中小型異步電動(dòng)機(jī)電磁負(fù)荷和氣隙長度的確定

杜世勤

（上海電機(jī)學(xué)院，上海201306）

1 引言

信息時(shí)代最具代表性的工業(yè)發(fā)明是計(jì)算機(jī)，電動(dòng)機(jī)則是電氣時(shí)代的標(biāo)志性產(chǎn)品，人類在技術(shù)迭代過程中體會(huì)了生產(chǎn)效率的提高。中小型異步電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛地運(yùn)用，替代了勞動(dòng)者的很多體力工作，因此在可見的將來還不會(huì)被淘汰。沒有最好的電機(jī)，只有最合適的電機(jī)。結(jié)合與時(shí)俱進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和信息自動(dòng)化程度日趨提高的加工工藝水平，中小型異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)變得容易實(shí)現(xiàn)。在加工自動(dòng)化、成本透明的當(dāng)代，設(shè)計(jì)一臺(tái)合適的中小型異步電動(dòng)機(jī)，常使用計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能。商用軟件輸入這種電機(jī)的幾何尺寸和繞組參數(shù)，接在一定頻率的電源電壓上，輸出給定功率的電機(jī)設(shè)計(jì)清單。輸入幾何參數(shù)不能靠碰運(yùn)氣，至少要完成中小型電動(dòng)機(jī)電負(fù)荷、磁負(fù)荷和氣隙長度的選取，為之后的設(shè)計(jì)調(diào)整創(chuàng)造良好的開端。

2 中小型異步電動(dòng)機(jī)電磁負(fù)荷的選取

對(duì)于所設(shè)計(jì)的中小型異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)，一般給定的是額定功率，而不是計(jì)算電磁功率。由于計(jì)算電磁功率表達(dá)以電磁能的形式通過定、轉(zhuǎn)子之間氣隙傳遞的功率，而額定功率是指輸出功率，計(jì)算電磁功率比額定功率大一些。

確定電機(jī)主要尺寸的一般方法：根據(jù)電機(jī)的額定功率PN，利用公式得出計(jì)算功率P′。然后根據(jù)P′與n（交流電機(jī)為同步轉(zhuǎn)速，直流電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速），結(jié)合所設(shè)計(jì)電機(jī)的特點(diǎn)，利用推薦的數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負(fù)荷A、Bδ，代入公式即可算得D2Lef[1]?？紤]電樞直徑D 和電樞的計(jì)算長度Lef的比例關(guān)系，計(jì)算得出電樞直徑D 和電樞的計(jì)算長度Lef，然后根據(jù)國家沖片標(biāo)準(zhǔn)，選取靠近的那一款。

D2Lef近似地表示轉(zhuǎn)子有效部分的體積。對(duì)于同一功率和同一轉(zhuǎn)速的電機(jī)，A、Bδ愈高，則電機(jī)的主要尺寸愈小，材料愈省。而要選用較高的A、Bδ，有賴于改善電機(jī)通風(fēng)散熱條件和使用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電導(dǎo)磁材料與絕緣材料。

設(shè)計(jì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電磁負(fù)荷A 和Bδ是依據(jù)制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)來選擇的。對(duì)于中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常取線負(fù)荷A 為1.5×104～5.0×104A/m，文獻(xiàn)[1]以曲線的形式描述了中國大量生產(chǎn)的中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的A 值，即線負(fù)荷和額定功率的關(guān)系。查文獻(xiàn)[1]中圖10-2，得到一個(gè)線負(fù)荷數(shù)值。參考文獻(xiàn)[1]中圖10-2，Y 系列中小型異步電機(jī)極對(duì)數(shù)P=1、2、3、4，輸出功率Pn為1～100 kW，用下述對(duì)數(shù)函數(shù)式表達(dá)為：

P=1 時(shí)，線負(fù)荷與額定功率的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 P=1 時(shí)線負(fù)荷與額定功率的關(guān)系

P=2 時(shí)，線負(fù)荷與額定功率的關(guān)系如圖2 所示。

P=3、4 時(shí)，線負(fù)荷與額定功率的關(guān)系如圖3 所示?？梢缘玫皆O(shè)計(jì)Y 系列中小型異步電動(dòng)機(jī)線負(fù)荷，并確定每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，進(jìn)而得到每槽導(dǎo)體數(shù)，取整后得到每線圈匝數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，在考慮機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的同時(shí)，電路方面還要考慮電機(jī)的銅耗、流過導(dǎo)體的電流，其電流密度J 不能太大，線負(fù)荷和電密的大小決定了電機(jī)槽的面積大小。

圖2 P=2 時(shí)線負(fù)荷與 額定功率的關(guān)系

圖3 P=3、4 時(shí)線負(fù)荷與額定功率的關(guān)系

電機(jī)軸向截面中硅鋼片的齒槽形狀，從磁路方面理解比較簡(jiǎn)單好懂，涉及磁負(fù)荷的選擇。一般沒有使用線磁通負(fù)荷和齒軛磁密確定中小型異步電動(dòng)機(jī)齒的寬度和軛的高度的說法，更為直接的是從氣隙磁密和齒軛磁密的取值，來確定齒的寬度和軛的高度。

中小型異步電機(jī)設(shè)計(jì)中，磁負(fù)荷Bδ值的波動(dòng)范圍不大，防護(hù)等級(jí)IP44 的電動(dòng)機(jī)氣隙磁密在0.6～0.8 T 之間[2]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中表1-8，還可知定子齒磁密Bt1在1.4～1.6 T 之間，定子軛磁密Bj1在1.1～1.5 T 之間；轉(zhuǎn)子齒磁密Bt2在1.25～1.6 T 之間，轉(zhuǎn)子軛磁密Bj2約為1.0 T。根據(jù)磁負(fù)荷確定齒寬和軛高，在保證機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，沖片開槽形成定轉(zhuǎn)子磁路。

輸入磁路和電路參數(shù)給電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)核算軟件，會(huì)有槽滿率的計(jì)算結(jié)果。如果槽滿率符合電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的工藝要求，中小型電機(jī)的主要尺寸就能確定，為校核計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

中心高、定子內(nèi)外徑和轉(zhuǎn)子內(nèi)徑，國際電工委員會(huì)組織IEC 已有標(biāo)準(zhǔn)體系[3]。由于電機(jī)設(shè)計(jì)可以利用幾何相似定律，沖片又是標(biāo)準(zhǔn)化的，有一些參考資料直接給出了定、轉(zhuǎn)子沖片尺寸，然后再往下設(shè)計(jì)。

3 中小型異步電動(dòng)機(jī)氣隙長度的選取

定、轉(zhuǎn)子氣隙長度對(duì)電機(jī)性能和運(yùn)行可靠性影響較大。氣隙過小，使諧波漏抗增大，導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低，雜散損耗增加；氣隙過大，又會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，使空載電流增大[3]。參考文獻(xiàn)[3]中的表2-3 給出具體的數(shù)值，依據(jù)中心高從低到高，氣隙長度為0.25～1.80 mm。參考文獻(xiàn)[3]給了如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式（4）中：Di1為定子內(nèi)徑，m；lt為鐵心長度，m。

4 結(jié)論

本文通過公式化的線負(fù)荷，為中小型異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了便利。選擇合適的電磁負(fù)荷，可以得到電機(jī)的主要尺寸。調(diào)整繞組電密和鐵心磁密，也就是通過軸向截面上磁路和電路的相互協(xié)調(diào)，并根據(jù)企業(yè)加工工藝選取氣隙長度，通過計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能，比較容易得出中小型異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)清單。