4/24遠極比電機磁密的研究

郭英桂，張永平

（晉中學(xué)院機械學(xué)院，山西晉中 030600）

0 引言

圖1 雙速子母電機及傳動結(jié)構(gòu)示意圖

精梳機是紡織機械的主要產(chǎn)品之一，是一種制造粗細均勻的精梳條紡織機械.E7/5（或E7/5A）型高速精梳機主傳動電機選用雙速子母電機，由兩臺獨立的電機通過齒輪箱連接在一起，從高速電機軸頭輸出功率，兩臺電機功率分別為4.6千瓦和0.83千瓦.低速運行時，由低速電機通過齒輪箱減速與高速電機連接，從高速電機軸頭輸出低轉(zhuǎn)速186轉(zhuǎn)/分的功率；高速運行時，高速電機的錐形轉(zhuǎn)子在磁場的作用下軸向竄動，斷開與齒輪箱的連接，直接輸出轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/分的功率.電機及傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)與傳動形式，成本高，控制復(fù)雜.經(jīng)市場調(diào)研，兩臺單獨的電機通過齒輪箱連接在一起，高速電機的錐形轉(zhuǎn)子經(jīng)常發(fā)生軸向竄動，容易發(fā)生機械和電氣故障，影響生產(chǎn)的正常進行.國內(nèi)目前有采用通用變頻器TD1000－4T0055G和普通Y系列電機Y132S-4（5.5千瓦）進行雙速子母電機替代改造,性能可以滿足要求，但E7/5（E7/5 A）型精梳機僅需兩種轉(zhuǎn)速，使用變頻器是一種浪費，且成本較高.現(xiàn)提出由一臺4/24電機代替上述兩種方案，省去復(fù)雜的轉(zhuǎn)換傳動方式或變頻器調(diào)速方式，控制簡單化，不僅價格可降低（比采用變頻調(diào)速方案價格低2/3），同時也避免了采用雙速子母電機拖動系統(tǒng)中機械故障的產(chǎn)生.對于極數(shù)比為4/24雙速電機，電機極數(shù)跨距大，磁密設(shè)計需兼顧兩極要求；其次，安裝空間要求最大采用Y160電機的外形尺寸，則定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)增加后，在有限槽面積內(nèi)繞組設(shè)計及沖片的機械強度能否滿足要求是另一個主要問題，這也是制約電機磁密設(shè)計的因素之一.

1 沖片及繞組分析

1.1 定、轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計

E7/5（E7/5 A）精梳機主電機配套的兩臺雙速子母電機，其功率比4.6 kw/0.83 kw，其安裝空間要求最大采用Y160電機的外形尺寸.電機設(shè)計定子沖片外徑φ260mm，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ170mm，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑φ60mm，可以滿足安裝要求.根據(jù)電動機定、轉(zhuǎn)子槽配合理論，通過分析計算，4/24兩級電機定、轉(zhuǎn)子沖片的槽數(shù)72/66較文獻[1]推薦的單級電機72/63、72/68槽配合，在滿足消除或消弱同步諧波轉(zhuǎn)矩的同時，使得定轉(zhuǎn)子齒諧波次數(shù)沒有相等的機會，前者可避免出現(xiàn)電動機在低速波“咬住”的現(xiàn)象.定子沖片設(shè)計如圖2所示，轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計如圖3所示.

圖2 定子沖片圖

圖3 轉(zhuǎn)子沖片圖

外徑為φ260mm定子電機，可實現(xiàn)最大功率為10 kw左右，單純滿足4.6 kw，顯然具有較大的裕度，可同時兼顧24極、0.8 kw的設(shè)計，在外形尺寸要求下，兩極電機磁密設(shè)計滿足各自性能指標(biāo)前提下，需校核定子繞組槽滿率和定轉(zhuǎn)子沖片的強度是否符合加工工藝和安裝裝配要求.

1.2 沖片分析

1.2.1 定子沖片分析

根據(jù)電機設(shè)計理論，極數(shù)為24極電機，定子必須至少有72個槽.對于內(nèi)徑為φ170mm的定子沖片，沖制72個定子槽，定子齒距為t1=7.41mm.定子齒距的大小能否滿足工作要求，一方面從沖制加工考慮，沖片需進行機械強度校核；另一方面，對于定子繞組加工而言，定子齒距t1若過小，定子沖片疊壓時槽口部位易炸開，不僅影響嵌線，如果疊壓后齒部得不到充分預(yù)緊，產(chǎn)生一定間隙，將直接影響電機氣隙磁密的分布，使電機性能指標(biāo)無法滿足設(shè)計要求.此外，槽形需有足夠的槽面積放置定子繞組，對于外徑φ260mm定子沖片，定子齒寬設(shè)計值bT1=3.50mm.同樣定子齒寬大小是否滿足要求，一方面需進行機械強度校核，若此值過小，會增加了工藝沖制加工的難度，且疊壓時易發(fā)生沖片變形或造成斷齒；另一方面，直接影響齒磁密的分布，易造成4極齒磁密較低而24極齒磁密過飽和的現(xiàn)象.

經(jīng)機械強度分析校核，定子齒距t1≥7.20mm，定子齒寬bT1≥3.30mm即可滿足強度要求，定子沖片槽形如圖4所示.

1.2.2 轉(zhuǎn)子沖片分析

電機設(shè)計有66個轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ170mm、內(nèi)徑φ60mm，轉(zhuǎn)子齒距t2=8.08mm，轉(zhuǎn)子齒寬設(shè)計值bT2=1.6m，轉(zhuǎn)子沖片槽形如圖5所示.轉(zhuǎn)子齒寬對轉(zhuǎn)子鐵心的制造及電機性能影響較大.如果設(shè)計尺寸過小，一方面沖片易發(fā)生變形，在疊壓加工過程中造成槽形錯位，影響轉(zhuǎn)子齒磁密的分布；另一方面，為克服高次諧波影響，轉(zhuǎn)子采用斜槽，需扭斜一個定子齒距，如果轉(zhuǎn)子齒寬強度不夠，沖片在此處變形甚至斷裂，造成鋁液流入，使轉(zhuǎn)子槽數(shù)發(fā)生畸變，會直接影響電機性能指標(biāo).合適的轉(zhuǎn)子齒寬，是保證轉(zhuǎn)子沖片強度，產(chǎn)生合適齒磁密的前題.

圖4 定子沖片槽形局部展開圖

圖5 轉(zhuǎn)子沖片槽形局部展開圖

通過對轉(zhuǎn)子沖片機械強度分析計算，轉(zhuǎn)子齒寬bT2≥1.5mm，即能滿足強度要求.

1.3 定子繞組設(shè)計

遠極比4/24電機，兩個極數(shù)相差較大，由一套繞組通過變極方法實現(xiàn)比較困難，擬采用兩套繞組分別實現(xiàn)4極和24極.4極繞組采用交叉式放置于槽的下層，24極繞組采用鏈?zhǔn)椒胖糜诓鄣纳蠈?因繞組設(shè)計需在限定的定子槽形內(nèi)，兩套繞組各自的導(dǎo)體匝數(shù)和并繞根數(shù)的設(shè)計，在保證電機各部分磁密情況下，需有足夠的槽面積放置兩套繞組，槽滿率能否滿足嵌線工藝要求，是該電機設(shè)計需要校核的另一個主要指標(biāo).

文獻[2]給出槽滿率計算公式：

式中：N1—導(dǎo)體并繞根數(shù)；Z1—每槽導(dǎo)體數(shù)；

d—導(dǎo)體線徑；Se—槽有效面積.根據(jù)式（1）所求，4/24兩極繞組槽滿率為0.794，符合雙層繞組嵌線加工工藝要求槽滿率≤0.8的要求.

4/24電機兩極繞組與4極繞組為定子內(nèi)部三角形聯(lián)接，接線盒內(nèi)三根引出線；24極繞組為定子內(nèi)部星形聯(lián)接，接線盒內(nèi)三根引出線.六根引出線通過外部電路實現(xiàn)4極和24極的轉(zhuǎn)換控制，使接線與控制簡單化.圖6為4極和24極繞組聯(lián)接及接線盒內(nèi)引線排列圖.

2 磁密研究

圖6 4極和24極繞組聯(lián)接及接線盒內(nèi)引線排列圖

2.1 氣隙磁密

由電機理論可知，電機磁密決定其主要性能指標(biāo)，是電機設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié).遠極比4/24雙層繞組電機，拖動精梳機工作時，4極電機為主運動形式，24極為輔助運動形式，處于短時點動運行狀態(tài)，以便于精梳機工作時精梳條生頭.兩極電機磁密設(shè)計，需根據(jù)電機實際運行狀態(tài)，滿足符合加工工藝要求的電機性能參數(shù).關(guān)于兩極電機氣隙磁密，文獻[2]給出氣隙磁密滿足如下關(guān)系式：

式（2）中：Fs—波幅系數(shù)；P—電機極數(shù)；εL—滿載電勢；U1—繞組相電壓；f—電源頻率；

Zφ1—每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；Kdp1—繞組系數(shù)；D1—定子沖片內(nèi)徑；Leff—鐵心有效長度.

其中，波幅系數(shù)Fs在鐵心不飽和時（飽和系數(shù)FT）取π/2，波幅系數(shù)如圖7所示.

圖7 波幅系數(shù)

由（2）式可見，在假設(shè)其他參數(shù)不變的前提下，氣隙磁密與電機極對數(shù)P成正比.因4/24兩個極數(shù)相差6倍，因此在電機磁密設(shè)計時，在同一定子鐵心中，同時滿足兩種遠極比4/24磁密，兩極繞組設(shè)計需充分保證主運動4極磁密的同時，適當(dāng)兼顧輔助運動24極磁密也滿足設(shè)計要求；氣隙磁密與每相繞組有效導(dǎo)體數(shù)Zφ1Kdp1、定子沖片內(nèi)徑D1成反比.因氣隙磁密與兩極的繞組匝數(shù)有一定系數(shù)的反比關(guān)系，繞組設(shè)計時，4極導(dǎo)體匝數(shù)較少，24極導(dǎo)體匝數(shù)較多，二者的比值應(yīng)接近于極對數(shù)的反比，以較好地保證兩種極對數(shù)下氣隙磁密較接近，同時滿足兩極下電機均能符合實際工作環(huán)境要求，避免磁密有一極過飽和而另一極過低的情況出現(xiàn)，否則易造成一極運行產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱而另一極性能指標(biāo)達不到設(shè)計要求.兩極氣隙磁密的設(shè)計值見表1：

由表1可知，低速時（24極）的氣隙磁密稍大于高速時（4極）的氣隙磁密，這與單繞組變極電機理論是相吻合的.4極和24極的工作氣隙相同，在保證4極氣隙磁密的情況下，24極磁路易出現(xiàn)飽和情況，設(shè)計時主運動4極磁密在滿足性能指標(biāo)前提下，應(yīng)適當(dāng)兼顧輔助運動24極磁密，兩極繞組有合適的匝數(shù)比，使兩種極對數(shù)下氣隙磁密較接近.

表1 4極、24極空載和滿載氣隙磁密設(shè)計值 單位：T

電機的輸出轉(zhuǎn)矩是精梳機工作時的一個主要考核指標(biāo)，遠極比電機在兩種極對數(shù)下的轉(zhuǎn)矩關(guān)系近似于下式：

式（3）中：T1、T2—4極、24極的輸出轉(zhuǎn)矩；Bδ01、BBδ02—4極、24極的氣隙磁密.

由表1和式（3）可知，兩種極數(shù)下電機均有較高的輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足精梳機實際拖動工作的需求.

2.2 鐵心磁密

鐵心磁密設(shè)計合理與否，也可反向驗證電機定子繞組設(shè)計、定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計的合理性，硅鋼材料的利用率高低.鐵心磁密是電機溫升產(chǎn)生的主要因素之一，表2是兩種極對數(shù)下空載和滿載時鐵心各部分的磁密設(shè)計值：

表2 4極、24極空載和滿載鐵心各部分的磁密值 單位：T

表2中：BT10、BT20—空載定、轉(zhuǎn)子齒磁密；BT1、BT2—負(fù)載定、轉(zhuǎn)子齒磁密；Bc10、Bc20—空載定、轉(zhuǎn)子軛磁密；Bc1、Bc2—負(fù)載定、轉(zhuǎn)子軛磁密.

由表2可看出，4極電機的鐵心各部分磁密設(shè)計較好，各部分磁密基本工作于磁化曲線的膝部狀態(tài)，鐵心材料利用率高，鐵耗小，產(chǎn)生溫升低.24極電機的各部分磁密值中，定、轉(zhuǎn)子軛磁密Bc1、Bc2較低，而空載定子齒磁密BT10和空載轉(zhuǎn)子軛磁密Bc20較高，出現(xiàn)了飽和情況，這是設(shè)計時為保證4極電機的磁密而造成的.實際上輔助運動24極為短時運行方式，因而部分較高的磁密值造成電機溫升增加的影響是較小的，能夠滿足精梳機實際工作環(huán)境的要求.

3 結(jié)論

在精梳機的裝配環(huán)境要求電機限定尺寸下，遠極比4/24電機采用雙繞組方案設(shè)計，經(jīng)定子繞組設(shè)計、定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計與校核，兩極磁密設(shè)計值是合理的，能較好地滿足兩極電機性能指標(biāo)的要求，使該類電機制造成為可能.由一臺4/24雙繞組電機替代兩臺雙速子母電機或變頻調(diào)速電機，能夠滿足精梳機的拖動與控制的要求，可避免出現(xiàn)較高的機械故障且有較好的經(jīng)濟效益.

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