二極異步電動(dòng)機轉子設計與研究

　　異步電動(dòng)機一般指感應電動(dòng)機。感應電動(dòng)機，又稱(chēng)“異步電動(dòng)機”，即轉子置于旋轉磁場(chǎng)中，在旋轉磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉動(dòng)力矩，因而轉子轉動(dòng)。轉子是可轉動(dòng)的導體，通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉于1887年發(fā)明。

　　摘要：本文討論了二極異步電動(dòng)機轉子設計與研究，圍繞著(zhù)設計過(guò)程中主要旋轉部件進(jìn)行了分析研究，為今后二極異步電動(dòng)機的設計積累了經(jīng)驗。

　　關(guān)鍵詞：二極異步電動(dòng)機;軸流風(fēng)扇;振動(dòng);撓度; 臨界轉速

　　一、二極異步電動(dòng)機設計分析過(guò)程

　　該產(chǎn)品采用箱式焊接結構，座式滑動(dòng)軸承，具有外形美觀(guān)，噪聲低、振動(dòng)小，高效節能，運行穩定，安裝、維護方便等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機繞組絕緣結構所采用的材料在電機溫升作用下，其絕緣性能將逐漸變壞，而當溫度升高到一定程度時(shí)，絕緣材料的絕緣特性會(huì )被迅速破壞，最后甚至失去絕緣能力。因此，為了獲得經(jīng)濟的使用壽命，該電機的定子線(xiàn)圈絕緣采用F級絕緣，提高了整個(gè)電機的絕緣水平，有利于延長(cháng)電機的使用壽命。YKS630-2 2500kW 6kV異步電動(dòng)機額定轉速為2990 r /min，轉差率為0.45%。對于如此高轉速的異步電動(dòng)機，其轉子結構機械設計要求很高，如何滿(mǎn)足這一要求成為設計的關(guān)鍵所在。

　　(1)轉子結構設計

　　轉軸是電機中最重要的零部件之一，二極高速電機的轉軸設計更是非常重要。在轉子設計中，為了滿(mǎn)足高轉速下機械強度的要求，并改善異步電動(dòng)機的特性，轉子材質(zhì)一般為45號鍛鋼(見(jiàn)圖1) ，并且為了有足夠的強度、剛度還要作正火、回火、或調質(zhì)等一系列的熱處理。另外個(gè)別截面要有足夠的強度，在正常負載及規定的特殊情況下(如突然短路等) ，轉軸不能產(chǎn)生殘余變形或損壞。轉軸的撓度必須在電機氣隙的10%范圍內，還有臨界轉速與工作轉速間應有足夠的差值，以免發(fā)生共振。下面就撓度和臨界轉速的計算作詳細說(shuō)明。

　　(2)撓度計算

　　計算轉軸撓度，不外乎采用兩種方法：作圖法及分析法。作圖法，需要制作轉軸的彈性線(xiàn)，從彈性線(xiàn)上按照某種尺寸比例，可以得出任何一點(diǎn)的撓度，此法準確度很高，但應用此法會(huì )耗費大量時(shí)間。實(shí)際上通常只需知道轉子鐵心安放位置上中點(diǎn)的轉軸撓度即已足夠。計算這一點(diǎn)撓度的最簡(jiǎn)易方法是分析法。該方法花費時(shí)間少，還可避免可能的誤差，現在已經(jīng)用計算機來(lái)完成此操作，所以在電機設計轉軸計算時(shí)，分析法得到了廣泛應用。下以YKS630-2 2500kW 6kV電機為例做簡(jiǎn)要計算：

　�、匐姌�(轉子)重量，G1(不包括鐵芯段的軸重)

　　G1=867.7kg

　　軸的重量：Q=768kg

　�、谟行цF芯長(cháng)度：L=83.93cm

　�、坜D子外徑：D=51.2cm

　�、軉芜吰骄鶜庀叮骇�=0.4cm

　�、葺S在b點(diǎn)的柔度系數

　　式中：E-拉壓彈性系數，此軸的材質(zhì)為45鍛鋼，故E=2.1×106kg/cm2

　　Kab ――左半軸的彈性系數

　　Kcb ――右半軸的彈性系數;

　　用以下公式計算

　　其中：Xi―圖4中所標尺寸X1， X2等;

　　Ji ―每段軸的慣性矩

　�、薮爬�力剛度

　　式中：δ―單邊平均氣隙

　　D ―轉子外徑

　　L ―有效鐵心長(cháng)度

　　Bδ―氣隙磁密

　�、叱跏紗芜叴爬�力

　　P0=k0e0=10122 x 0.04=405kg e0=0.1δ

　�、嘤芍亓縂1引起的b點(diǎn)撓度

　�、釂芜叴爬�力引起軸在b點(diǎn)的撓度

　�、廨S在b點(diǎn)的總撓度

　　占氣隙百分數

　　(3) 轉軸的臨界轉速

　　除了對軸的撓度計算外，還應對電機轉子固有振動(dòng)特性進(jìn)行分析，即主要計算轉軸的臨界轉速，軸自已橫向振動(dòng)的周率不應與轉子旋轉軸速度一致。一般情況下，僅考慮單邊磁拉力作用于轉軸，有一個(gè)負荷在鐵心中部時(shí)的影響。其臨界速度可表示為：

　　在普通電動(dòng)機的設計中，按照機械計算公式，當轉軸的撓度小于氣隙的10%時(shí)，臨界轉速一般都能高出額定轉速的30%， 這樣的軸， 稱(chēng)之為剛性軸。而對于二極異步電動(dòng)機，也有采用柔性軸(即一階臨界轉速低于額定轉速)。本文所述電動(dòng)機也采用了剛性軸的設計理念，使其一階臨界轉速高出額定轉速的30%。

　　(4)轉子沖片的設計

　　一般4極及4以上的電動(dòng)機在軸上焊接輻板，一來(lái)可以降低電機的成本，二來(lái)輻板可以起到風(fēng)扇的作用能夠加強電機的冷卻效果，但是二極電機由于轉子沖片的內徑較小，對轉軸的強度要求又很高，所以二極電機不安裝輻板，而是在轉子沖片上加工通風(fēng)孔(圖2)，使通風(fēng)孔疊壓后形成的管道與轉子的通風(fēng)槽管連通，靠通風(fēng)槽管旋轉來(lái)冷卻電機，由于二極電機的轉速較高，其冷卻的效果也可以滿(mǎn)足電機的要求。

　　二、轉子風(fēng)扇的設計

　　由于二極電機轉子外徑小，轉速高，風(fēng)扇一般選用軸流風(fēng)扇，軸流風(fēng)扇的特點(diǎn)是效率高、噪音低，氣體通過(guò)軸流風(fēng)扇時(shí)一般不改變運動(dòng)方向，正好與轉子通風(fēng)槽管形成的“離心風(fēng)扇”形成串聯(lián)風(fēng)扇，能夠加強電機的冷卻效果。以前我公司電機的轉子平衡環(huán)設計的位置是在風(fēng)扇與鐵芯只間，雖然在平衡環(huán)上也加工了通風(fēng)孔，但是由于其高速旋轉，風(fēng)扇與通風(fēng)槽管形成的風(fēng)路遭到破壞，影響了電機的冷卻效果，而且會(huì )產(chǎn)生較大的噪聲，現將平衡環(huán)設計在風(fēng)扇的外側，即加強了電機的冷卻效果又降低了噪聲。已設計的異步電動(dòng)機已經(jīng)在客戶(hù)處投入使用，得到一致好評，在機械強度、電氣性能等方面均未出現異�，F象其運行安全、可靠、穩定。

　　三、結語(yǔ)

　　綜上所述，通過(guò)以上設計電機轉子可以有效的降低電機振動(dòng)的概率，但是引起二極電動(dòng)機振動(dòng)原因是多方面的，我們在設計時(shí)要注意以上的幾點(diǎn)注意事項，并且嚴把機械加工和裝配，控制各個(gè)工序，就可以在源頭消除振動(dòng)，可以大大地減少由于電動(dòng)機振動(dòng)帶來(lái)?yè)p失。

　　參考文獻：

　　[1]徐建國.大型高速電機軸向振動(dòng)的分析和處理[J].電機技術(shù)，2013(4)：38-39.

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