中型高壓異步鑄鋁轉(zhuǎn)子電動機開發(fā)

袁飛雁

（重慶賽力盟電機有限責(zé)任公司，重慶 401329）

中型高壓異步鑄鋁轉(zhuǎn)子電動機開發(fā)

袁飛雁

（重慶賽力盟電機有限責(zé)任公司，重慶 401329）

為降低中型高壓電機制造成本，采用鑄鋁轉(zhuǎn)子替代銅排轉(zhuǎn)子。根據(jù)鑄鋁轉(zhuǎn)子 的特性，以高磁密、低熱負荷和電負荷設(shè)計定轉(zhuǎn)子槽形，優(yōu)化轉(zhuǎn)子內(nèi)外風(fēng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，計算電機內(nèi)外風(fēng)路需風(fēng)量、需風(fēng)壓和電機冷卻器的散熱面積。從經(jīng)典型規(guī)格試驗數(shù)據(jù)分析中可以看出，鑄鋁轉(zhuǎn)子性能參數(shù)符合考核標(biāo)準要求。

鑄鋁轉(zhuǎn)子；通風(fēng)槽管；風(fēng)路；損耗；散熱

1 概述

在中型高壓（6 kV、10 kV）異步電動機系列（H355-H560）（4-8P）上全面采用鑄鋁轉(zhuǎn)子設(shè)計，雖然有顯著的價格優(yōu)勢，但其弱勢也相當(dāng)明顯：電機溫升居高不下，電機效率低，電機難于進入高端行業(yè)，進而不能實現(xiàn)其全系列的開發(fā)價值。在同行業(yè)中，鑄鋁轉(zhuǎn)子電機通常用在低壓小功率電機上，沒有可借鑒的捷徑可走。通過在鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計上全面針對鑄鋁轉(zhuǎn)子的弱勢展開一系列的優(yōu)化設(shè)計，對鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的損耗特性、內(nèi)外風(fēng)路需風(fēng)量、關(guān)鍵部位風(fēng)阻風(fēng)速進行全面分析比較，確定鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，以及風(fēng)路元件的優(yōu)化設(shè)計和材料選型，解決鑄鋁轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子鐵芯散熱難度，提高電機的散熱冷卻效果和材料利用率，使全系列全新設(shè)計的中型高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子電機力能指標(biāo)和性能指標(biāo)合格率達100%。重慶賽力盟電機有限責(zé)任公司原本生產(chǎn)的中型高壓籠型轉(zhuǎn)子電機是以銅條為主，由于鋁的比重為2.7 g/mm3，銅的比重為8.9 g/mm3，使得鑄鋁轉(zhuǎn)子的鋁用量大幅下降，而且鋁的市場價格大約為銅的1/4，因此鑄鋁轉(zhuǎn)子電機成本優(yōu)勢顯著。在中型高壓電機系列（H355-H560）上采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，可大幅降低電機的制造成本（全新設(shè)計的鑄鋁轉(zhuǎn)子電機成本較公司最新的銅排轉(zhuǎn)子系列高壓電機成本，平均節(jié)約達10%左右），增加電機的銷售競爭力，同時能夠提升公司的中型高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子系列設(shè)計和制造能力，以達到國內(nèi)同行業(yè)的先進水平。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 電磁設(shè)計，滿足鑄鋁轉(zhuǎn)子電機低損耗要求

電磁設(shè)計中以高磁密、低熱負荷和電負荷設(shè)計定、轉(zhuǎn)子槽形，以保證鑄鋁轉(zhuǎn)子具有較高的性能參數(shù)。根據(jù)電機產(chǎn)品采用的鐵芯材料特性，最大程度地設(shè)計電機的高定轉(zhuǎn)子齒磁密（1 600 T左右），及控制定轉(zhuǎn)子軛部磁密（1 500 T左右）的方案，從而控制電機的損耗和熱負荷。使高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子電機在性能參數(shù)上保持行業(yè)先進水平。

2.1.1 優(yōu)化轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計

由于鋁的電阻率為0.043 4×10-4Ω·cm ，為銅電阻率（0.021 7×10-4Ω·cm）的2倍，為控制轉(zhuǎn)子損耗，鑄鋁轉(zhuǎn)子槽形選用槽面積較大的梨形圓底槽或類形的凸形槽,設(shè)計轉(zhuǎn)子鐵芯為平行齒，轉(zhuǎn)子電密和端環(huán)電密控制在2 A/mm2左右，使鑄鋁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子損耗和電機總損耗在電磁設(shè)計中保持和銅排轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子損耗和總損耗相當(dāng)。

2.1.2 轉(zhuǎn)子少槽配合

高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子槽配合的選用原則：一是滿足轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管的工藝要求，增大轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)面積；二是符合鼠籠型轉(zhuǎn)子電機槽數(shù)選擇的一般原則，采用少槽-近槽配合，以減少電機的附加損耗。4極槽配合為60/47，6極槽配合為72/58。

2.2 鑄鋁轉(zhuǎn)子風(fēng)路結(jié)構(gòu)研究，解決鑄鋁轉(zhuǎn)子電機散熱不暢的難題

2.2.1 增加轉(zhuǎn)子鐵芯徑向風(fēng)道寬度

鑄鋁轉(zhuǎn)子電機由于鋁的物理特性使電機的實際雜散損耗增加，而且鑄鋁轉(zhuǎn)子傳導(dǎo)性能差，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)（λ=205 W/（m·℃））小于紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)（λ=385 W/（m·℃））46.7%，所以增加的這部分損耗在轉(zhuǎn)子鐵芯中易產(chǎn)生“溏心”反應(yīng)，從而使鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的鐵芯溫升升高并大于電機繞組溫升。在全封閉鑄鋁轉(zhuǎn)子電機鐵芯的徑向風(fēng)道上直接將風(fēng)道加寬30%（見圖1），打開風(fēng)路瓶頸，使這部分損耗產(chǎn)生的熱量加快散發(fā)到冷卻器中。

圖1 電機鐵芯內(nèi)風(fēng)路結(jié)構(gòu)

2.2.2 采用梨形通風(fēng)槽管

鑄鋁轉(zhuǎn)子采用梨形通風(fēng)槽管設(shè)計（見圖2），保證鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵芯平行齒設(shè)計，增加轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽管間距。新型鑄鋁轉(zhuǎn)子梨形通風(fēng)槽管作為一種通風(fēng)更暢、散熱效果更好的電機鑄鋁轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管結(jié)構(gòu)，保證了高壓系列電機鑄鋁轉(zhuǎn)子的全面應(yīng)用和推廣。

圖2 電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)

2.2.3 增加導(dǎo)風(fēng)筒

為增強鑄鋁轉(zhuǎn)子的散熱能力，高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子設(shè)計在電機內(nèi)風(fēng)扇進風(fēng)口增加了導(dǎo)風(fēng)筒（見圖1），以將有限的風(fēng)量進行合理的分配，在滿足定子繞組需風(fēng)量的同時將風(fēng)量極大地分配給轉(zhuǎn)子鐵芯，降低鐵芯溫升。

2.3 轉(zhuǎn)子鐵芯風(fēng)壓元件標(biāo)準化、機械化設(shè)計，保證高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子電機系列化

轉(zhuǎn)子鐵芯風(fēng)壓元件全新設(shè)計，全面提升鑄鋁轉(zhuǎn)子質(zhì)量品質(zhì)。

2.3.1 轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管整體拉伸

轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管采用無縫鋼管車加工下料后整體拉伸成型（見圖3）,以此保證鑄鋁轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道的平整度和均勻度的提高，提高鐵芯疊壓質(zhì)量，減少風(fēng)道漏鋁、夾鋁。通過實驗得知，鑄鋁轉(zhuǎn)子的質(zhì)量得到了根本性的提高。

圖3 梨形通風(fēng)槽管

2.3.2 型材標(biāo)準化

通風(fēng)槽管型材規(guī)格通過設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計篩選規(guī)定為標(biāo)準規(guī)格（見表1），供全新設(shè)計的系列鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽管選用。

表1 通風(fēng)槽管型材規(guī)格

2.3.3 轉(zhuǎn)子端板加強設(shè)計

采用3 mm的鋼板激光切割加工，消除鑄鋁轉(zhuǎn)子兩端轉(zhuǎn)子沖片的波浪形彈開。通過實驗完全消除了鑄鋁轉(zhuǎn)子兩端轉(zhuǎn)子沖片的波浪形彈開。

2.4 鑄鋁轉(zhuǎn)子電機損耗分析研究，及通風(fēng)系統(tǒng)的計算

2.4.1 鑄鋁轉(zhuǎn)子電機損耗分析

根據(jù)典型規(guī)格樣機損耗試驗數(shù)據(jù)（見表2、表3），鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的鐵耗較同規(guī)格的銅排轉(zhuǎn)子增加了70%左右（鑄鋁轉(zhuǎn)子電機由于鋁的物理特性使電機的實際

表5 性能參數(shù)值

表6 電機損耗值

3.2 銅排轉(zhuǎn)子電機設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)比較

溫升檢測值如表所示，性能參數(shù)值如表8所示，電機損耗值如表9所示。電機損耗值如表6所示。

表7 溫升檢測值

表8 性能參數(shù)值

表9 電機損耗值

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.3.1 電機力能指標(biāo)

通過試驗數(shù)據(jù)比較可見，鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的力能指標(biāo)和性能參數(shù)全部達到國家標(biāo)準要求，并且與銅排轉(zhuǎn)子電機的力能值相當(dāng)。

3.3.2 電機損耗

總損耗鑄鋁轉(zhuǎn)子電機試驗較銅排轉(zhuǎn)子增加20%～30%左右。鐵耗和機械耗試驗值鑄鋁轉(zhuǎn)子較銅排轉(zhuǎn)子值增加了53%，增加的這部分損耗使鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的效率較銅排轉(zhuǎn)子降低0.8%～1.4%。

3.3.3 電機的溫升

鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的繞組溫升、鐵芯溫升按F級（105 K）考核全部合格，按B級（80 K）考核合格率為75%，鑄鋁轉(zhuǎn)子鐵芯溫升和銅排轉(zhuǎn)子的鐵芯溫升相當(dāng)。

4 結(jié)論

在高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子電機的設(shè)計上全面貫徹應(yīng)用先進的設(shè)計理念和軟件，搭建精細化的分析平臺，建立的全封閉箱式電機內(nèi)外風(fēng)路分析計算法通過試驗得到了驗證，并在其它系列全面推廣應(yīng)用。將中型高壓電機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)及風(fēng)路元件的材料定型，提高電機的散熱冷卻效果和材料利用率。提升公司的中型高壓鑄鋁轉(zhuǎn)子系列設(shè)計和制造能力達到國內(nèi)同行業(yè)的先進水平。

［1］ 陳世坤.電機設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1984.

［2］ 湯蘊璆，史乃.電機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 上海電器科學(xué)研究所《中小型電機設(shè)計手冊》編寫組.小型電機設(shè)計手冊［Z］.北京：機械工業(yè)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

該文獲重慶電機工程學(xué)會2014年學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文三等獎。

袁飛雁（1962-），高級工程師，研究方向為中型高低壓異步電動機。