中型高压异步铸铝转子电动机开发

袁飞雁

（重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329）

中型高压异步铸铝转子电动机开发

袁飞雁

（重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329）

为降低中型高压电机制造成本，采用铸铝转子替代铜排转子。根据铸铝转子 的特性，以高磁密、低热负荷和电负荷设计定转子槽形，优化转子内外风路结构的设计，计算电机内外风路需风量、需风压和电机冷却器的散热面积。从经典型规格试验数据分析中可以看出，铸铝转子性能参数符合考核标准要求。

铸铝转子；通风槽管；风路；损耗；散热

1 概述

在中型高压（6 kV、10 kV）异步电动机系列（H355-H560）（4-8P）上全面采用铸铝转子设计，虽然有显著的价格优势，但其弱势也相当明显：电机温升居高不下，电机效率低，电机难于进入高端行业，进而不能实现其全系列的开发价值。在同行业中，铸铝转子电机通常用在低压小功率电机上，没有可借鉴的捷径可走。通过在铸铝转子电机的电磁设计、结构设计上全面针对铸铝转子的弱势展开一系列的优化设计，对铸铝转子电机的损耗特性、内外风路需风量、关键部位风阻风速进行全面分析比较，确定铸铝转子电机的风路结构，以及风路元件的优化设计和材料选型，解决铸铝转子电机转子铁芯散热难度，提高电机的散热冷却效果和材料利用率，使全系列全新设计的中型高压铸铝转子电机力能指标和性能指标合格率达100%。重庆赛力盟电机有限责任公司原本生产的中型高压笼型转子电机是以铜条为主，由于铝的比重为2.7 g/mm3，铜的比重为8.9 g/mm3，使得铸铝转子的铝用量大幅下降，而且铝的市场价格大约为铜的1/4，因此铸铝转子电机成本优势显著。在中型高压电机系列（H355-H560）上采用铸铝转子，可大幅降低电机的制造成本（全新设计的铸铝转子电机成本较公司最新的铜排转子系列高压电机成本，平均节约达10%左右），增加电机的销售竞争力，同时能够提升公司的中型高压铸铝转子系列设计和制造能力，以达到国内同行业的先进水平。

2 主要研究内容

2.1 电磁设计，满足铸铝转子电机低损耗要求

电磁设计中以高磁密、低热负荷和电负荷设计定、转子槽形，以保证铸铝转子具有较高的性能参数。根据电机产品采用的铁芯材料特性，最大程度地设计电机的高定转子齿磁密（1 600 T左右），及控制定转子轭部磁密（1 500 T左右）的方案，从而控制电机的损耗和热负荷。使高压铸铝转子电机在性能参数上保持行业先进水平。

2.1.1 优化转子槽形设计

由于铝的电阻率为0.043 4×10-4Ω·cm ，为铜电阻率（0.021 7×10-4Ω·cm）的2倍，为控制转子损耗，铸铝转子槽形选用槽面积较大的梨形圆底槽或类形的凸形槽,设计转子铁芯为平行齿，转子电密和端环电密控制在2 A/mm2左右，使铸铝转子的转子损耗和电机总损耗在电磁设计中保持和铜排转子的转子损耗和总损耗相当。

2.1.2 转子少槽配合

高压铸铝转子槽配合的选用原则：一是满足转子通风槽管的工艺要求，增大转子径向通风面积；二是符合鼠笼型转子电机槽数选择的一般原则，采用少槽-近槽配合，以减少电机的附加损耗。4极槽配合为60/47，6极槽配合为72/58。

2.2 铸铝转子风路结构研究，解决铸铝转子电机散热不畅的难题

2.2.1 增加转子铁芯径向风道宽度

铸铝转子电机由于铝的物理特性使电机的实际杂散损耗增加，而且铸铝转子传导性能差，铝的导热系数（λ=205 W/（m·℃））小于紫铜的导热系数（λ=385 W/（m·℃））46.7%，所以增加的这部分损耗在转子铁芯中易产生“溏心”反应，从而使铸铝转子电机的铁芯温升升高并大于电机绕组温升。在全封闭铸铝转子电机铁芯的径向风道上直接将风道加宽30%（见图1），打开风路瓶颈，使这部分损耗产生的热量加快散发到冷却器中。

图1 电机铁芯内风路结构

2.2.2 采用梨形通风槽管

铸铝转子采用梨形通风槽管设计（见图2），保证铸铝转子铁芯平行齿设计，增加转子铁芯通风槽管间距。新型铸铝转子梨形通风槽管作为一种通风更畅、散热效果更好的电机铸铝转子通风槽管结构，保证了高压系列电机铸铝转子的全面应用和推广。

图2 电机转子通风槽结构

2.2.3 增加导风筒

为增强铸铝转子的散热能力，高压铸铝转子设计在电机内风扇进风口增加了导风筒（见图1），以将有限的风量进行合理的分配，在满足定子绕组需风量的同时将风量极大地分配给转子铁芯，降低铁芯温升。

2.3 转子铁芯风压元件标准化、机械化设计，保证高压铸铝转子电机系列化

转子铁芯风压元件全新设计，全面提升铸铝转子质量品质。

2.3.1 转子通风槽管整体拉伸

转子通风槽管采用无缝钢管车加工下料后整体拉伸成型（见图3）,以此保证铸铝转子径向通风道的平整度和均匀度的提高，提高铁芯叠压质量，减少风道漏铝、夹铝。通过实验得知，铸铝转子的质量得到了根本性的提高。

图3 梨形通风槽管

2.3.2 型材标准化

通风槽管型材规格通过设计数据统计筛选规定为标准规格（见表1），供全新设计的系列铸铝转子铁芯通风槽管选用。

表1 通风槽管型材规格

2.3.3 转子端板加强设计

采用3 mm的钢板激光切割加工，消除铸铝转子两端转子冲片的波浪形弹开。通过实验完全消除了铸铝转子两端转子冲片的波浪形弹开。

2.4 铸铝转子电机损耗分析研究，及通风系统的计算

2.4.1 铸铝转子电机损耗分析

根据典型规格样机损耗试验数据（见表2、表3），铸铝转子电机的铁耗较同规格的铜排转子增加了70%左右（铸铝转子电机由于铝的物理特性使电机的实际

表5 性能参数值

表6 电机损耗值

3.2 铜排转子电机设计和试验数据比较

温升检测值如表所示，性能参数值如表8所示，电机损耗值如表9所示。电机损耗值如表6所示。

表7 温升检测值

表8 性能参数值

表9 电机损耗值

3.3 试验数据分析

3.3.1 电机力能指标

通过试验数据比较可见，铸铝转子电机的力能指标和性能参数全部达到国家标准要求，并且与铜排转子电机的力能值相当。

3.3.2 电机损耗

总损耗铸铝转子电机试验较铜排转子增加20%～30%左右。铁耗和机械耗试验值铸铝转子较铜排转子值增加了53%，增加的这部分损耗使铸铝转子电机的效率较铜排转子降低0.8%～1.4%。

3.3.3 电机的温升

铸铝转子电机的绕组温升、铁芯温升按F级（105 K）考核全部合格，按B级（80 K）考核合格率为75%，铸铝转子铁芯温升和铜排转子的铁芯温升相当。

4 结论

在高压铸铝转子电机的设计上全面贯彻应用先进的设计理念和软件，搭建精细化的分析平台，建立的全封闭箱式电机内外风路分析计算法通过试验得到了验证，并在其它系列全面推广应用。将中型高压电机的风路结构及风路元件的材料定型，提高电机的散热冷却效果和材料利用率。提升公司的中型高压铸铝转子系列设计和制造能力达到国内同行业的先进水平。

［1］ 陈世坤.电机设计［M］.北京：机械工业出版社，1984.

［2］ 汤蕴璆，史乃.电机学［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］ 上海电器科学研究所《中小型电机设计手册》编写组.小型电机设计手册［Z］.北京：机械工业出版社，1995.

A Study on the Development of the Medium-Sized HV Asynchronous Motor with a Cast-aluminum Rotor

YUAN Fei-yan
（Chongqing Electric Machine Federation Ltd.，Chongqing 401329，China）

In order to lower the manufacturing cost of the medium-sized HV motor，the copper-bar rotor can be replaced by a cast-aluminum one．Based on its characteristics，the design of the slot shape of the rotor is featured by high flux density and low thermal and electrical loads．The design of the structure of the internal and external ventilation circuits of the rotor has been optimized．The air quantity and wind pressure needed for the circuits as well as the heat dissipation area of the cooler of the motor have been calculated．The analysis of the test data of the prototypes of typical specifications shows that the performance parameters of the cast-aluminum rotor satisfy the assessment criteria．

cast-aluminum rotor；ventilation tube；ventilation circuit；loss；heat dissipation

TM343

A

1008-8032（2015）06-0008-05

2015-02-06

该文获重庆电机工程学会2014年学术年会优秀论文三等奖。

袁飞雁（1962-），高级工程师，研究方向为中型高低压异步电动机。