大型凸極同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗的計(jì)算

劉兆江，李俊亭

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

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大型凸極同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗的計(jì)算

劉兆江，李俊亭

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

分析了大型凸極同步電動(dòng)機(jī)雜散損耗產(chǎn)生的原因，介紹了磁路法計(jì)算雜耗的具體方法，并根據(jù)相應(yīng)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)列舉了一些降低雜散損失的主要措施，對于同類電機(jī)的雜耗計(jì)算有較大的借鑒意義。

凸極同步電動(dòng)機(jī)； 雜散損耗；計(jì)算；等效磁路法

0 引言

大型凸極同步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、煤炭等行業(yè)， 其用電量占有極其重要的地位。高效率電機(jī)利于節(jié)約電能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可減少碳排放量，創(chuàng)造良好的社會效益。電機(jī)效率決定于損耗，其中的雜散損耗由于受定轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)形式、電磁參數(shù)及其材料性能等復(fù)雜因素影響，一直難于計(jì)算，目前大多按容量的0.4%～1%估算，誤差較大。若采用有限元法，準(zhǔn)確分析計(jì)算需要三維有限元法，耗費(fèi)時(shí)間長，如果要優(yōu)化設(shè)計(jì)，反復(fù)工作量更大。本文采用電機(jī)等效磁路法，可快速完成電機(jī)各項(xiàng)損耗計(jì)算，以此為基礎(chǔ)，易于電機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和電磁優(yōu)化。

1 雜耗產(chǎn)生的原因及分類

由定、轉(zhuǎn)子繞組中電流產(chǎn)生的漏磁場及高次諧波磁場，以及由氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的氣隙磁場變化而引起的損耗稱為雜散損耗，一般分為空載鐵心中的附加損耗和負(fù)載時(shí)的附加損耗。

1.1 空載時(shí)，由于定子開槽，氣隙磁導(dǎo)齒諧波磁場與磁極相對運(yùn)動(dòng)，將在磁極上產(chǎn)生損耗。由于磁場頻率較高，損耗主要集中在磁極表面的薄層內(nèi)和阻尼條中。此外，由定子開槽后氣隙磁通脈動(dòng)導(dǎo)致的磁場變化也會引起齒中的脈振損耗。其共同產(chǎn)生的表面損耗和脈振損耗用PFepe表示，單位kW。

×10-5

(1)

式中，Kδ1—定子齒氣隙系數(shù)；Bδ—?dú)庀镀骄琶?，Gs；t1—定子齒距，mm；AK—極靴表面計(jì)算面積，mm2；Z—定子槽數(shù)；nN—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；K1、K2—系數(shù)，見表1和表2。

表1 系數(shù)K1

表2 系數(shù)K2

1.2 負(fù)載時(shí)，定子繞組在氣隙中建立的諧波磁勢所產(chǎn)生的諧波磁場以不同的速度相對磁極和定子運(yùn)動(dòng)感生電流，且由于繞組存在漏磁場，這些漏磁場在繞組和所有臨近的金屬結(jié)構(gòu)件中感生渦流，產(chǎn)生附加損耗，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面。

1.2.1 凸極機(jī)氣隙不均勻，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢與電樞反應(yīng)磁勢的基波分量均在氣隙中產(chǎn)生3次諧波磁場。運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子3次諧波磁場互相疊加, 磁場中三次諧波在定子齒中引起的附加損耗Pt3，單位kW。

(2)

式中，G—定子齒重量，kg;PFe10—硅鋼片比鐵耗，w/kg;Bt1/2—空載電壓時(shí)定子齒中心平均磁密，Gs；Xad—縱軸電樞反應(yīng)電抗；Xd—縱軸同步電抗；Ad3—電樞反應(yīng)磁場三次諧波幅值系數(shù)，見圖1；α3—空載磁場三次諧波幅值系數(shù)，見圖2。

1.2.2 電樞繞組通電時(shí)其導(dǎo)體沿槽高截面各部分的漏磁通匝鏈數(shù)不同，槽底部分漏抗較大，電流小，因此繞組內(nèi)部形成渦流。此外，通過鼻端連接處并聯(lián)股線間流過的循環(huán)電流也會產(chǎn)生損耗，如同電阻增大，其損耗有效電阻與歐姆電阻之比定為k，即在定子繞組中引起附加銅耗Pcus，單位kW。

Pcus=(k-1)Pcu

(3)

式中，k—電阻增加系數(shù)；Pcu—定子直流電阻銅耗，kW。

1.2.3 電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子磁場中齒諧波在極靴表面及阻尼繞組中感生渦流，產(chǎn)生附加損耗Ppt，單位kW。

(4)

式中，Xad—縱軸電樞反應(yīng)電抗；Z—定子槽數(shù)；2p—電機(jī)極數(shù)；K′—系數(shù)，見表3。

表3 系數(shù)K′

1.2.4 定子各次相帶諧波磁勢產(chǎn)生的各次諧波在磁極表面產(chǎn)生的損耗Pkv，單位kW。無阻尼條時(shí)

(5)

式中，q—每極每相槽數(shù)；Z—定子槽數(shù)；2p—電機(jī)極數(shù) ；Kσ—系數(shù)，見表4。

表4 系數(shù)Kσ

有阻尼條時(shí)

×10-5

(6)

nB—每極阻尼條數(shù)；dB—阻尼條直徑，mm；lB—阻尼條長度，mm；CB—阻尼條與銅的比電阻系數(shù)；kδ—總氣隙系數(shù)；τ—極距，mm；δ—最小氣隙長度，mm；Fδ—空氣隙磁勢，AW；lE—定子繞組端部半匝長，mm；β—繞組短距比；t2—阻尼孔距，mm；δ′—計(jì)算氣隙長度，mm；bsh—阻尼槽口寬，mm。

1.2.5 電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，漏磁場在定子齒壓板及端蓋上產(chǎn)生附加損耗Pad。由于繞組端部電流的空間分布復(fù)雜，加之靠近端部的部件如端板和壓板的距離及其材質(zhì)不同,精確計(jì)算端部電流漏磁場在這些部件里產(chǎn)生的損耗難于計(jì)算，單位kW，經(jīng)驗(yàn)公式如下

(7)

式中，Di1—定子內(nèi)徑，mm;A1—定子電負(fù)荷，A/m；f—頻率，Hz。

2 電機(jī)功率流程

電機(jī)能量轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3中，P1—定子側(cè)輸入功率；PFe—定子鐵耗；Pcu—銅耗;Pm—機(jī)耗;PS—雜耗;P2—輸出功率。

電機(jī)雜耗PS=P1-PFe-Pcu-Pm-P2，其中PS=Pcus+PFePe+Ppt+Pkv+Pt3+Pad

3 設(shè)計(jì)程序流程

本程序是基于大中型凸極同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)編制的，程序主要分為數(shù)據(jù)輸入、磁路基本尺寸計(jì)算、電磁參數(shù)計(jì)算、損耗計(jì)算，溫升計(jì)算和結(jié)果輸出6部分，流程見圖4。

4 降低雜散損耗措施

如今對電動(dòng)機(jī)雜散損耗的認(rèn)識仍然處于研究階段，現(xiàn)在降低雜散損失的主要方法有。

4.1 改善極靴形狀，主極極靴外形影響氣隙磁場在空間的分布，呈現(xiàn)非正弦性，可通過極靴的優(yōu)化設(shè)計(jì)減少奇次空間諧波。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，極靴寬度與極距比一般取0.7～0.75，最大氣隙與最小氣隙比取 1.5。

4.2 采用分布繞組，增加每極每相槽數(shù)q，能有效抑制諧波電動(dòng)勢，但是q過多，將提高電機(jī)成本，降低基波的繞組系數(shù)，因此選用6≥q≥2。

4.3 采用短距，根據(jù)電機(jī)情況，適當(dāng)調(diào)整線圈的跨距， 以降低繞組的諧波含量。

4.4 采用分?jǐn)?shù)槽繞組， 每極每相槽數(shù)q等于分?jǐn)?shù)時(shí)，齒諧波次數(shù)一般為分?jǐn)?shù)或偶數(shù)，而主極磁場中僅含有奇次諧波，因此不會出現(xiàn)齒諧波電動(dòng)勢。

4.5 采用斜槽，經(jīng)過計(jì)算當(dāng)斜過的齒等于1個(gè)齒距時(shí)能消除齒諧波，但大型電機(jī)斜槽時(shí)，鐵心疊壓工藝比較復(fù)雜， 可采用斜極來削弱齒諧波。

4.6 磁極采用硅鋼片，其表面氧化膜絕緣層增加渦流回路的電阻，減小磁極的表面損耗。

4.7 減少槽寬與氣隙的比值，能降低磁通密度幅值，可減小磁極的表面損耗。

4.8 采用磁性槽楔，開口槽時(shí)電機(jī)氣隙磁場在齒和槽的分布不均勻，使用導(dǎo)磁性槽楔可減小電機(jī)的氣隙系數(shù)，使氣隙磁密變得更加均勻，顯著減小脈振損耗和表面損耗。

4.9 改進(jìn)端部結(jié)構(gòu)，采用非磁性材料，減少端部漏磁在電機(jī)端蓋、壓指等金屬零部件中的損耗。

4.10 定子繞組采用換位技術(shù)，利用各股線在槽部感應(yīng)的電勢差來抵消端部漏磁場在繞組端部所感應(yīng)的不同電勢，使線圈各股線間的環(huán)流降低，從而減小繞組的環(huán)流損耗。

5 結(jié)語

本文分析了大型凸板同步電機(jī)雜散損耗產(chǎn)生的原因，利用磁路法充分考慮產(chǎn)生雜耗的各種因素,結(jié)果表明，該方法計(jì)算簡便,對相同類型電機(jī)的損耗分析具有一定的借鑒意義。

[1] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2] 白延年. 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 林錫川，費(fèi)師謹(jǐn).同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)難點(diǎn)分析.防爆電機(jī)，2007.6.

Calculation for Stray Loss of Large Salient-Pole Synchronous Motor

LiuZhaojiangandLiJunting

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper analyzes causing reason of stray loss of large salient-pole synchronous motor, introduces specific magnetic circuit method to calculate stray loss and lists some major methods which can reduce stray loss according to relevant theory and practical experience. It has

ignificance for calculating stray loss of the same kind of motors.

Salient-pole synchronous motor；stray loss；calculation；equivalent magnetic circuit method

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.11

TM306

B

1008-7281(2016)05-0037-004

劉兆江 男 1973年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作.

2016-04-06