降低双速屏蔽电动机起动阻转故障的电磁设计风险分析

左占库

（大连四方电泵有限公司，辽宁 大连 116045）

0 引言

电动机电磁性能分为两大类别，一类属功效性性能，如效率、功率因数、电流；另一类属功能性性能，如起动转矩T（包括堵转转矩Tst、最小转矩Tmin和最大转矩Tmax）、热负荷A、Δ等。因为电动机起动转矩的大小直接关系到能否顺利地拖动负载进入正常工作状态，而热负荷大小直接关系到电动机的热寿命及因过热引起的故障。如果电动机的起动转矩和热负荷的裕度足够大，电动机即使是在超过原规定的额定负载下长期运行也是安全可靠的。功效性性能的高低不会造成严重影响，因此本文不做分析。热负荷虽然对电机影响较大，但易控制，只要参照普通同类电动机的设计即可，因此本文也不做分析，本文仅就会造成严重影响又不好把握的起动转矩T（起）进行分析，通过与已使用运行的180kW2P/15kW6P双速屏蔽电动机（以后简称样机）进行对比，提高280kW2P/45kW4P双速屏蔽电动机（以后简称产品）的可靠性，避免电动机发生启动阻转故障。

1 控制最小转矩Tmin

虽然电动机的最小转矩Tmin无法计算，但在电磁设计时可以采取措施进行控制，这些控制措施经同类电动机试验验证是有效的，使最小转矩对电动机顺利启动的不利影响降至最小。

1.1 合理选择定转子配合槽数

电动机定转子槽数配合如果选择不好，可导致最小转矩突降，导致电动机无法启动或产生很大的振动、噪声。本次我们选用定子槽36槽、转子28槽的配合，此配合是国内外电机专家普遍推荐使用在两极和四极感应电动机上的，并且此配合槽数在我公司设计生产的多个机座号屏蔽电动机上已有实际应用，转子不采用斜槽，效果较好，在中心高为180～250 mm的Y系列两极三相异步电动机、中心高为100～160 mm的Y2系列四极三相异步电动机中均采用此配合。

1.2 采用短距和整数槽的分布绕组

产品中280kW2P和45kW4P的定子绕组均为双层叠绕式，均可通过分布、短距措施，大大消弱磁场中高次谐波给电动机起动转矩波形T=f（s）造成的不利影响，也限制了最小转矩Tmin值的减少。

1）产品中280kW2P定子绕组的短距比β=0.722 222，与中心高180～250的Y系列、Y2系列两极电动机以及样机中180kW2P屏蔽电动机的定子绕组短距比相同。经计算5次谐波和7次谐波的绕组系数分别为Kdp5=Kd5×Kp5=0.113 1和Kdp7=Kd7×Kp7=0.144 734 4，两项数值与样机中180 kW2P屏蔽电动机相同，与整节距集中定子绕组对比，其5次谐波和7次谐波的幅值可分别削减88.69%和85.53%。

2）产品中45kW4P定子绕组的短距比β=y/τ=8÷9=0.888 889，5次谐波和7次谐波的绕组系数分别为Kdp5=0.139 85和Kdp7=0.060 66，此三项数值均与中心高315 mm的Y系列8极普通三相异步电动机相同，与整节距集中定子绕组对比，其5次谐波和7次谐波的幅值可分别削减86.02%和93.93%，因为7次谐波磁势力矩在同步转速n1的1/7处有一个最低值，使电动机起动转矩波形T=f（s）在n1/7（约214 r/min）处突然下陷，产生的不利影响要大于5次谐波磁势力矩。

1.3 适当增大气隙长度

增加气隙长度，对削弱附加力矩，改善T=f（s）波形的作用明显，同时也减少了电机中的附加损耗。但增加气隙长度会使电机的励磁电流加大，cosφ变坏。产品的单边气隙长度为3.2 mm，一方面为了进一步改善T=f（s）波形，提高该电动机的起动和运行的安全可靠性，另一方面为减小一次循环水流道阻力，增加一次循环水的流量，增加冷却电动机和润滑轴承的效果，有助于降低该电动机的热负荷，从而全面提高该电动机电磁性能的安全可靠性。此项措施是在牺牲功效性性能确保功能性性能，当两者产生矛盾时应该把安全可靠地起动和运行放在首位。

1.4 严格控制定转子的槽口宽度bo 1、bo 2尺寸

产品的定子槽口宽度bo1=4mm，转子槽口宽bo2=2mm，与一般电动机对比，该电动机选用bo1=4 mm是偏小的，因为该电动机不仅容量较大，而且每个定子槽内要安置4个线圈边，4种规格的槽绝缘，较一般双层定子绕组电机增加了一倍。选取较小的定子槽口宽度主要目的是为了减小由于槽口气隙磁导变化较大引起的齿谐波。根据齿谐波产生的机理可知，当定转子槽的槽口宽度越小，气隙长度越大时，齿谐波越小。该电动机气隙长度约为同规格一般电动机的2倍，再加之选用的定转子槽配合Q1/Q2=36/28，对280kW2P和45kW4P均较理想，可以大大地削弱齿谐波势磁场及其产生的同步附加力矩，从而可以大大改善该电动机的起动力矩T=（fs）波形，有效地限制了最小转矩的减小。

我公司多年设计生产各种屏蔽电动机的实践证明，对于气隙长度较大的屏蔽电动机而言，如果双层叠绕式定子绕组的节距和定转子槽配合的选择合理，其起动转矩的T=（fs）波形均较正常、理想，没有必要再将转子铁心制成斜槽或再额外加大气隙长度。

2 低速45kW4P的起动转矩T值的安全可靠性

对于双绕组双速电动机而言，通常在低速小功率时起动更易出现起动不顺畅的问题，所以如何在该电动机设计时，设法提高和改善45kW4P的T=f（s）波形是提高该电动机电磁性能安全可靠性的关键。

1）样机中15kW6P电动机的相关情况及参数值如下：定子绕组为单层链式（在电气上相当于全节距绕组），每圈6匝，没有发生起动阻转故障，为提高功率因数cosφ，改为每圈7匝，其他相关参数值如下：堵转转矩Tst=1.72倍，最大转矩TM=2.95倍，堵转转矩的标么值KTst=Tst（倍数值）/Tst（基值）=1.72÷1.4=1.228 6，最大转矩的标么值 KTM=TM（倍数值）/TM（基值）=2.95÷1.4=1.639。

注：阻转转矩的基值Tst（基值）和最大转矩的基值TM（基值），分别为GB/T 21210-2007《单速三相笼型感应电动机起动性能》中的T1和Tb值（以下同）。

2）产品中45kW4P电动机相关的参数值如下：堵转转矩Tst=1.82倍，最大转矩TM=3.36倍，堵转转矩的标么值KTst=Tst（倍数值）/Tst（基值）=1.82÷1.2=1.517，最大转矩的标么值 KTM=TM（倍数值）/TM（基值）=3.36÷1.8=1.866。

3）样机在转速n由0（转差率S=1）至额定转速nN（转差率SN=（n1-nN）/n1）的带载起动过程中，负载需要样机供给的牵引力矩T=f（s）是比较大的，与产品拖动状况相似，所以两者有可比性。

4）样机的转子为插紫铜条刀形转子槽，产品的转子为插H62黄铜条（其电阻系数为紫铜的3.7倍）长圆形转子槽，铜条材质和转子槽形状改变后，T=f（s）曲线形状好得多——即使在两个方案的Tst和TM值相等的条件下，后者明显比前者的最小转矩Tmin值大，总的牵引力矩要大，这种情况尤其在两个方案的低速电机对比上表现得更为突出，因为样机中15kW6P电动机的定子绕组为单层，无法采用短距措施削弱有5次谐波和7次谐波磁场产生的附加异步力矩。

5）在同类但不同规格电动机的堵转转矩Tst、最小转矩Tmin、最大转矩TM值上的大小对比上，不应该用其倍数值，而应该用其标么值。由JB/T8158-1999可知，同类同极数的感应电动机，功率越大者要求其Tst、Tmin、TM值的最低限值越小，同类但不同功率不同极数的电动机转矩的大小也可进行对比，例如以45kW4P与15kW6P为例，就堵转转矩Tst值要求的最低而言，45kW4P规定其Tst≥1.2即合格，而15kW6P规定其Tst≥1.4才合格。所以该电动机与93A-180kW2P/15kW6P电动机阻转转矩和最大转矩的大小对比时，应该用标么值KTst（Tst（倍数值）/Tst（基值））和 KTM（TM（倍数值）/TM（基值））进行对比。由以上叙述可知，只要产品的KTst、KTM不低于样机的KTst、KTM值，其最小转矩的标么值KTmin（Tmin（倍数值）/Tmin（基值））肯定高于样机——即该电动机的起动转矩T值均不低于样机的T值。

注：GB/T 21210-2007《单速三相笼型感应电动机起动性能》严格地说并不适用于该电动机，不适用是其规定的Tst、Tmin、TM的具体数值上需做相应地调整，而在同类屏蔽电动机不同规格的Tst、Tmin、TM值的大小对比的方式上是适用的。

6）双绕组双速屏蔽电动机及其拖动负载的结构零部件尺寸的大小，主要由其中的高速大功率的屏蔽电动机拖动的负载决定，同时还要兼顾满足低速小功率时的性能，在结构尺寸上做适当的调整。也就是说，低速小功率屏蔽电动机在起动过程中，它要拖动的负载、转子、轴承摩擦副等转动件，基本都是按高速大功率、大容量的参数设计制成的，比独立的同规格低速小功率屏蔽电泵要大得多，所以要求其Tst、Tmin、TM也比独立的同规格低速小功率屏蔽电动机大得多，高速比低速的功率大得越多，对低速小功率的起动转矩要求的越高，样机中180kW2P的功率为15kW6P功率的12倍，而产品中的280kW2P的功率为45kW4P功率的6.2倍，两者相差近一倍，即使再考虑两者的低速极数比为6:4也计入在内时，两者间仍有28.6%相差，再加上所述原因，产品中45kW4P的KTst=1.517和KTM=1.866，比样机中15kW6P的KTst=1.228 6和KTM=1.639分别大23.47%和132.85%，所以更能顺利起动。

3 高速280kW2P的起动转矩T（起）值的安全可靠性

1）样机中180kW2P和15kW6P电动机，均发生过起动阻转故障，但180kW2P比15kW6P发生启动堵转故障的程度要轻，频率要少。样机的启动转矩和最大转矩的倍数值和标么值分别如下（下标1为180kW2P数值，下标2为 15kW6P）：Tst1=0.81 倍，Tst2=1.48 倍；TM1=1.99 倍，TM2=2.89 倍 ；KTst1=0.81÷0.8=1.0125，KTst2=1.48÷1.4=1.0571；KTM1=1.99÷1.7=1.1706，KTM2=2.89÷1.8=1.606。

2）样机中15kW6P电动机定子绕组为单层，每圈6匝时未发生阻转故障，改为每圈7匝后就发生了起动阻转故障，而且其阻转状况比180kW2P要严重些，未发生起动堵转和发生起动堵转的15kW6P电动机，前后两种状态下的堵转转矩和最大转矩的比值分别为Tst（前）/Tst（后）=1.72÷1.48=1.162，TM（前）/TM（后）=2.95÷2.89=1.0208，由此推算出，样机中180kW2P电动机的堵转转矩和最大转矩，也按15kW6P电动机前后的增大比值增大后，也不会发生起动堵转故障（经如此这般折算后不再发生起动阻转的180kW2P的参数在其右上方加“′”标志），折算后的参 数 值 ：Tst′=0.81×1.162=0.941 倍 ，TM′=1.99 ×1.020 8=2.031倍，同理也可对其他参数值进行折算如下：KTst′=0.941/0.8=1.176，KTM′=2.031÷1.7=1.195，η′=0.76×57÷60=0.722，cosφ′=0.901×0.319÷0.401=0.719。

3）只要该电动机中280kW2P电动机的堵转转矩标么值KTst=1.29和最大转矩标么值KTM=1.255，分别不小于KTst′=1.176 和 KTM′=1.195，就不会发生起动阻转故障，所以产品中280kW2P电动机的起动转矩T值是足够的，是安全可靠的。

4 结论

通过以上对比分析，产品的启动性能得以保证，规避了起动阻转故障风险，提高了产品的可靠性。

［1］ 上海电器科学研究所.中小型三相异步电动机电磁计算程序［M］.上海：上海电器科学研究所，1971.

［2］ GB/T 21210-2007 单速三相笼型感应电动机起动性能［S］.

［3］ 陈世坤.电机设计（修订本）［M］.北京：机械工业出版社，1990.

［4］ 上海电器科学研究所《中小型电机设计手册》编写组.中小型电机设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1994.