新型高压三相异步电动机的分析与设计

顾雪政，许海峰，顾海勤

(1万高(南通)电机制造有限公司，江苏南通 226015; 2南通大学工程训练中心，江苏南通 226019)

新型高压三相异步电动机的分析与设计

顾雪政1，许海峰1，顾海勤2

(1万高(南通)电机制造有限公司，江苏南通 226015; 2南通大学工程训练中心，江苏南通 226019)

针对现有高压三相异步电动机体积大，有效材料的利用程度低等缺陷，提出一种新型高压三相异步电动机。该电机以新型铸铁机座为基础，结合实际生产装配能力，对电机的铁心尺寸进行了优化设计。测试表明电机运行稳定，性能良好。

新型铸铁机座;铁心尺寸;冷却系统

0 引言

随着用户对电机各项要求的不断提高，生产材料、工艺和技术也得到了快速发展。本文以提高电机有效材料利用系数为目标，根据电机设计的一般思路，以新型铸铁机座为基础，对普通箱式三相异步电机的铁心尺寸进行重新划分，并借助计算机模拟软件进行仿真，设计一种新型箱式三相异步电动机。

1 新型电机铁心尺寸的设计

首先分析理想条件下三相异步电机有效体积与功率的关系，得出以下公式

式中，Di1—定子铁心内径;Lef—铁心计算长度; Kdp—电机绕组系数;Bg—气隙磁密幅值;A—线负荷;P—电机计算功率;n—电机转速。

由于现有材料的限制，电机气隙磁密值与线负荷在一定范围内变动不大，而且根据电机的设计要求，绕组系数的变化范围也小。所以，8．6/KdpBgA可以近似看为一常数，通常称为电机常数C。设计电机时，首先确定电机常数C，对于功率和极数一定的电机而言，其有效体积Di12Lef就初步确定了。由式(1)可知，Di12与P成正比，因此在设计中心高相等的电机时，Di1的取值应尽可能大，以缩短定子铁心计算长度Lef，从而减小整个电机的尺寸。

普通箱式三相异步电动机常采用钢板焊接机座，考虑到电机定子铁心的安装(定子外径不能过大)和定子轭部磁密的大小，定子铁心内径Di1的取值往往较小，因而设计的电机都较长，在安装空间上受到一定的限制。针对上述问题，专门设计出一种紧凑型三相异步电动机，该电动机选用新型铸铁机座并采用热套法对定子铁心进行压装，中心高450mm铸铁机座的结构如图1所示。

图1 新型铸铁机座

该新型机座的原材料为灰铸铁FC-200，机座的长、宽、高分别为1320mm、980mm、955mm;机座内径829．7mm;第一、二、三、四定位销与前端盖安装面的距离分别为585mm、625mm、665mm、705mm;机座底脚长、宽分别为350mm、200mm;底脚安装孔的孔距分别为900mm和850mm;前底脚安装孔与前端盖安装面距离为189．7mm。

以一中心高450mm，功率1200kW，极数4p，电压6kV，冷却方式为IC611的普通三相异步电动机为例，其机座长1728mm，铁心基本尺寸如下:定子外径D1=770mm;定子内径Di1=480mm;转子外径D2=475mm;转子内Di2=190mm;铁心计算长度Lef=625mm;定转子槽型如图2所示。定子齿部与轭部磁密分别为1．410T，1．774T;转子齿部与轭部磁密分别为1．521T，1．755T;气隙磁密为0．828T;每极磁通量为129．05mWb。

图2 定转子槽型

根据上述普通三相异步电动机的基本参数，对其铁心进行优化设计。为满足部分模具的通用性，提高生产效率，新型电机的定转子槽型与普通电机定转子槽型保持一致。同时，为了削弱同步、异步附加转矩，使电机具有良好的起动性能，在槽配合的选择上，定子槽数Z1和转子槽数Z2分别为48和58。

为使新型电机的性能满足要求，电机定转子齿部和轭部的磁密、每极磁通量必须与普通电机保持一致。结合电机定转子齿部和轭部的磁密、每极磁通量的计算公式以及新型铸铁机座的尺寸，对电机铁心进行重新设计并不断优化。考虑到实际生产加工能力，新型电机铁心的尺寸最终选定为:定子外径D1=830mm;定子内径Di1=520mm;转子外径D2=515mm;转子内径Di2=190mm;铁心计算长度Lef=488mm。

普通电机采用轴向和径向混合式通风系统，铁心的实际长度为电机计算长度与径向通风道总长之和。此普通电机有11个径向通风道，每个径向通风道长10mm，则铁心的实际长度为735mm。新型电机的计算铁长较短，在保持通风道数量不变的情况下，可以将每一通风道的长度缩短为6mm，则新型电机铁心的实际长度仅为554mm。图3和图4分别为普通电机和新型电机定子的结构示意图。

图3 普通电机定子

图4 新型电机定子

2 新型电机冷却系统的设计

电动机运行时将电能转换成机械能，在这一过程中会产生能量损耗。若能量损耗不能及时从电机内部转移出去，将会形成热量使电机内部的温度上升，从而加速电机绝缘的老化，影响电机的使用性能和寿命，严重时甚至会烧毁电机。所以电机的冷却系统显得相当重要。

新型电机定子铁心外径较大，铁心与机壳之间的间隙较短。而电机运行时，一部分热量先通过空气传到机壳表面，再散发到周围的介质中。根据热传导定律可知，空气的热导率低，减小机壳与定子铁心之间的间隙能提高电机自身的散热能力。绕线定子的铜耗和铁耗是电机产生热量的主要原因，其中部分热量通过铁心和通风道传递到冷却器;其余热量则沿绕组向两端传导，并从绕组端部传递到冷却器。新型电机的绕组较短，因此相比于普通电机其端部的散热对绕组的冷却效果更加显著。但是由于新型电机整体尺寸比较紧凑，散热面积小，所以必须结合新型电机的这些特点对电机的冷却系统进行重新设计。

普通电机采用的冷却方式为IC611，其冷却系统一般包括内风扇，外风扇和空-空冷却器。为满足散热要求，内风扇外径选用630mm的风扇。由于内风扇外径较大，故无法将其内置于定子端部，只能安装在定子端部外侧的非轴伸端，这样就相应的增加了电机机座的长度。而新型电机受机座长度限制，设计时必须将内风扇内置于电机定子端部。考虑到定子端部内径尺寸和内循环风压与风量等因素，在两端对称安装两个外径为510mm的风扇，以满足实际散热要求。

为了避免重复开模，新型电机采用与普通电机相同的外风扇，从而节约制造成本。新型电机空-空冷却器的冷却管采用M或W型分布方式。这样的方式能够加快电机内部空气的流动速度，提升冷却效果。相比于层型分布方式，同样的冷却效果，M或W型分布方式冷却管数量仅是层型分布方式冷却管数量的三分之二。

根据上述新型机座与冷却系统设计出的电机结构如图5所示。表1是该电机的具体尺寸。

图5 新型电机结构图

表1 新型电机的主要尺寸

3 新型电机性能的验证

经过上述优化设计后，得到了新型电机的铁心尺寸、合理的绕组匝数以及冷却系统等主要参数，再利用计算机模拟软件FDEMIT对该新型电机的性能进行验证。新型电机主要性能的仿真结果如表2所示。机械特性曲线和起动电流曲线如图6所示。

表2 新型电机的主要性能

图6 新型电机机械特性曲线与起动电流曲线

图6表明电机起动电流曲线平滑无明显电流波动，同步与异步附加转矩对电机机械特性曲线也无明显影响。由此说明新型电机铁心尺寸选择合理，定转子槽数匹配也较好。由表2中的仿真数据也可以看出新型电机各项性能良好，绕组温升也满足B级考核要求，达到了预期的效果。

4 结语

根据现有普通高压三相异步电动机存在的不足，本文提出了一种新型箱式三相异步电动机，在保持电机额定输出功率不变的情况下，大大缩减了电机的尺寸，节省了安装空间。同时可适当更改铁心尺寸或更换冷却系统，以便在一定范围内改变电机的额定功率，满足不同工况的需求。后续测试及实际应用表明该新型电机运行稳定，各项性能符合设计要求，客户反映良好。

［1］汤蕴璆，梁艳萍．电机电磁场的分析与计算［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［2］傅丰礼，唐孝镐．异步电机设计手册［M］．北京:机械工业出版社，2001．

［3］陈世坤．电机设计［M］．北京:机械工业出版社，2000．

Analysis and Design on a New type High-Voltage Three-Phase Induction Motor

Gu Xuezheng，Xu Haifeng，and Gu Haiqin
(1．WEG(Nantong)Electric Motor Manufacturing Co．，Ltd．Nantong 226015，China; 2．Engineering training center，Nantorg University，Nantong 226019，China．)

As for defects such as large volume and low availability of effective material of the current high-voltage three-phase induction motor，a new type high-voltage three-phase induction motor is proposed．This kind of motor is based on the new type of cast-iron frame，and combined with actual production assembly capacity，core size of the motor is optimized．The tests show that the motor is stable and good in performance．

New type of cast iron frame;core size;cooling system

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．03

TM343+．2

A

1008-7281(2015)05-0008-004

顾雪政 男 1987年生;毕业于南通大学电气工程及其自动化专业，现从事电机设计与控制等方面的工作．

2015-05-24