大过载绕线异步电动机转子结构设计的改进

雷洋,洪长艳,朱一凡

(1哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨 150000;2哈尔滨商业大学,黑龙江哈尔滨 150000)

0 引言

大过载绕线异步电动机在国内市场一般均采用进口产品,为了解决国产替代,经过我公司技术团队的大量调研和详细计算,最终完成产品设计及成品,为成功进入大过载电动机市场及国产替代打下良好基础。

1 绕线型异步电动机

大过载绕线异步电动机采用定子绕组串电阻起动是在牺牲启动转矩的情况下进行的,只适用于轻载或空载下起动。在需要重载起动时,可采用三相转子串联电阻起动方法。因为三相异步电动机转子电阻增加时能保持最大转矩,所以适当选择起动电阻能使得起动转矩最大。

绕线式异步电动机是通过滑环在转子回路中接附加电阻Rf来改变电动机的机械特性,最大转矩对应的转差率与转子电阻R2成正比,而最大转矩的值与R2无关,当绕线式转子电动机的转子回路中接入外加电阻Rf来增加R2时,最大电磁转矩不受影响,但是它直接控制了产生最大转矩的转速。电磁转矩与R2/s的函数,因此,只要比值R2/s保持不变,转矩就不会变化,如图1所示。

图1 改变转子回路电阻对感应电机转矩-转差率曲线的影响

可以降低起动电流,提高起动转矩,即使在S=1启动时,启动转矩Tst=Tmax,转子温升大大降低,正常运行时,转子可被电刷直接短路。适用于笼型电动机难以启动的恒速、恒定负载设备(如粉碎机、破碎机),以及要求在小范围内变速的负重载起动设备(起重机)。

2 工作原理

绕线型异步电动机的工作原理是:通过三相电源供电,电源的电流在定子绕组中产生磁场,转子的闭合回路切割磁力线,旋转磁场将转子带动旋转,从而实现机械能转换。转子绕组采用绝缘漆包铜母线绕制成三相绕组,嵌入转子铁心槽内,将它接成星接或角接,三个端部引线分别固定在转轴上的3个滑环上,再经过电刷与外电路相连,一般在转子回路串电阻,以改变电动机的起动和调速性能,这里我们研究一下起动方向。电机在低速运转时,效率很低,电能损耗大,异步电机经气隙传送到转子的电磁功率为Pe,一部分成为机械输出功率PM,另一部分则成为转差功率P0,而P0转化为转子回路中的铜耗,以发热的形式消耗掉,它们之间的关系如图2所示。

图2 转子串Rf的原理图

Pe=PM+P0

P2=Te·ω1

PM=(1-s)Pe

P0=s·Pe=3I22(R2+Rf)

式中,Te—电磁转矩;ω1—同步角速度;I2—转子相电流;R2—转子绕组本身相电阻;Rf—串入转子的外接电阻。

当异步机拖动恒转矩负载时,Pe为常数,以电机串入Rf后处在二分之一同步速度运转为例,此时,s=0.5,电磁功率的一半变为转子铜耗3I22(R2+Rf)消耗掉,再考虑定子中的损耗,则总效率低于50%越低,效率更差。一般转子电阻分级连成星形,起动时,先将全部电阻接入,随着起动的进行,电机转速的提高,转子起动电阻依次被短接,在起动结束时,电阻全被短接,起动完成。

3 绕线型异步电机结构形式

绕线型异步电机基本结构包括以下五部分:

定子装配:定子由铁心、绕组、机座组成,铁心采用硅钢片叠压组成,绕组则是由若干根绕制在铁心上的绕组组成。

转子装配:转子是由铁心、绕组、轴组成,但绕组通常是由铜扁线绕制而成。

轴承装配:是支撑转动部件,连接定子、转子,承担转子的重量。

冷却器装配:带走电机旋转时产生的热量。

集电环刷杆座装配组成:用于电机的换向器上,作为导出导入电流的滑动接触体,他的导电、导热以及润滑性良好,并具有一定的机械强度和换向性火花的本能。

绕线异步电动机的转子引出线结构是整个电机的核心,也是在电机运行中容易出现故障,问题最多的地方之一,且大过载运行工况具有长期过载、冲击大等复杂工况,所以整个绕线转子引出线的结构显得尤其重要。下面介绍下该电机绕线转子结构改进设计。分为以下三个方面。

(1)转子接线装配上、下层线圈在常规电机设计中仅采用外层无纬带绑扎,中间层垫云母板结构,此结构应对大过载的复杂工况,经核算易于发生故障。本次先将转子下层线圈端部的斜边用加长垫块塞紧,再在上、下层之间绑扎经过计算的特殊无纬带(如图3所示),满足厚度尺寸要求。之后将上层线圈端部的斜边用加长垫块塞紧,最后在最外侧绑扎特殊无纬带(如图4所示),绑扎厚度不能超过转子铁心外圆,此方法绑扎后转子上下层线圈形成一个整体,稳固性良好。

图3 转子绕组端部下层线圈垫块及绑扎示意图

图4 转子绕组端部上层线圈塞块及绑扎示意图

(2)在上述的转子结构中还有一处特别的改进,使得转子接线装配上下层线圈能形成一个整体(如图5所示),常规绕线异步电机转子引出线K、L、M均在下层线圈引出,引出线上层为空置空间,这样会导致转子引线最外侧绑扎无纬带后在引出线位置有空缺,在应对常规使用工况时不会有什么问题,但在大过载工况时此处就显得很薄弱,容易在此处发生故障。如图6所示,将转子引出线通过抬高引出线夹到与上层线圈相同节圆位置,中间空位置用铜块填充并用并头楔打紧,这样使得整个转子上层线圈无空位置,形成一个完整的圆环,此时绑扎无纬带使得转子线圈形成一个完整体,可防止端部震动裂开,具有抗大冲击,大过载能力,完全满足全天24h运行。

图5 转子端部引线示意图

图6 端部引出线加块后示意图

常规转子引出线在接入集电环时仅在轴上配置固定线夹,鉴于大过载工况的特殊性,本次设计转子绕组引出线在转子压圈处钻有螺孔,圆周三处,相差120°,通过绝缘固定夹及螺杆,将转子引出线位置固定在转子压圈处,使得转子引出线不悬空,稳固性得到进一步加强,使得转子引出线能承受大过载及冲击性过载,具体如图7所示。

图7 转子引线处安装固定夹

(3)绕线异步电动机外滑环结构稳定运行,转子引出线的引出电缆固定是重中之重,转子引出电缆穿轴采用灌胶是稳妥之举,但由于电机引出轴段较长,灌胶效果不一定好,且后期维护困难,因此放弃了灌胶工艺。转子引出电缆的危险点在进入轴孔位置(图8 A处)及引出电缆从倾斜到直线的弯折处(图8 B处),通过计算电缆弯折处尺寸,在引出电缆弯折处套入高强度收缩管,采用特殊工艺将全部电缆穿过轴孔位置,再将电缆固定到集电环上。将引出电缆进入轴孔位置绑扎涤纶毡,并刷特殊胶固定。这样既能保护电缆又能保证后期维护方便。

图8 绕线异步电动机外滑环电缆穿轴结构

综上所述,除了在电磁方面的完善,在结构设计做了上述三方面的改进,成功地完成了大过载绕线电动机在国内设计且首次运行。打破了电机完全进口的局面,填补了国内自制空白。

不仅开拓了国内市场,打破了进口的局面,为国产化打下坚实基础。