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二極異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與研究
異步電動(dòng)機(jī)一般指感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與研究，圍繞著設(shè)計(jì)過程中主要旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行了分析研究，為今后二極異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：二極異步電動(dòng)機(jī);軸流風(fēng)扇;振動(dòng);撓度; 臨界轉(zhuǎn)速
一、二極異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析過程
該產(chǎn)品采用箱式焊接結(jié)構(gòu)，座式滑動(dòng)軸承，具有外形美觀，噪聲低、振動(dòng)小，高效節(jié)能，運(yùn)行穩(wěn)定，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)所采用的材料在電機(jī)溫升作用下，其絕緣性能將逐漸變壞，而當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，絕緣材料的絕緣特性會(huì)被迅速破壞，最后甚至失去絕緣能力。因此，為了獲得經(jīng)濟(jì)的使用壽命，該電機(jī)的定子線圈絕緣采用F級(jí)絕緣，提高了整個(gè)電機(jī)的絕緣水平，有利于延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。YKS630-2 2500kW 6kV異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2990 r /min，轉(zhuǎn)差率為0.45%。對(duì)于如此高轉(zhuǎn)速的異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)要求很高，如何滿足這一要求成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。
(1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)軸是電機(jī)中最重要的零部件之一，二極高速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)更是非常重要。在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，為了滿足高轉(zhuǎn)速下機(jī)械強(qiáng)度的要求，并改善異步電動(dòng)機(jī)的特性，轉(zhuǎn)子材質(zhì)一般為45號(hào)鍛鋼(見圖1) ，并且為了有足夠的強(qiáng)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(gè)別截面要有足夠的強(qiáng)度，在正常負(fù)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(jī)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(jì)算作詳細(xì)說明。
(2)撓度計(jì)算
計(jì)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(diǎn)的撓度，此法準(zhǔn)確度很高，但應(yīng)用此法會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。實(shí)際上通常只需知道轉(zhuǎn)子鐵心安放位置上中點(diǎn)的轉(zhuǎn)軸撓度即已足夠。計(jì)算這一點(diǎn)撓度的最簡(jiǎn)易方法是分析法。該方法花費(fèi)時(shí)間少，還可避免可能的誤差，現(xiàn)在已經(jīng)用計(jì)算機(jī)來完成此操作，所以在電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸計(jì)算時(shí)，分析法得到了廣泛應(yīng)用。下以YKS630-2 2500kW 6kV電機(jī)為例做簡(jiǎn)要計(jì)算：
�、匐姌�(轉(zhuǎn)子)重量，G1(不包括鐵芯段的軸重)
G1=867.7kg
軸的重量：Q=768kg
�、谟行цF芯長(zhǎng)度：L=83.93cm
�、坜D(zhuǎn)子外徑：D=51.2cm
�、軉芜吰骄鶜庀叮骇�=0.4cm
⑤軸在b點(diǎn)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(jì)算
其中：Xi―圖4中所標(biāo)尺寸X1， X2等;
Ji ―每段軸的慣性矩
�、薮爬偠�
式中：δ―單邊平均氣隙
D ―轉(zhuǎn)子外徑
L ―有效鐵心長(zhǎng)度
Bδ―氣隙磁密
�、叱跏紗芜叴爬�
P0=k0e0=10122 x 0.04=405kg e0=0.1δ
⑧由重量G1引起的b點(diǎn)撓度
�、釂芜叴爬σ疠S在b點(diǎn)的撓度
�、廨S在b點(diǎn)的總撓度
占?xì)庀栋俜謹(jǐn)?shù)
(3) 轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速
除了對(duì)軸的撓度計(jì)算外，還應(yīng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子固有振動(dòng)特性進(jìn)行分析，即主要計(jì)算轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速，軸自已橫向振動(dòng)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(gè)負(fù)荷在鐵心中部時(shí)的影響。其臨界速度可表示為：
在普通電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，按照機(jī)械計(jì)算公式，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的撓度小于氣隙的10%時(shí)，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(duì)于二極異步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)也采用了剛性軸的設(shè)計(jì)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(jì)
一般4極及4以上的電動(dòng)機(jī)在軸上焊接輻板，一來可以降低電機(jī)的成本，二來輻板可以起到風(fēng)扇的作用能夠加強(qiáng)電機(jī)的冷卻效果，但是二極電機(jī)由于轉(zhuǎn)子沖片的內(nèi)徑較小，對(duì)轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度要求又很高，所以二極電機(jī)不安裝輻板，而是在轉(zhuǎn)子沖片上加工通風(fēng)孔(圖2)，使通風(fēng)孔疊壓后形成的管道與轉(zhuǎn)子的通風(fēng)槽管連通，靠通風(fēng)槽管旋轉(zhuǎn)來冷卻電機(jī)，由于二極電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，其冷卻的效果也可以滿足電機(jī)的要求。
二、轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的設(shè)計(jì)
由于二極電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑小，轉(zhuǎn)速高，風(fēng)扇一般選用軸流風(fēng)扇，軸流風(fēng)扇的特點(diǎn)是效率高、噪音低，氣體通過軸流風(fēng)扇時(shí)一般不改變運(yùn)動(dòng)方向，正好與轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管形成的“離心風(fēng)扇”形成串聯(lián)風(fēng)扇，能夠加強(qiáng)電機(jī)的冷卻效果。以前我公司電機(jī)的轉(zhuǎn)子平衡環(huán)設(shè)計(jì)的位置是在風(fēng)扇與鐵芯只間，雖然在平衡環(huán)上也加工了通風(fēng)孔，但是由于其高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇與通風(fēng)槽管形成的風(fēng)路遭到破壞，影響了電機(jī)的冷卻效果，而且會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，現(xiàn)將平衡環(huán)設(shè)計(jì)在風(fēng)扇的外側(cè)，即加強(qiáng)了電機(jī)的冷卻效果又降低了噪聲。已設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在客戶處投入使用，得到一致好評(píng)，在機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能等方面均未出現(xiàn)異�，F(xiàn)象其運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定。
三、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，通過以上設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子可以有效的降低電機(jī)振動(dòng)的概率，但是引起二極電動(dòng)機(jī)振動(dòng)原因是多方面的，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要注意以上的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，并且嚴(yán)把機(jī)械加工和裝配，控制各個(gè)工序，就可以在源頭消除振動(dòng)，可以大大地減少由于電動(dòng)機(jī)振動(dòng)帶來?yè)p失。
參考文獻(xiàn)：
[1]徐建國(guó).大型高速電機(jī)軸向振動(dòng)的分析和處理[J].電機(jī)技術(shù)，2013(4)：38-39.
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