基于同步電機阻尼繞組技術創新的研究

鳳 發

（廣西恒達電機科技有限公司，廣西 來賓546100）

0 引言

阻尼繞組是由若干個阻尼環形成，是同步電機轉子中必不可少的一部分。原有的阻尼繞組采用鍛造銅板材料切削加工而成，加工復雜、制作成本高、加工周期長、散熱差。電機運轉時存在離心力（電機旋轉時產生的）與熱應力（電機運行中由阻尼繞組電流變化引起的發熱），兩種破壞力疊加在阻尼繞組上。由于原有傳統設計的同步電機阻尼繞組因結構設計缺陷，易出現受熱、松動、故障等問題，容易導致金屬疲勞斷裂。尤其是鋼鐵、水泥、鋁業等大型企業因同步電機阻尼繞組故障而導致停機的現象較多，影響企業的正常生產，由此造成的經濟損失十分嚴重。

1 同步電機存在的問題

同步電動機屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。

由于同步電機可以通過調節勵磁電流使它在超前功率因數下運行，有利于改善電網的功率因數，因此，大型設備，如大型鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機等，常用同步電動機驅動。低速的大型設備采用同步電動機時，這一優點尤為突出。此外，同步電動機的轉速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機的轉速也就一定，它不隨負載而變。這一特點在某些傳動系統，特別是多機同步傳動系統和精密調速穩速系統中具有重要意義。同步電動機的系統運行穩定性也比較高。同步電動機一般是在過載狀態下運行，其過載能力比相應的異步電動機大。異步電動機的轉矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉矩決定于電壓和電機勵磁電流所產生的內電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當電網電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機轉矩往往下降為64%左右，并因帶不動負載而停止運轉；而同步電動機的轉矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩定運行。

多年來，針對我國80%以上的電機產品因電動機及被拖動設備運行效率低，電動機、風機、泵等設備陳舊落后，電機系統運行效率比國外先進水平的電機低2% ～5%，設備長期低負荷運行。國家一直積極推進工業領域重點行業能效提升工程，推進電機、內燃機系統能效提升及變壓器等高耗能通用設備改造，鼓勵在電機系統實施永磁同步伺服電機、高壓變頻調速等技術改造，積極發展高效電機、內燃機。因此，我國在提高電機系統運行效率、系統節能管理方面有著巨大需求。

在電機技術改造過程中，同步電機均存在一個關鍵問題，即用于穩定和緩和同步電機工作過程中電機速度變化平穩性的阻尼繞組容易產生斷裂和變形，影響同步電機的正常運行和使用壽命。且同步電機速度在頻繁變化時，阻尼繞組也需要頻繁改變電流的大小，使電機速度緩和穩定。由于頻繁的大電流會使阻尼繞組產生較大的熱量，在熱量變化過程中使阻尼繞組材質發生性變，產生熱應力疲勞而影響材料強度。因此，同步電機阻尼繞組在運行過程中產生的疲勞斷裂，嚴重影響著電機的運行效率，使得電機運行效率降低10%左右。

同步電機的阻尼繞組在電機運行過程中起到一個緩沖和穩定的作用。每當電動機的轉速發生變化時，阻尼繞組的電流也隨之變化，以期速度趨向穩定。當同步電機運行啟動運轉時，阻尼繞組中的電流大，繞組的發熱變形最為嚴重。當然，電動機運行中速度變化頻繁時，阻尼繞組中的電流變化也大，發熱量俱升，阻尼繞組的變形也隨之加重[1-2]。這種變形除了阻尼繞組受旋轉速度變化帶來的變形外，主要是受熱應力的作用后的斷裂和變形。因此，在同步電機運行中埋下了隱患，導致了設備故障。

2 同步電機阻尼繞組的技術創新

為解決該技術難題，廣西恒達電機科技有限公司技術團隊通過十余年來處理同步電動機阻尼繞組的故障，逐步摸索出同步電動機阻尼繞組設計理念和結構布置存在的缺陷，提出了一個新的設計理念，其目的是解決同步電動機阻尼繞組存在的斷裂和變形等缺陷。

2.1 同步電機阻尼繞組結構設計

同步電機轉子阻尼繞組由若干個阻尼環形成，在結構上相當于在轉子勵磁繞組外疊加一個短路環，其作用隨轉子同步轉動，對電機的動態穩定起調節作用。電機正常運行時，由于定轉子磁場是同步旋轉的，因此阻尼繞組沒有切割磁感線磁通量，也沒有感應電流。當電機出現轉速低于定子磁場的轉速時，阻尼繞組切割定子磁通產生感應電流，感應電流在阻尼繞組上產生的力矩使轉子加速，二者轉速差距越大，則此力矩越大，加速效應越強。因此，阻尼繞組對電機運行的動態穩定有良好的調節作用[3]。

本設計是將原有同步電機運轉時存在的離心力與熱應力兩種破壞力疊加在阻尼繞組上，改為允許阻尼繞組弧形結構有限的形變，采用吸收與抵消破壞力的措施，提高整體阻尼繞組的使用壽命。

具體結構如圖1 所示[4]。

圖1 同步電機阻尼繞組結構圖

同步電機轉子上由若干個阻尼環形成的阻尼繞組，包括轉子1、極相組線圈2 和極相組鐵芯5，阻尼繞組4 安裝在極相組鐵芯的兩端，轉子的外周均勻設有極相組線圈，每一個相組線圈的中間部位均有極相組鐵芯；阻尼繞組包括若干個阻尼環和若干個導電桿，極相組鐵芯兩端的側壁上均勻設有一排弧形布置的固定孔6，阻尼環3 與固定孔相匹配呈弧形狀。每一個極相組鐵芯的兩端外分別各設有一個阻尼環，在阻尼環的兩端相對彎曲的設有圓弧狀的連接部分7，阻尼環通過連接部分首尾相連后形成一個封閉的環形狀，并且連接部分的拐角處于相鄰兩個極相組線圈正中間；導電桿的一端連接阻尼環的外表面，導電桿的另外一端固定到固定孔內形成與固定孔相匹配的弧形結構。

2.2 同步電機阻尼繞組技術原理

本技術原理是將每個磁極的阻尼環制作成半圓環形狀，并將半圓環形狀的兩端分別固定在轉子本體上。當電機旋轉時，在每個磁極上的離心力F 的反向，必然有一個與其方向相反的拉力F’，這個力起到了限制乃至抵消離心力的作用。如果電動機反向旋轉時，在阻尼環的另一端同樣也會形成另一個與F力相反的拉力F’。

如圖2 所示，f1 和f2 表示軸向熱變形力，F 表示A 點的離心力，F1 表示A 點的法向力，F2 表示A點的切向力，F 表示A 點的反向拉力。阻尼環斷裂的原因是電機運行中由阻尼繞組電流變化引起的發熱導致阻尼環的軸向變形，同時，電機旋轉時產生的離心力F 加速阻尼環的變形和金屬疲勞斷裂。

圖2 阻尼繞組的受力分析圖

通過技術創新的阻尼繞組由兩端弧形連接部分組成，可以吸收和釋放破壞力，并且將原阻尼繞組的離心力與熱應力兩種破壞力改為允許有限的形變，通過吸收與抵消的措施來求得一個平衡，創造一個平穩的運行環境。最終使得阻尼繞組的弧形結構有良好的抗變形強度，可減少電機在正反轉時所產生法向力F1 和切向力F2 對阻尼繞組金屬疲勞的破壞。

同樣，當電機的電流增大，阻尼繞組的變形只能沿軸向延伸，因為阻尼繞組布置在極相組表層的固定孔中，不可能徑向移動。阻尼繞組直接固定在若干個連接部分，增加了阻尼繞組的強度。電流大引起的熱變形率大致相當，因為兩者的載流量也是有一定的比例，但電流密度是相似的。

3 創新效果

本項技術創新解決了同步電機轉子阻尼繞組多年沒有解決的技術難題。這種設計理念的同步電機阻尼繞組結構通過多年的推廣應用，取得了良好的效果，實踐證明本項技術創新是可行的，可有效提高同步電機的運行質量、減少設備故障率，達到節能效果。具體效果如下：

（1）結構輕盈，有利于減小轉子機械不平衡。

（2）制作簡單，減少傳統阻尼繞組的鍛造銅板材料切削加工，節約材料，大幅度降低造價。

（3）該阻尼繞組設計的弧形結構散熱面積大，在電機運行時加大迎風面積，加速散熱。

（4）該阻尼繞組的弧形結構有良好的屈服應力，可改善電機在正反轉時所產生的法向力和切向力對阻尼繞組金屬疲勞破壞。

4 結束語

對電機解體檢修來進行應急處理，不能從根本上消除故障。以原電機為基礎，經過性能失效分析、使用壽命評估和技術改進，對同步電機阻尼繞組進行重新工藝設計、制作，才能保證電機長期穩定運行，無論是性能還是質量都優于原有的產品[5]。解決了原有同步電機阻尼繞組存在的的斷裂和變形等缺陷，達到了降低成本、加速散熱、穩定運行、改善金屬疲勞的效果，提高了同步電機的運行效率和使用壽命。