大過載繞線異步電動機轉子結構設計的改進

雷洋,洪長艷,朱一凡

(1哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江哈爾濱 150000;2哈爾濱商業(yè)大學,黑龍江哈爾濱 150000)

0 引言

大過載繞線異步電動機在國內市場一般均采用進口產品,為了解決國產替代,經過我公司技術團隊的大量調研和詳細計算,最終完成產品設計及成品,為成功進入大過載電動機市場及國產替代打下良好基礎。

1 繞線型異步電動機

大過載繞線異步電動機采用定子繞組串電阻起動是在犧牲啟動轉矩的情況下進行的,只適用于輕載或空載下起動。在需要重載起動時,可采用三相轉子串聯(lián)電阻起動方法。因為三相異步電動機轉子電阻增加時能保持最大轉矩,所以適當選擇起動電阻能使得起動轉矩最大。

繞線式異步電動機是通過滑環(huán)在轉子回路中接附加電阻Rf來改變電動機的機械特性,最大轉矩對應的轉差率與轉子電阻R2成正比,而最大轉矩的值與R2無關,當繞線式轉子電動機的轉子回路中接入外加電阻Rf來增加R2時,最大電磁轉矩不受影響,但是它直接控制了產生最大轉矩的轉速。電磁轉矩與R2/s的函數,因此,只要比值R2/s保持不變,轉矩就不會變化,如圖1所示。

圖1 改變轉子回路電阻對感應電機轉矩-轉差率曲線的影響

可以降低起動電流,提高起動轉矩,即使在S=1啟動時,啟動轉矩Tst=Tmax,轉子溫升大大降低,正常運行時,轉子可被電刷直接短路。適用于籠型電動機難以啟動的恒速、恒定負載設備(如粉碎機、破碎機),以及要求在小范圍內變速的負重載起動設備(起重機)。

2 工作原理

繞線型異步電動機的工作原理是:通過三相電源供電,電源的電流在定子繞組中產生磁場,轉子的閉合回路切割磁力線,旋轉磁場將轉子帶動旋轉,從而實現(xiàn)機械能轉換。轉子繞組采用絕緣漆包銅母線繞制成三相繞組,嵌入轉子鐵心槽內,將它接成星接或角接,三個端部引線分別固定在轉軸上的3個滑環(huán)上,再經過電刷與外電路相連,一般在轉子回路串電阻,以改變電動機的起動和調速性能,這里我們研究一下起動方向。電機在低速運轉時,效率很低,電能損耗大,異步電機經氣隙傳送到轉子的電磁功率為Pe,一部分成為機械輸出功率PM,另一部分則成為轉差功率P0,而P0轉化為轉子回路中的銅耗,以發(fā)熱的形式消耗掉,它們之間的關系如圖2所示。

圖2 轉子串Rf的原理圖

Pe=PM+P0

P2=Te·ω1

PM=(1-s)Pe

P0=s·Pe=3I22(R2+Rf)

式中,Te—電磁轉矩;ω1—同步角速度;I2—轉子相電流;R2—轉子繞組本身相電阻;Rf—串入轉子的外接電阻。

當異步機拖動恒轉矩負載時,Pe為常數,以電機串入Rf后處在二分之一同步速度運轉為例,此時,s=0.5,電磁功率的一半變?yōu)檗D子銅耗3I22(R2+Rf)消耗掉,再考慮定子中的損耗,則總效率低于50%越低,效率更差。一般轉子電阻分級連成星形,起動時,先將全部電阻接入,隨著起動的進行,電機轉速的提高,轉子起動電阻依次被短接,在起動結束時,電阻全被短接,起動完成。

3 繞線型異步電機結構形式

繞線型異步電機基本結構包括以下五部分:

定子裝配:定子由鐵心、繞組、機座組成,鐵心采用硅鋼片疊壓組成,繞組則是由若干根繞制在鐵心上的繞組組成。

轉子裝配:轉子是由鐵心、繞組、軸組成,但繞組通常是由銅扁線繞制而成。

軸承裝配:是支撐轉動部件,連接定子、轉子,承擔轉子的重量。

冷卻器裝配:帶走電機旋轉時產生的熱量。

集電環(huán)刷桿座裝配組成:用于電機的換向器上,作為導出導入電流的滑動接觸體,他的導電、導熱以及潤滑性良好,并具有一定的機械強度和換向性火花的本能。

繞線異步電動機的轉子引出線結構是整個電機的核心,也是在電機運行中容易出現(xiàn)故障,問題最多的地方之一,且大過載運行工況具有長期過載、沖擊大等復雜工況,所以整個繞線轉子引出線的結構顯得尤其重要。下面介紹下該電機繞線轉子結構改進設計。分為以下三個方面。

(1)轉子接線裝配上、下層線圈在常規(guī)電機設計中僅采用外層無緯帶綁扎,中間層墊云母板結構,此結構應對大過載的復雜工況,經核算易于發(fā)生故障。本次先將轉子下層線圈端部的斜邊用加長墊塊塞緊,再在上、下層之間綁扎經過計算的特殊無緯帶(如圖3所示),滿足厚度尺寸要求。之后將上層線圈端部的斜邊用加長墊塊塞緊,最后在最外側綁扎特殊無緯帶(如圖4所示),綁扎厚度不能超過轉子鐵心外圓,此方法綁扎后轉子上下層線圈形成一個整體,穩(wěn)固性良好。

圖3 轉子繞組端部下層線圈墊塊及綁扎示意圖

圖4 轉子繞組端部上層線圈塞塊及綁扎示意圖

(2)在上述的轉子結構中還有一處特別的改進,使得轉子接線裝配上下層線圈能形成一個整體(如圖5所示),常規(guī)繞線異步電機轉子引出線K、L、M均在下層線圈引出,引出線上層為空置空間,這樣會導致轉子引線最外側綁扎無緯帶后在引出線位置有空缺,在應對常規(guī)使用工況時不會有什么問題,但在大過載工況時此處就顯得很薄弱,容易在此處發(fā)生故障。如圖6所示,將轉子引出線通過抬高引出線夾到與上層線圈相同節(jié)圓位置,中間空位置用銅塊填充并用并頭楔打緊,這樣使得整個轉子上層線圈無空位置,形成一個完整的圓環(huán),此時綁扎無緯帶使得轉子線圈形成一個完整體,可防止端部震動裂開,具有抗大沖擊,大過載能力,完全滿足全天24h運行。

圖5 轉子端部引線示意圖

圖6 端部引出線加塊后示意圖

常規(guī)轉子引出線在接入集電環(huán)時僅在軸上配置固定線夾,鑒于大過載工況的特殊性,本次設計轉子繞組引出線在轉子壓圈處鉆有螺孔,圓周三處,相差120°,通過絕緣固定夾及螺桿,將轉子引出線位置固定在轉子壓圈處,使得轉子引出線不懸空,穩(wěn)固性得到進一步加強,使得轉子引出線能承受大過載及沖擊性過載,具體如圖7所示。

圖7 轉子引線處安裝固定夾

(3)繞線異步電動機外滑環(huán)結構穩(wěn)定運行,轉子引出線的引出電纜固定是重中之重,轉子引出電纜穿軸采用灌膠是穩(wěn)妥之舉,但由于電機引出軸段較長,灌膠效果不一定好,且后期維護困難,因此放棄了灌膠工藝。轉子引出電纜的危險點在進入軸孔位置(圖8 A處)及引出電纜從傾斜到直線的彎折處(圖8 B處),通過計算電纜彎折處尺寸,在引出電纜彎折處套入高強度收縮管,采用特殊工藝將全部電纜穿過軸孔位置,再將電纜固定到集電環(huán)上。將引出電纜進入軸孔位置綁扎滌綸氈,并刷特殊膠固定。這樣既能保護電纜又能保證后期維護方便。

圖8 繞線異步電動機外滑環(huán)電纜穿軸結構

綜上所述,除了在電磁方面的完善,在結構設計做了上述三方面的改進,成功地完成了大過載繞線電動機在國內設計且首次運行。打破了電機完全進口的局面,填補了國內自制空白。

不僅開拓了國內市場,打破了進口的局面,為國產化打下堅實基礎。