高功率密度高效率高压三相异步电动机的研制

尹成乐

摘要：高压绕线转子电机的设计当中电磁设计，定、转子结构、通风结构的设计，对于设计中的关键点进行了着重论述，为从事设计方面的技术人员提供了技术支持。本文分析了高功率密度高效率高压三相异步电动机的研制。

关键词：三相异步电机;设计;结构

电机作为各种设备的动力源，广泛应用于各行各业，如驱动压缩机、水泵、风机等机械设备。近年来，随着财政部、国家发展改革委员会下发的《节能产品惠民工程高效电机推广实施细则》的推行，高效率电机国家标准如GB30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》等的颁布和实施，高效率高压电动机逐渐得到广大用户、社会和企业的认可和接受。

一、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机基本结构简单分析由两部分组成，即定子部分和转子部分。顾名思义，首先固定不动的部分叫做定子部分，它包括机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部件；其次旋转的部分叫做转子部分，它包括转子铁芯、转子绕组、转轴、风叶等部件。由于三相异步电动机转子绕组结构的不同，它又分为鼠笼式转子和绕线式转子两类。鼠笼型转子绕组像一个圆柱形的笼子，在转子铁芯槽中放置着若干铜条或铝条，两端用端环短接。而绕线式转子绕组则与定子绕组相似，在转子铁芯槽内放着对称的三相绕组，该三相绕组一般做星型联结，转子绕组的三相末端连接在一起，三个首端分别连接到转轴上的三个彼此绝缘的铜制集电环上，环与环、环与转轴之间相互绝缘，是通过电刷与外电路的联结开始工作。

二、三相异步电动机的基本工作原理

1.三相异步电动机磁路的产生。因为三相异步电动机底座是用铸铁制成，机座内装有相互绝缘的硅钢片，并且叠制成桶型铁芯，铁芯内腔有分布均匀的槽，槽内放置定子三相绕组。三相异步电动机的转子铁心也是用硅钢片制成，硅钢片表面也有均匀分布的槽，其作用是用来放置转子绕组，并且制成圆柱体安装在转轴上，转子铁心与定子铁心之间存在一定空隙，如此的分布使三相异步电动机的磁路自然就形成了。

2.三相异步电动机旋转磁场的形成。为了理解方便，我们假想把三相异步电动机的三相对称定子绕组放置理想的空间，要求做成相同的三个绕组，彼此摆放之间间隔120度，并且三个相同的三相绕组做成星型联结。当给对称三相定子绕组通入对称的三相交流电流时，瞬间定子电流就会产生磁场，并且以相同的转速按照顺时针方向旋转，和停止的转子之间有着相对运动，相当于磁场静止，此时转子沿着逆时针方向旋转切割磁感应线而产生的感应电压，其方向是用右手测定确定。由于转子绕组电路是通过短路环自行封闭，所以在感应电压作用下，在转子导体中产生转子电流，而转子导体处于磁场之中，将会受到电磁力的作用，此时电磁力对转轴形成了电磁转矩，于是转子在电磁转矩的作用下转动起来。其方向与旋转磁场方向一致，这就是三相异步电动机转动的原理。

三、案例分析

某公司YＲKK新系列高压绕线转子电动机最大功率档要高出4档(最大档为YＲKK355-4250kW)。因此研制此电机，总的设计思想是:根据现有产品，进行部分创新。

1.电磁设计。电动机的电气性能主要是依据用户的性能要求和参照我公司现有工艺水平，并考虑产品的可靠性，经过反复论证，结合以往类似产品的试验结果，最终确定电机的热负荷、定转子冲片尺寸、铁心长以及绕组的相关数据。做到了兼顾电机性能以及加工制造各方面的工艺水平。(1)冲片三圆φ650/φ423/φ220。(2)槽配合60/48。(3)定转子冲片材质均采用50W470。(4)定子Y接。(5)转子Y接。(6)槽型选择:定子开口槽、转子半闭口槽。

2.结构设计。电机的结构设计是在满足用户的使用要求、安装尺寸的前题下，根据相关标准、电磁参数而确定的机械结构。同时，要考虑到零部件的通用性、装配的合理性。（1）总体结构。安装方式为:IMB3，外壳防护等级为IP54、集电环部分防护等级为IP23。机座采用方箱机座型式、带空-空冷却器，定、转子各设独立接线盒，同时设置辅助接线盒(定子测温、轴承测温装置、定子加热器、滑环加热器)。电机整体（2）通风结构设计。内风扇扰动空气，通过离心作用使热风吹进冷却器内，热风经过冷却器风道到达轴伸端变成冷风，同时在风扇进风口形成负压将风从轴伸端经转子轴向通风道、径向通风道及气隙吸到非轴伸端，形成循环风路，对定、转子进行冷却;外风扇将冷风送到冷却器铝管内，与内风路交换热量，达到冷却作用。

3.定子结构。定子采用外装压结构，主要由机座和有绕组定子铁心等部件组成。（1）机座。机座为钢板焊接的方箱结构，由壁板、挡风板、环筋板、侧板、顶板、底脚板、底板等零件组成，机座两侧壁板厚度为30mm，挡风板厚度为8mm，两侧环筋板厚度为30mm，因铁心外径增大、铁心增长，定子铁心改为扣片式结构，机座也相应加宽、加长，为了增加机座的强度，将环筋板及壁板的厚度从二代YXKK355机座的25mm增加到30mm。为了充分发挥侧板的作用，提高支撑刚度，机座侧板采用钣金折边结构。机座上方用撑板支撑，机座圆周增加8个30mm×27mm筋，通长焊在两个端板之间，起加强机座轴向刚度的作用，同时也成为装压铁心的配合面。（2）定子铁心。定子铁心由定子冲片、扣片、定子压圈、定子通风槽板组成，通过12个扣片圆周均布与定子冲片、通风槽板和定子压圈焊接成一个整体。定子铁心包括9个通风道，每个通风道宽度为10mm，9个通风道将定子铁心均分为10段。定子铁心两端出槽口处需手工倒角，避免下线及电机运行时损坏线圈绝缘。（3）定子绕组。定子绕组采用双层叠绕形式。在绕组上下层线圈之间，均匀埋设6点测温原件铂热电阻Pt100，用于绕组温升的监测。

4.转子。转子采用焊筋轴结构，由转子铁心、转子压圈、转子线圈、平衡环、内风扇、集电环-刷架等零部件组成，主要包括以下零部件。（1）转子铁心。转子铁心包括9个通风道，每个通风道宽度为10mm，其分段长度与定子铁心相同，以保证定转子通风道的对齐。转子铁心采用冷装热压的方式，保证转子槽形整齐，方便转子线圈的嵌线。冲片外径直接冲制而成，转子外径不加工。转子铁心装压后用弧键焊接定位。铁心两端焊接支撑环，用于支撑转子线圈端部及平衡。（2）转轴。转轴采用焊筋轴结构，轴材质选用35#钢，辐板材质选用Q235A，6块辐板均布。引线位置处钻有6×φ25mm圆周均布的斜孔用来出线，轴尾端钻有φ70mm圆孔，用于引出转子引线。（3）转子绕组型式。转子绕组采用双层成型波绕组，转子线圈一头弯型，线圈下到转子槽内后，另一端打弯整型，线圈与线圈之间用并头套连接，并用中频焊焊牢。接线方式为中线环、转子引接线分别位于位于铁心的两端。（4）滑环。为保证产品质量，滑环整体采购。（5）冷却器。电机冷却器由冷却器厂家设计，满足换热功率及安装尺寸即可。ＲKK355-4400kW绕线转子三相异步电动机进行了型式试验，性能指标均满足用户要求。由于电机功率较大，结构尺寸比较紧凑，因此在制造过程用要严格保证零部件的尺寸。尤其需要注意的是，在选择转子线规时，一定要注意转子线圈的工艺性，线规过大的可以考虑采用双排铜线代替单排较厚的铜线。本次电机的设计过程中，电机借鉴了高效电机的混流通风结构，并且在机座中合理的增加了通风孔，使得设计更为合理，保证了电机顺利完工，实践证明这些设计都是合理的。

参考文献：

［1］陈宇．高压高效率三相异步电动机的开发［M］．北京:机械工业出版社，2017．

［2］李静．6KV、45oKW、4极中型高压三相异步电动机的研制［J］．绝缘材料，2017(4)，47(1):1-5．