YK6500-2/1350 10kV IP54大型兩極高速三相異步電動機的設(shè)計

【摘?要】本文介紹了YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動機的設(shè)計過程，介紹了該類電機的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點，并指出了在設(shè)計中所采取的關(guān)鍵措施。

【關(guān)鍵詞】高速三相異步電動機;電磁設(shè)計;結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

2019年筆者接到產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)，要求設(shè)計YK6500-2/1350 10kV IP54大型高速三相異步電動機。工業(yè)用大中型高速電動機始終是行業(yè)內(nèi)的難點產(chǎn)品，加之此臺兩極高速電動機功率較大，給設(shè)計帶來了很大難度。為此，在設(shè)計時重點要合理的設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，滿足電機安全穩(wěn)定運行要求。

1.電動機基本技術(shù)參數(shù)

型號：YK6500-2/1350

額定電壓：10kV

額定電流：434A

額定頻率：50Hz

效率：97.2%

功率因數(shù)：0.89

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：2.03

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.89

堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：4.47

2.電磁設(shè)計

該電機選擇定子沖片外徑φ1350mm，轉(zhuǎn)子沖片外徑φ650mm，鐵芯總長1090mm，通風道數(shù)26，定子槽型選用開口槽，轉(zhuǎn)子槽型選用凸型槽，以利用集膚效應(yīng)使槽內(nèi)導體有效高度較小，使轉(zhuǎn)子起動電阻增加、槽漏抗減小，從而提高起動轉(zhuǎn)矩，降低起動電流，獲得滿意的啟動性能。在設(shè)計過程中，既要考慮兼顧電機各項性能指標要求，又要考慮成本，并且溫升留有合理裕度。定子齒磁密1.51T，定子軛磁密1.49T，轉(zhuǎn)子齒磁密1.52T，轉(zhuǎn)子軛磁密1.46T，氣隙磁密0.71T。

定子采用雙層疊繞組，綜合考慮削弱諧波和定子嵌線時工藝要求，節(jié)距取2/3極距，定子接線Y接。因定子電流較大，并聯(lián)支路數(shù)選擇2路。考慮經(jīng)濟性和電機散熱要求，熱負荷設(shè)計在3000附近。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1總體結(jié)構(gòu)

電動機結(jié)構(gòu)形式為IM7311，主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、冷卻器、底板等幾大部分組成（見圖1）。軸承和定子安裝在底板上，由底板承擔電機重量和運行扭矩，定子上安裝有空-水冷卻器，實現(xiàn)電機熱交換。具有外形美觀，噪聲低、振動小，高效節(jié)能，運行穩(wěn)定，安裝、維護方便等優(yōu)點。

3.2 定子結(jié)構(gòu)

定子包括機座、定子鐵芯、定子線圈等關(guān)鍵部分，機座由鋼板焊接而成，保證了電機機械強度。定子采用內(nèi)壓裝，徑向通風道結(jié)構(gòu)，在機座內(nèi)疊片，用機座內(nèi)筋板緊固，壓裝后，由定子壓圈壓緊。鐵芯壓緊后將固定片與機座壁板焊牢，然后進行嵌線、整浸。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是鐵芯在機座內(nèi)固定后，不再受下幾道工序的影響而導致鐵芯變形，并且鐵芯壓裝好后，嵌線在機座內(nèi)進行不易碰壞。

定子繞組為雙層疊繞組，整個定子繞組采用VPI真空壓力浸漆工藝，繞組端部和直線部位固化成整體。同時，浸漬漆充分占滿槽內(nèi)空間，提高散熱性能。

3.3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是電機的旋轉(zhuǎn)部件，電機額定轉(zhuǎn)速達到2990r/min，在如此高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子各部件承受了巨大的離心力，因此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、風扇，平衡環(huán)等。

3.3.1轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸在設(shè)計時，應(yīng)從以下幾個方面考慮：

（1）要有足夠的強度。

（2）要有足夠的剛度。即其撓度必須在合理的范圍內(nèi)。

（3）臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開額定轉(zhuǎn)速，以免發(fā)生共振。

在設(shè)計轉(zhuǎn)軸時，轉(zhuǎn)軸材質(zhì)使用優(yōu)質(zhì)45#鍛鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，滿足強度要求。為保證電機運行的可靠性，異步電機總撓度不應(yīng)超過電機氣隙值的10%。經(jīng)計算本電機轉(zhuǎn)軸撓度設(shè)計為6.4%，符合規(guī)定之要求。本電動機轉(zhuǎn)軸設(shè)計成了柔性軸，即一階臨界轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速。為了避免電機工作時產(chǎn)生共振，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開額定轉(zhuǎn)速15%。經(jīng)計算，本電機一階臨界轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的74%，滿足電機安全運行的要求。

3.3.2轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯由轉(zhuǎn)子沖片疊置而成，經(jīng)離心鑄鋁鑄出槽內(nèi)導條和鐵芯兩側(cè)的端環(huán)，使轉(zhuǎn)子鐵芯成為一個堅實的整體。轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸采用過盈配合，轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸通過熱套方式連接。轉(zhuǎn)子鐵芯設(shè)計有徑向通風道，而轉(zhuǎn)子沖片開有軸向通風孔，保證電機內(nèi)部通風需求。為保證機械強度，轉(zhuǎn)子沖片為整圓沖片。

由于兩極電機轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子所受離心力大，轉(zhuǎn)子鐵芯需計算離心應(yīng)力，使其不超過限值。在計算時，我們將轉(zhuǎn)子鐵芯看做厚壁圓筒，根據(jù)厚壁圓筒的機械計算原理，我們可以得知：厚壁圓筒由自身離心力所引起的切向拉應(yīng)力的最大值產(chǎn)生在其內(nèi)圓表面上。其值為：

通過計算本電機轉(zhuǎn)子鐵芯所受應(yīng)力最大值為162MPa，滿足設(shè)計限值要求。

3.3.3轉(zhuǎn)子風扇的設(shè)計

由于兩極電機轉(zhuǎn)子外徑小、轉(zhuǎn)速高，因此適宜選用軸流風扇。軸流風扇的特點是效率高、噪音低，氣體通過軸流風扇時一般不改變運動方向，正好與轉(zhuǎn)子通風槽管形成的“離心風扇”形成串聯(lián)風扇，能夠加強電機的冷卻效果。風扇整體鑄造而成，以保證機械強度和獲得較好的性能。

4.結(jié)語

該電機裝配完成后型式試驗一次性合格，達到了設(shè)計預期，通過型式試驗可以看出，本電機各項性能指標達到了設(shè)計預期。目前，該電機已交付用戶使用，投入運行近一年以來，運行情況始終良好，各項性能指標均正常，產(chǎn)品質(zhì)量受到了業(yè)主一致好評。此次YK6500-2/1350 10kV IP54大型兩極高速三相異步電動機的設(shè)計成功，為公司打開了大功率高速電機的市場的同時也為制造大型高速電機積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]陳世坤. 電機設(shè)計[M ]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]湘潭電機廠. 交流電機設(shè)計手冊[M ]. 長沙：湖南人民出版社，1978.

作者簡介：

張帆，（1994年7月--），男，漢族，籍貫：遼寧;學歷：大學本科;職稱：助理工程師;研究方向：電氣。

（作者單位：泰豪沈陽電機有限公司）