。根據前面的分析，我們盡可能把不同極數時的每極每相槽數選為整數槽，且都為對稱繞組，故對于2/4/12p雙繞組三速異步電機，選定子槽數為 72槽較為合適。

2.3 轉子槽數的選擇

當選定了定子槽數Z1以后，鼠籠轉子的槽數將受到定子槽數的約束，轉子槽數Z2必須Z1與有一個適當的配合，即通常所謂的槽配合。如果槽配合不適當，則會使電動機的性能變壞。例如出現起動困難；發生電磁噪音、振動現象；附加損耗變大，效率降低，溫升增高等。多速電動機對定、轉子槽配合要求比單速電動機高。各極下一般都應滿足如下，定、轉子槽配合關系。

為避免徑向振動和噪聲應滿足

為避免啟動時的“死點”和“低速潛行”應滿足

對于雙繞組三速異步電機來說，定、轉子槽配合必須兼顧三種極對數，使三種極對數下的繞組磁勢諧波都較少。其定、轉子槽配合和所選繞組方案、節距以及其他因素有關，設計中務必抓住主要矛盾。槽配合的具體數據需要對既定繞組作出諧波磁勢分析并通過實驗而確定。根據電機設計手冊及現有產品方案，綜合考慮，暫選轉子槽數為 63槽較為合適。

2.4 轉子籠條材質

因該電機對起動性能有特殊要求，為滿足性能需求，現將轉子導條、端環材料采用鋁錳合金，保證電機的起動性能滿足要求。

2.5 電磁負荷及磁密的選擇

根據電機的通風結構及實際工程需要，將電動機各部分磁密限定范圍選取如下：電機定子齒部≤15500GS、軛部磁密≤15000GS，轉子齒部、軛部磁密≤17000GS，齒部最窄處磁密≤18000GS。

2.6 電磁計算結果

通過分析結合電機設計程序計算可得三速電動機YD 280-2/4/12 125/125/40kW的設計參數如下表2；定子槽型、轉子槽型見圖1；設計結果見表3。

表2 電動機的設計參數

圖1 定子槽型、轉子槽型

3 Ansoft仿真分析

根據前面的計算結果，利用Ansoft進行仿真分析計算。將設計的三個不同參數的模塊導入至Maxwell2D有限元模塊中，軟件將自動生成三個二維電機模型。在設置完電機的激勵和邊界條件后，進行計算分析。三種不同工作極數狀態下的模型在0.2s時的磁感應強度分布圖2所示。

圖2 YD 280-2p、4p、12p的磁感應強度分布

電機的氣隙中磁場的分布直接影響著電機的電磁性能，氣隙磁密分布見圖3。

圖3 YD 280-2p、4p、12p的氣隙磁密分布

從圖3看出電機YD 280-2/4/12 125/125/40kW氣隙中磁場的分布良好，具有良好的電磁性能。

圖4為電機的瞬態電磁轉矩曲線，電機的瞬態三相電流曲線如圖5所示。

圖4 YD 280-2p、4p、12p的瞬態電磁轉矩曲線

圖5 YD 280-2p、4p、12p瞬態三相電流曲線

由圖4可知，電機2p和4p時電機運行平穩，電機為12p時，電機轉矩波動較大，諧波含量較多。由圖5可知電機電三相流成正弦對稱分布，可以保證電機在三種工作轉態下穩定運行。

4 試驗數據對比

根據相關標準對兩臺三速異步電動機進行了試驗。下面將電機型式試驗結果中主要性能參數與電機設計值及標準值進行對比，見表4、表5、表6。

表4 2p試驗數據對比

表5 4p試驗數據對比

通過對實驗數據與計算數據的對比可知，實驗結果與電磁計算結果基本一致，滿足規范要求。

表6 12p試驗數據對比

5 結語

本文對雙繞組三速電機的進行電磁設計，同時進行了有限元仿真分析，分析其電磁和機械性能，并對樣機方案進行生產制造，進行實驗驗證。證明樣機能夠在三種速度狀態下，安全可靠的運行，滿足規范要求。

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ElectromagneticDesignofYD280-2/4/12Three-SpeedMotor

LiuWeixing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Electromagnetic design of three-speed motor is researched. The design scheme which meets performance standards is given based on design principle of motor, and the sample motor is produced and experimentally verified. Meanwhile, finite-element simulation analysis is carried out on the experimental sample motor, electromagnetic and mechanical performances are analyzed, and performance of sample motor is deeply researched. It is proved that the sample motor can reliably operate at three speeds.

Three-speed motor；double wound；electromagnetic design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.03

TM302

A

1008-7281(2017)06-0008-004

劉衛星男1972年生；畢業于哈爾濱理工大學，現從事電機設計工作.

2017-07-20