變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構的製作方法

2023-05-26 21:36:16

背景技術：
：6000rpm變頻高速溼式防爆電機用於煤礦透水搶險，是國家科技支撐計劃課題支撐項目，功率為600kW，電壓6000V，立式電機，該電機為2極電機，轉速6000rpm,變頻起動，6000rpm的溼式電機設計、製造目前國際還沒有過先例，合理選擇定、轉子槽配合及槽型對電機性能影響巨大，需要開發定、轉子槽配合及槽型，因此合理選擇定、轉子槽配合及槽型可抑制諧波，降低噪聲，提高起動性能，獲得較高的效率及功率因數，對臨界轉速亦有影響，合適的槽型利於縮小電機直徑尺寸，便於水泵下井。

技術實現要素：
：本發明的目的是提供一種變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構：保證電機能夠滿足泵的起動要求。本發明的技術方案為：一種變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構，溼式電機屬於三相異步電動機，為雙層短距同心式繞組，定子(1)由衝片(3)疊壓而成，轉子(2)為實心軸熱套軸環(4)結構，定子槽型(5)為半閉口平行齒梯形槽，轉子槽型(6)為倒梨形閉口槽。

定子槽數為24，轉子槽數為34，電機的氣隙磁密為0.6T左右，定子(1)為斜槽結構，即定子鐵芯第一個衝片的槽與最後一個衝片相應的槽，軸線旋轉一個角度，將定子槽扭過一個定子齒距。

溼式電機為雙層短距同心式繞組，嵌線容易，便於實現機械化。一般q1(每極每項槽數)＝4、6、8適用於二極電機，本發明q1＝4,定子槽數為24槽適用於同心雙層短距繞組，定子斜槽，斜一個定子齒距，轉子槽數應與定子槽數配合確定，定子、轉子槽配合的選擇應使電機能正常起動，轉矩、轉速平滑，起動及運轉時無顯著振動，電磁噪聲、雜散損耗小。

異步電動機採用少槽、近槽配合，即轉子槽數接近且少於定子槽數，可減少齒諧波磁通在鐵心齒中產生的脈振損耗，因此對降低雜散損耗和溫升比較有利。但少槽、近槽配合容易產生電磁振動和噪聲，也可能會產生同步轉矩應全面考慮。

定轉子槽配合與異步電機的噪聲有直接關係，電磁噪聲為噪聲源之一，電磁噪聲主要由高次諧波的力波振動引起，即隨時間和空間而變化，在定子和轉子之間作用的力可以通過定子鐵心振動而引起電磁噪聲；在氣隙的任意一點作用著一個徑向力，它在單位面積上的大小與氣隙的任意一點作用著一個徑向力，它在單位面積上的大小與氣隙磁密的平方成正比，因此選擇儘可能低的氣隙磁密對於電機降低電磁噪聲很有必要，本電機的氣隙磁密為0.6T左右。定子槽數為Z1，轉子槽數為Z2，電機極對數為p,對於低噪聲電機要滿足：│Z1、Z2│≠0、1、2，│Z1、Z2│≠2p、2p±1、2p±2；還需要使最強的定轉子磁動勢分量的次數不要與一些大的氣隙磁導波分量的次數一致，│Z1、Z2│≠p，│Z1、Z2│≠p±1，│Z1、Z2│≠p±2；

本電機初步方案槽配合為24/28,24/34，但從磁密分布以及起動性能和降低振動及噪聲角度考慮，經過計算對比，選擇了24/34。

很多普通交流鑄鋁轉子電機會採用斜槽，本電機因是轉子銅條焊接結構不宜斜槽，將定子槽扭過一個定子齒距，採用斜槽的作用是：電機內部有各種頻率的諧波，因定子採用分布短距繞組，所以除齒諧波之外的其它頻率的諧波磁勢幅值均被極大程度地削弱。由於齒諧波繞組係數等於基波繞組係數，所以齒諧波磁勢幾乎不受影響。因為三相異步電動機的定、轉子開槽，造成整個氣隙圓周範圍內的磁阻不均勻，電機運轉時電磁轉矩和感應電動勢相應波動。定子斜槽後，形成的電磁轉矩和感應電動勢近似於同一根導線均勻分布在一段圓周範圍內的平均值，能有效地削弱齒諧波磁場所產生的諧波電動勢，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉矩，降低電磁振動和噪聲。定子斜槽後雖然也會使定子感應的基波電動勢減少，但選擇的斜槽度為一個齒距相對於極距來說小很多，因而對電機基本性能影響很小，故採用定子斜槽。

定子衝片槽型採用半閉口平行齒梯形槽，可以減少鐵心表面損耗和齒內脈振損耗，並使有效氣隙長度減小，功率因數得到改善。轉子採用閉口槽可以達到減少表面附加損耗的效果，同時閉口槽也有利於防止轉子銅條甩出，利於縮小電機直徑尺寸，便於水泵下井，普通的交流電機實心軸轉子槽型一般為開口槽，本電機因用於煤礦搶險，要求直徑儘量小，經計算，在要求的設計尺寸下，轉子開口槽的軛磁密偏高，不宜採用。本電機因是實心轉子故閉口槽不易加工，為解決這個問題，採用實心軸上套軸環，軸環熱套在軸上，軸環長度短便於加工，採用線切割。

本發明的定、轉子槽配合：24/34,定子槽型採用半閉口平行齒梯形槽,定子斜槽，轉子採用閉口槽，經過有限元計算，在該槽配合及槽型下，電機在變頻電源下能夠正常起動，滿載起動15s內逐步升高接近5200rpm,電機滿載運行轉子轉速為5959rpm,電機實現恆轉矩起動。變頻起動時沒有局部磁密過大的現象，較低的電磁噪聲和振動，且起動性能良好。

本發明工作原理

本發明是一種變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構，溼式電機屬於三相異步電動機，為雙層短距同心式繞組，定子1由衝片3疊壓而成，轉子2為實心軸熱套軸環4結構，定子槽型5為半閉口平行齒梯形槽，轉子槽型6為倒梨形閉口槽。

定子槽數為24，轉子槽數為34，電機的氣隙磁密為0.6T左右，定子1為斜槽結構，即定子鐵芯第一個衝片的槽與最後一個衝片相應的槽，軸線旋轉一個角度，將定子槽扭過一個定子齒距。

本發明保證電機能夠滿足泵的起動要求。定子與轉子槽配合：24/34,定子槽型為半閉口平行齒梯形槽，圖3所示，轉子為倒梨形閉口槽，圖4所示，定子為斜槽。溼式電機為雙層短距同心式繞組，嵌線容易，便於實現機械化。一般q1(每極每項槽數)＝4、6、8適用於二極電機，本發明q1＝4,定子槽數為24，適用於同心雙層短距繞組，定子採用分布短距雙層同心式繞組，所以除齒諧波之外的其它頻率的諧波磁勢幅值均被極大程度地削弱。由於齒諧波繞組係數等於基波繞組係數，所以齒諧波磁勢幾乎不受影響。因為三相異步電動機的定、轉子開槽，造成整個氣隙圓周範圍內的磁阻不均勻，電機運轉時電磁轉矩和感應電動勢相應波動，定子斜槽後，形成的電磁轉矩和感應電動勢近似於同一根導線均勻分布在一段圓周範圍內的平均值，能有效地削弱齒諧波磁場所產生的諧波電動勢，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉矩，降低電磁振動和噪聲。定子斜槽後雖然也會使定子感應的基波電動勢減少，但選擇的斜槽度為一個齒距相對於極距來說小很多，因而對電機基本性能影響很小，故採用定子斜槽。

定子衝片槽型採用半閉口平行齒梯形槽，可以減少鐵心表面損耗和齒內脈振損耗，並使有效氣隙長度減小，功率因數得到改善。轉子採用閉口槽可以達到減少表面附加損耗的效果，同時閉口槽也有利於防止轉子銅條甩出，利於電機縮小尺寸，便於水泵下井。普通的交流電機實心軸轉子槽型一般為開口槽，本電機因用於煤礦搶險，要求直徑儘量小，經計算，在要求的設計尺寸下，轉子開口槽的軛磁密偏高，不宜採用。

轉子槽數應與定子槽數配合確定，定、轉子槽配合的選擇應使電機能正常起動，轉矩－轉速平滑，起動及運轉時無顯著振動，電磁噪聲、雜散損耗小。

異步電動機採用少槽、近槽配合，即轉子槽數接近且少於定子槽數，可減少齒諧波磁通在鐵心齒中產生的脈振損耗，因此對降低雜散損耗和溫升比較有利。但少槽、近槽配合容易產生電磁振動和噪聲，也可能會產生同步轉矩應全面考慮。本電機初步方案槽配合為24/28,24/34但從磁密分布以及起動性能和降低振動及噪聲角度考慮，經過計算對比，選擇了24/34。

本發明槽配合：24/34,經過有限元計算，在該槽配合及槽型下，電機在變頻電源下能夠正常起動，滿載起動15s內逐步升高接近5200rpm，電機滿載運行轉子轉速為5959rpm,電機實現恆轉矩起動。變頻起動時沒有局部磁密過大的現象，且起動性能良好。

發明的技術效果：1)電機變頻起動時，所設計的電機能完成起動過程，2)電機沒有局部磁密過大現象。3)空載運行時氣隙磁密0.615T，滿載時為0.585T，4)電機試驗噪聲低，振動為2.2m/s,5)電機溫升合格。

附圖說明：

圖1變頻高速溼式防爆電機結構剖視圖

圖2定子、轉子槽配合結構圖

圖3定子衝片槽型圖

圖4轉子槽型圖

具體實施方式：

如圖1所示，一種變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構，溼式電機屬於三相異步電機，採用雙層短距同心式繞組，如圖2所示，定子1為衝片3疊壓而成，轉子2為實心軸熱套軸環4結構，定子槽型5為半閉口平行齒梯形槽，如圖3所示，轉子槽型6為倒梨形閉口槽。

定子槽數為24，轉子槽數為34，電機的氣隙磁密為0.6T左右，如圖4所示，定子1為斜槽結構，即定子鐵芯第一個衝片的槽與最後一個衝片相應的槽，軸線旋轉一個角度，將定子槽扭過一個定子齒距。電機的槽配合為24/34，定子衝片槽型如圖3所示,定子衝片槽型為半閉口平行齒梯形槽，槽的底部比頂部寬，使齒壁基本上平行，電機繞組是同心式，非成型線圈。採用半閉口槽可以減少鐵心表面損耗和齒內脈振損耗，並使有效氣隙長度減小，功率因數得到改善。如圖4所示轉子槽型為閉口槽，其優點是減小電機的附加損耗，利於電機縮小尺寸，便於水泵下井，普通的交流電機實心軸轉子槽型一般為開口槽，本電機因用於煤礦搶險，要求直徑儘量小，經計算，在要求的設計尺寸下，轉子開口槽的軛磁密偏高，不宜採用，同時因電機的轉速高，閉口槽型更利於防止銅條甩出。

轉子槽數應與定子槽數配合確定，定、轉子槽配合的選擇應使電機能正常起動，轉矩－轉速平滑，起動及運轉時無顯著振動，電磁噪聲、雜散損耗小。

異步電動機採用少槽－近槽配合，即轉子槽數接近且少於定子槽數，可減少齒諧波磁通在鐵芯齒中產生的脈振損耗，因此對降低雜散損耗和溫升比較有利。但少槽－近槽配合容易產生電磁振動和噪聲，也可能會產生同步轉矩應全面考慮。本電機初步方案槽配合為24/28,24/34，但從磁密分布以及起動性能和降低振動及噪聲角度考慮，經過計算對比，選擇了24/34。

24/34槽配合，按照西安交通大學電機設計產生不良後果的槽配合進行考慮均不在範圍內，並用有限元進行了計算，電機在變頻電源下能夠實現恆轉矩起動，降低了振動及噪聲，按照槽型尺寸計算，電機沒有局部磁密過高現象。經過試驗驗證，電機能夠平穩起動，噪聲低、振動值為2.2m/s，電機性能、電機溫升合格。

本發明為一種變頻高速溼式防爆電機定子與轉子槽配合結構，槽配合為24/34,定子衝片槽型為半閉口平行齒梯形槽，轉子為倒梨形閉口槽，在變頻電源起動下，電機實現了恆轉矩平穩起動，噪聲低、振動小，電機性能及溫升合格，電機達到使用要求。