CN104935136B - 三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构 - Google Patents
三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构，由4种定转子槽配合构成，定子槽数与转子槽数配合的方案为324/300、324/276、324/264、324/258。在324/300时，定转子冲片分别分为18片和15片；在324/276时，定转子冲片分别分为18片和12片；在324/264时，定转子冲片分别分为18片和12片；在324/258时，定转子冲片分别分为18片和12片；定转子槽型均为矩形槽，定转子之间气隙为3～6mm。这4种槽配合噪声、杂散较小，效率、功率因素较高，解决了三十六极三相异步电机无槽配合可选的问题。本发明适用于三代核电海水循环水泵电机，可广泛用于核电、海水淡化等行业。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构。
背景技术
随着三代核电技术的发展，海水循环水泵要求大幅度提升海水流量，水泵流量的大幅度提高直接导致所需驱动电机的转矩增加，电机极数越多转速越低转矩越大。根据AP1000三代核电技术的要求，循环水泵用三相异步电机的极数为三十六极，同步转速为166.7(r/min)，额定输出转矩约为450000N·m，目前国内最大的异步电机极数不超过28极。大型循环水泵电机运行时对噪声有严格要求，电机噪声不大于85dB(A计权)，三相异步电机的定转子配合选择对性能影响巨大，定子槽数与转子槽数之间的配合简称定转子槽配合。目前三十六极三相异步电机并没有成熟的槽配合可供选择；因此，需要开发新的三十六极三相异步电机定转子槽配合以填补国内空白。电机的极数越多转速越低，电机噪声主要由电磁噪声、通风噪声、轴承噪声等构成，当电机转速比较低的时候，通风噪声和轴承噪声较小，这时电磁噪声则成为决定电机噪声的决定因素；因此合理选择定转子槽配合，可抑制谐波，降低噪声，提高起动性能，获得较高的效率及功率因数。
发明内容
本发明的目的提供三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构，可以获得较大的起动转矩，较低的电磁噪声和振动，较高的效率和功率因数，较小的励磁电流，较低的附加损耗。本发明的技术方案为：三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构，包括定子和转子，所述定子和转子分别由定子冲片(1)和转子冲片(2)叠压而成，所述定子的槽数为324，所述的转子槽数为258至300之间；定转子均为直槽结构，定子冲片(1)和转子冲片(2)之间气隙(5)为3～6mm,；定子冲片(1)的定子槽(3)为矩形开口型，转子冲片(2)的转子槽(4)为矩形半开口型；定子槽宽(6)与定子槽口高(7)的比值为3，转子槽口宽(8)与转子槽口高(9)的比值为1，定子的槽数为324，转子槽数为300，所述定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为15片，即由15个第一转子扇形片(12)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
气隙(5)的最优值为4.5mm，定子的槽数为324，转子槽数为276，所述定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由12个第二转子扇形片(13)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
定子的槽数为324，转子槽数为264，所述定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由12个第三转子扇形片(14)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
定子的槽数为324，转子槽数为258，所述定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由6个第四转子扇形片(15)和6个第五转子扇形片(16)依次相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
本发明的定转子槽配合可以获得较大的起动转矩，较低的电磁噪声和振动，较高的效率和功率因数，较小的励磁电流，较低的附加损耗，综合考虑以大幅度抑制高次谐波。定子槽数设为Z1，转子槽数设为Z2，电机极对数为p，电机极数为P，P＝2p，s为电机转差率，q为每极每相槽数，a为绕组并联支路数，力波为r0。
定转子槽配合对异步电机转矩有很大的影响。在异步电机的气隙中的磁场可以分解为一系列谐波，这一方面由于绕组集中放在槽内，另一方面也由于开槽引起气隙不均匀而产生。因为任何一个都可以对转子发生作用，因此可以产生附加转矩，于是合成转矩等于所有谐波磁场产生的转矩之和。定子槽数越多，异步电机附加转矩越小，电机在起动过程中，附件转矩对起动曲线扰动越小。为了抑制谐波产生的附加转矩，转子槽数Z2≤1.25×Z1；为了限制差漏磁场对电机起动性能的影响，│Z2-Z1±p│≥4；为了避免静止时的同步转矩，Z2≠6pn(n为任意整数)；当s＜1(电动机区)时，Z2≠6pn-2p(n为任意整数)；当s＞1(制动区)时，Z2≠Z1-6p。大型异步电机的定子每极每相槽数q一般取值为2～6之间的整数。
定转子槽配合与异步电机的噪声有直接关系。多极电机转速一般比较低，这时电磁噪声为主要噪声源，电磁噪声主要由高次谐波的力波振动引起，即随时间和空间而变化的，在定子和转子之间作用的力可以通过定子铁心振动而引起电磁噪声；在气隙的任意一点作用着一个径向力，它在单位面积上的大小与气隙磁密的平方成正比，因此选择尽可能低的气隙磁密对于电机降低电磁噪声很有必要，低噪声异步电机的气隙磁密一般在0.6-0.75T之间。对于低噪声电机要满足：│Z1-Z2│≠0、1、2，│Z1-Z2│≠2p、2p±1、2p±2；还需要使最强的定转子磁动势分量的次数不要与一些大的气隙磁导波分量的次数一致，│Z1-Z2│≠p，│Z1-Z2│≠p±1，│Z1-Z2│≠p±2；在电机极数较多(2p≥8)时，如果Z1/p≤18则必须满足│Z1-Z2│≠3p，│Z1-Z2│≠3p±1。对于电机绕组有多个并联支路数时，当a＞2时应满足│Z1-Z2│≠│(p/a)±p±1│(当a为奇数)或│Z1-Z2│≠│(2p/a)±p±1│(当a为偶数)，当a＝2时，应满足│(Z2±2p)-p(6n±1)│≠1。为了不会形成r0阶这个力波，应满足│Z1-Z2│≠r0，│Z1-Z2│≠2p±r0，当r0＞6时，一般不需要考虑高阶力波的影响，因为那时力作用在一个非常短的臂上；定子挠度的大小与定子轭高的三次方成反比，力波影响在多极电机中发生较高阶(大于2阶)的振动比起经常有相当大轭高的少极电机来要容易的多，因此，特别对多极的具有开口槽的高压异步电机来说就很有必要了。
定转子槽配合的选择对杂散损耗有很大程度影响，杂散损耗中的绝对部分为高次谐波的附加损耗，杂散损耗在国标GB 755-2008《旋转电机定额和性能》中规定一个大概估算值0.5％，而工程中由于高次谐波引起的附加损耗往往使得杂散损耗大大超过0.5％，甚至部分大型电机达到1.5％，给出厂的型式试验带来很大问题，造成产品无法出厂，或吃容差出厂，造成产品优良率大幅度降低。为了限制定子具有开口槽的高压电机鼠笼中的附加损耗，推荐选择定子槽数大于转子槽数，那么电机总是有可能设计成转子不必斜槽的结构。为了有效降低附加损耗中的脉振损耗，定子槽宽(6)与定子槽口高(7)的比值为3，转子槽口宽(8)与转子槽口高(9)的比值为1。定子槽数越多，高次谐波的谐波损耗就越小，进而降低杂散损耗；气隙(5)越小，电机的励磁电流就越小，功率因数越高，但是当气隙(5)过小，会造成工艺装配时难以实现，并降低了电机运行的可靠性。
很多定转子槽配合选择时会使用斜槽结构，即将转子槽扭过一个定子齿距，因为当某种槽配合必须使用，且其高次谐波幅值过高，这样就可以采用转子斜槽来消除特定的高次谐波影响，因为高次谐波的相位与基波是相同的，因此无法用定子绕组短距的方式消除。但如果选择定子槽数大于转子槽数，在可能的情况是，可以找到较为合适的定转子槽配合，使得高次谐波的幅值较低，这样就避免了使用转子斜槽结构，因为斜槽结构工艺复杂，并且斜槽结构会带来转子径向的额外铁损。当定子绕组采用三角接法时，定转子槽配合应满足│Z1-Z2│≠2p、4p、8p；有并联支路时，所用的绕组解法应该使二次电枢反应不可能产生，重车转子表面以防止片间短路，定子内圆不要重车更好些，硅钢片如果不退火，应使用锐利的冲压设备。本发明的槽配合主要使用直槽，不需要沿轴向将定子槽或转子槽扭斜一定的槽距。
本发明的三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构，主要适用于三十六极三相异步电机，其中定子冲片(1)的槽数为324，转子冲片(2)的槽数分别为300、276、264、258，共构成四种较为合理的定转子槽配合方案，及324/300、324/276、324/264、324/258。定子槽宽(6)与定子槽口高(7)的比值为3，转子槽口宽(8)与转子槽口高(9)的比值为1。定子冲片(1)的定子槽(3)为矩形开口型，转子冲片定子冲片(2)的转子槽(4)为矩形半开口型。
定转子槽配合为324/300方案时，定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为15片，即由15个第一转子扇形片(12)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。定转子槽配合为324/276方案时，定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由12个第二转子扇形片(13)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。定转子槽配合为324/264方案时，定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由12个第三转子扇形片(14)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。定转子槽配合为324/258方案时，定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为12片，即由6个第四转子扇形片(15)和6个第五转子扇形片(16)依次相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
本发明开创了三十六极三相异步电机的定转子冲片结构，解决了三十六极三相异步电机无定转子槽配合选择的问题，通过合理设置定子冲片和转子冲片的分片数量和方式，抑制了定子因为分片而产生的轴电压问题；通过限定定转子间气隙值，使电机获得了较高的功率因数，同时也解决了定子铁心因气隙值过小而产生的定子铁心内径超差的工艺问题。综合从转矩、噪声、附加损耗、直槽斜槽等方面考虑，选出了较为合理四种定转子槽配合，即324/300、324/276、324/264、324/258，使得三十六极三相异步电机可以获得较大的起动转矩，较低的电磁噪声和振动，较高的效率和功率因数，较低的附加损耗。
附图说明
图1本发明的三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构结构图
图2为图1的Ⅰ放大视图
图3为图1的一种定转子槽配合数为324/300的方案结构图
图4为图1的一种定转子槽配合数为324/276的方案结构图
图5为图1的一种定转子槽配合数为324/264的方案结构图
图6为图1的一种定转子槽配合数为324/258的方案结构图
图7为图3、图4、图5、图6的项11的放大视图
图8为图3的项12的放大视图
图9为图4的项13的放大视图
图10为图5的项14的放大视图
图11为图6的项15的放大视图
图12为图6的项16的放大视图
图13为定转子槽配合数为324/300的空载电磁转矩曲线图
图14为定转子槽配合数为324/276的空载电磁转矩曲线图
图15为定转子槽配合数为324/264的空载电磁转矩曲线图
图16为定转子槽配合数为324/258的空载电磁转矩曲线图
图17为定转子槽配合数为324/300的负载电磁转矩曲线图
图18为定转子槽配合数为324/276的负载电磁转矩曲线图
图19为定转子槽配合数为324/264的负载电磁转矩曲线图
图20为定转子槽配合数为324/258的负载电磁转矩曲线图
图21为各方案空载、负载电磁噪声A计权声功率级对比数据表
图22为各方案电机性能参数计算数据表
具体实施方式：
图1为三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构结构，包括定子和转子，所述定子和转子分别由定子冲片1和转子冲片2叠压而成，本定转子槽配合应用三代核电海水循环水泵电机上，电机型号为YLKS7700-三十六，极数为三十六极，额定转速164r/min，额定转矩为450000N·m，最大转矩为810000N·m。
如图1所示，定子冲片1的槽数为324，转子冲片槽数分4种即300、276、264、258，定子和转子均为直槽结构。
如图2所示，定子冲片1设有定子槽3，在定子槽3下端设有定子槽口10，定子槽3为矩形开口型，定子槽宽6与定子槽口高7的比值为3；转子冲片2设有转子槽4，转子槽4为矩形半开口型，转子槽口宽8与转子槽口高9的比值为1；定子冲片1和转子冲片2之间气隙5为3～6mm,气隙5的最优值为4.5mm。
如图3所示，定子冲片1的槽数为324，定子冲片1分为18片，即由18个的定子扇形片11依次均布相连而成，定子冲片1的叠片方式为1/3叠片方式；转子冲片2的槽数为300，转子冲片2分为15片，即由15个第一转子扇形片12依次均布相连而成，每个，转子冲片2的叠片方式为1/2叠片方式。
如图4所示，定子冲片1的槽数为324，定子冲片1分为18片，即由18个的定子扇形片11依次均布相连而成，定子冲片1的叠片方式为1/3叠片方式；转子冲片2的槽数为276，转子冲片2分为12片，即由12个第二转子扇形片13依次均布相连而成，每个，转子冲片2的叠片方式为1/2叠片方式。
如图5所示，定子冲片1的槽数为324，定子冲片1分为18片，即由18个的定子扇形片11依次均布相连而成，定子冲片1的叠片方式为1/3叠片方式；转子冲片2的槽数为264，转子冲片2分为12片，即由12个第三转子扇形片14依次均布相连而成，每个，转子冲片2的叠片方式为1/2叠片方式。
如图6所示，定子冲片1的槽数为324，定子冲片1分为18片，即由18个的定子扇形片11依次均布相连而成，定子冲片1的叠片方式为1/3叠片方式；转子冲片2的槽数为264，转子冲片2分为12片，即由6个第四转子扇形片15和6个第五转子扇形片16依次相连而成；转子冲片2的叠片方式为1/2叠片方式。
如图7所示，定子扇形片11的槽数为18。
如图8所示，第一转子扇形片12的槽数为20。
如图9所示，第二转子扇形片13的槽数为23。
如图10所示，第三转子扇形片14的槽数为22。
如图11所示，第四转子扇形片15的槽数为21。
如图12所示，第五转子扇形片16的槽数为22。
如图13所示，定转子槽配合数为324/300的空载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/300的三十六极三相异步电机空载起动平稳，转矩曲线前0.25s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利。
如图14所示，定转子槽配合数为324/276的空载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/276的三十六极三相异步电机空载起动平稳，转矩曲线前0.25s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利。
如图15所示，定转子槽配合数为324/264的空载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/264的三十六极三相异步电机空载起动平稳，转矩曲线前0.25s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利。
如图16所示，定转子槽配合数为324/258的空载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/258的三十六极三相异步电机空载起动平稳，转矩曲线前0.25s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利。
如图17所示，定转子槽配合数为324/300的负载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/300的三十六极三相异步电机带负载起动平稳，转矩曲线前0.3s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利，异步电机约在1s之后进入平稳状态，其额定转矩为446626(N·m)。
如图19所示，定转子槽配合数为324/264的负载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/264的三十六极三相异步电机带负载起动平稳，转矩曲线前0.3s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利，异步电机约在1.25s之后进入平稳状态，其额定转矩为446211(N·m)。
如图20所示，定转子槽配合数为324/258的负载电磁转矩曲线图，应用定转子槽配合324/258的三十六极三相异步电机带负载起动平稳，转矩曲线前0.3s的大幅度振荡区间为电磁场建立阶段，电磁场建立之后无明显的高次谐波带来了凹凸点，异步电机起动顺利，异步电机约在1.3s之后进入平稳状态，其额定转矩为446342(N·m)(N·m)。
如图21所示，各方案空载、负载电磁噪声A计权声功率级对比数，可见定转子槽配合，在定子槽数不变为324时，转子槽数由300变动为258时，空载时的电磁噪声由84.4dB降至64.1dB，负载时的电磁噪声由93.5dB降至78.1dB，每个方案下负载均为空载噪音高出10dB左右。
如图22所示，各方案电机性能参数计算数据，可见定转子槽配合，在定子槽数不变为324时，转子槽数由转子槽数由300变动为258时，因为气隙值均采用4.5mm，因此励磁电流基本没有变化，起动电流增大，起动转矩降低，额定电流略微增大，额定转矩和额定转速基本不变，效率由96.2％降至96.0％，功率因数也从0.7582略降至0.7438；定子槽数与转子槽数相差越近，杂散损耗越低，效率越高，功率因素越高；但从表14可知定子槽数与转子槽数相差越远，电磁噪声越低；当电机对噪声要求严格时，可以首选324/258，其次324/264、324/276、324/300，当电机对起动性能和转矩平稳要求严格时，可以首选324/300，其次324/276、324/264、324/258。
在GB/T 10069.3-2008《旋转电机噪声测定方法及限值第3部分：噪声限值》中，对功率为5500kW，同步转速为375rpm，大型电机的IC81W冷却方式，防护类型为IP55，空载时噪声标准为104dB。本发明的适用电机定子为三十六极，同步转速为166.7rpm，功率为7700kW，标准GB/T 10069.3-2008未做规定，空载噪声标准应超过104dB。在极数较多的电机中，电磁噪声比通风噪声大，本发明的三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构下4种方案(324/300、324/276、300/264、300/258)，可以使电机总的噪声在空载时分别为87.4、82.1dB、76.1dB、64.1dB，在负载时分别为93.5dB、94.2dB、89.1dB、78.1dB，远远小于标准104dB的约束，在电机铁心外围机座、罩子及外围降噪结构的包裹下，总噪音还可以降低约15～20dB，综合考虑，这四种定转子槽配合的电机运行总噪声均不会超过85dB。
Claims (1)
1.三十六极三相异步电机定子与转子的槽配合结构，其特征是：包括定子和转子，所述定子和转子分别由定子冲片(1)和转子冲片(2)叠压而成，定转子均为直槽结构，定子冲片(1)和转子冲片(2)之间气隙(5)为3～6mm,；定子冲片(1)的定子槽(3)为矩形开口型，转子冲片(2)的转子槽(4)为矩形半开口型；定子槽宽(6)与定子槽口高(7)的比值为3，转子槽口宽(8)与转子槽口高(9)的比值为1，定子的槽数为324，转子槽数为300，所述定子冲片(1)分为18片，即由18个的定子扇形片(11)依次均布相连而成；定子冲片(1)的叠片方式为1/3叠片方式，转子冲片(2)分为15片，即由15个第一转子扇形片(12)依次均布相连而成；转子冲片(2)的叠片方式为1/2叠片方式。
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