- 相關(guān)推薦
二極異步電動機轉(zhuǎn)子設(shè)計與研究
異步電動機一般指感應(yīng)電動機。感應(yīng)電動機，又稱“異步電動機”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導體，通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉于1887年發(fā)明。
摘要：本文討論了二極異步電動機轉(zhuǎn)子設(shè)計與研究，圍繞著設(shè)計過程中主要旋轉(zhuǎn)部件進行了分析研究，為今后二極異步電動機的設(shè)計積累了經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：二極異步電動機;軸流風扇;振動;撓度; 臨界轉(zhuǎn)速
一、二極異步電動機設(shè)計分析過程
該產(chǎn)品采用箱式焊接結(jié)構(gòu)，座式滑動軸承，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。電動機繞組絕緣結(jié)構(gòu)所采用的材料在電機溫升作用下，其絕緣性能將逐漸變壞，而當溫度升高到一定程度時，絕緣材料的絕緣特性會被迅速破壞，最后甚至失去絕緣能力。因此，為了獲得經(jīng)濟的使用壽命，該電機的定子線圈絕緣采用F級絕緣，提高了整個電機的絕緣水平，有利于延長電機的使用壽命。YKS630-2 2500kW 6kV異步電動機額定轉(zhuǎn)速為2990 r /min，轉(zhuǎn)差率為0.45%。對于如此高轉(zhuǎn)速的異步電動機，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機械設(shè)計要求很高，如何滿足這一要求成為設(shè)計的關(guān)鍵所在。
(1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計
轉(zhuǎn)軸是電機中最重要的零部件之一，二極高速電機的轉(zhuǎn)軸設(shè)計更是非常重要。在轉(zhuǎn)子設(shè)計中，為了滿足高轉(zhuǎn)速下機械強度的要求，并改善異步電動機的特性，轉(zhuǎn)子材質(zhì)一般為45號鍛鋼(見圖1) ，并且為了有足夠的強度、剛度還要作正火、回火、或調(diào)質(zhì)等一系列的熱處理。另外個別截面要有足夠的強度，在正常負載及規(guī)定的特殊情況下(如突然短路等) ，轉(zhuǎn)軸不能產(chǎn)生殘余變形或損壞。轉(zhuǎn)軸的撓度必須在電機氣隙的10%范圍內(nèi)，還有臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速間應(yīng)有足夠的差值，以免發(fā)生共振。下面就撓度和臨界轉(zhuǎn)速的計算作詳細說明。
(2)撓度計算
計算轉(zhuǎn)軸撓度，不外乎采用兩種方法：作圖法及分析法。作圖法，需要制作轉(zhuǎn)軸的彈性線，從彈性線上按照某種尺寸比例，可以得出任何一點的撓度，此法準確度很高，但應(yīng)用此法會耗費大量時間。實際上通常只需知道轉(zhuǎn)子鐵心安放位置上中點的轉(zhuǎn)軸撓度即已足夠。計算這一點撓度的最簡易方法是分析法。該方法花費時間少，還可避免可能的誤差，現(xiàn)在已經(jīng)用計算機來完成此操作，所以在電機設(shè)計轉(zhuǎn)軸計算時，分析法得到了廣泛應(yīng)用。下以YKS630-2 2500kW 6kV電機為例做簡要計算：
①電樞(轉(zhuǎn)子)重量，G1(不包括鐵芯段的軸重)
G1=867.7kg
軸的重量：Q=768kg
②有效鐵芯長度：L=83.93cm
③轉(zhuǎn)子外徑：D=51.2cm
④單邊平均氣隙：б=0.4cm
⑤軸在b點的柔度系數(shù)
式中：E-拉壓彈性系數(shù)，此軸的材質(zhì)為45鍛鋼，故E=2.1×106kg/cm2
Kab ――左半軸的彈性系數(shù)
Kcb ――右半軸的彈性系數(shù);
用以下公式計算
其中：Xi―圖4中所標尺寸X1， X2等;
Ji ―每段軸的慣性矩
⑥磁拉力剛度
式中：δ―單邊平均氣隙
D ―轉(zhuǎn)子外徑
L ―有效鐵心長度
Bδ―氣隙磁密
⑦初始單邊磁拉力
P0=k0e0=10122 x 0.04=405kg e0=0.1δ
⑧由重量G1引起的b點撓度
⑨單邊磁拉力引起軸在b點的撓度
⑩軸在b點的總撓度
占氣隙百分數(shù)
(3) 轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速
除了對軸的撓度計算外，還應(yīng)對電機轉(zhuǎn)子固有振動特性進行分析，即主要計算轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速，軸自已橫向振動的周率不應(yīng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸速度一致。一般情況下，僅考慮單邊磁拉力作用于轉(zhuǎn)軸，有一個負荷在鐵心中部時的影響。其臨界速度可表示為：
在普通電動機的設(shè)計中，按照機械計算公式，當轉(zhuǎn)軸的撓度小于氣隙的10%時，臨界轉(zhuǎn)速一般都能高出額定轉(zhuǎn)速的30%， 這樣的軸， 稱之為剛性軸。而對于二極異步電動機，也有采用柔性軸(即一階臨界轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速)。本文所述電動機也采用了剛性軸的設(shè)計理念，使其一階臨界轉(zhuǎn)速高出額定轉(zhuǎn)速的30%。
(4)轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計
一般4極及4以上的電動機在軸上焊接輻板，一來可以降低電機的成本，二來輻板可以起到風扇的作用能夠加強電機的冷卻效果，但是二極電機由于轉(zhuǎn)子沖片的內(nèi)徑較小，對轉(zhuǎn)軸的強度要求又很高，所以二極電機不安裝輻板，而是在轉(zhuǎn)子沖片上加工通風孔(圖2)，使通風孔疊壓后形成的管道與轉(zhuǎn)子的通風槽管連通，靠通風槽管旋轉(zhuǎn)來冷卻電機，由于二極電機的轉(zhuǎn)速較高，其冷卻的效果也可以滿足電機的要求。
二、轉(zhuǎn)子風扇的設(shè)計
由于二極電機轉(zhuǎn)子外徑小，轉(zhuǎn)速高，風扇一般選用軸流風扇，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。以前我公司電機的轉(zhuǎn)子平衡環(huán)設(shè)計的位置是在風扇與鐵芯只間，雖然在平衡環(huán)上也加工了通風孔，但是由于其高速旋轉(zhuǎn)，風扇與通風槽管形成的風路遭到破壞，影響了電機的冷卻效果，而且會產(chǎn)生較大的噪聲，現(xiàn)將平衡環(huán)設(shè)計在風扇的外側(cè)，即加強了電機的冷卻效果又降低了噪聲。已設(shè)計的異步電動機已經(jīng)在客戶處投入使用，得到一致好評，在機械強度、電氣性能等方面均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象其運行安全、可靠、穩(wěn)定。
三、結(jié)語
綜上所述，通過以上設(shè)計電機轉(zhuǎn)子可以有效的降低電機振動的概率，但是引起二極電動機振動原因是多方面的，我們在設(shè)計時要注意以上的幾點注意事項，并且嚴把機械加工和裝配，控制各個工序，就可以在源頭消除振動，可以大大地減少由于電動機振動帶來損失。
參考文獻：
[1]徐建國.大型高速電機軸向振動的分析和處理[J].電機技術(shù)，2013(4)：38-39.
【二極異步電動機轉(zhuǎn)子設(shè)計與研究】相關(guān)文章：
探討變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計要點03-18
基于對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機的電動汽車驅(qū)動特性研究03-07
YKSL1730立式電機轉(zhuǎn)子模態(tài)仿真研究03-07
道路綠化設(shè)計研究06-03
虛擬示波器的研究與設(shè)計03-07
發(fā)光二極管走馬燈電路的設(shè)計與實現(xiàn)實驗(一)03-07
一種檢測轉(zhuǎn)子位置的可靠方法03-07
古今圖形設(shè)計智慧比較研究11-20