CN111009979B - 一种高压大功率笼型电机转子槽 - Google Patents

一种高压大功率笼型电机转子槽 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动机设计制造技术领域，尤其涉及一种高压大功率笼型电机转子槽，包括：用于插入转子导条的转子槽导条部分、槽口以及转子槽导条部分与槽口之间单侧呈弧面的区域；所述区域底边为转子槽的上层边的中央一段，所述区域一侧通过一段弧面与槽口一侧的下沿连接，区域另一侧与槽口另一侧对齐。所述弧面的竖截面为双曲线在直角坐标系中第一或第二象限中的部分。所述双曲线在平面直角坐标轴中第一或第二象限中凸起方向与电机转子旋转方向一致。本发明降低了高压大功率电机起动中大电流产生的转子高损耗、稳态运行时由谐波磁场产生的高频附加损耗，从根本上解决转子槽口局部过热和转子易断条问题，进而确保电机在实际生产中的安全可靠运行。

Description

一种高压大功率笼型电机转子槽
技术领域
本发明属于电动机设计制造技术领域，尤其涉及一种高压大功率笼型电机转子槽。
背景技术
工程实际中，驱动流体类负载的高压大功率鼠笼式异步电动机在起动和运行中，容易出现由于转子槽口的局部过热引起转子导条熔化，导致导条和铁芯间绝缘破坏，进而发展成为转子、端环变形甚至断裂的故障，产生这一现象的原因，主要有以下两点：
1)起动过程中，高压大功率电机的转子及负载转动惯量大，直接起动时具有起动电流较大、起动持续时间过长的特点，同时转子导条中电流频率是变化的且含有丰富的谐波分量；即使采用变频供电，一定程度上降低起动电流，但转子侧起动过程中也会存在高于稳态运行时的电流，且持续时间长、谐波更加丰富。这均会导致起动过程中转子发热严重，易引发故障。而对于一些需要频繁起动的应用场合，更容易导致电机导条熔断故障引起电机损毁。
2)稳态运行时，由于定转子开槽和绕组排列使得气隙磁场均存在谐波成份，变频供电时尤为严重，气隙磁场切割转子，在转子中产生感应电势及感应电流，其中谐波磁场对转子的相对运动会在转子中产生高频谐波，这导致在稳态运行时的转子导条上层挤流效应严重，局部发热明显，影响电机安全运行。
综合上述原因可以看出，起动过程中的持续大电流和稳态运行时的谐波磁场是产生转子槽口局部过热的根本原因，在传统高压大功率鼠笼式异步电动机设计中，对于起动过程主要考虑通过减小槽上部面积，从而实现增大转子等效电阻，达到满足负载对起动转矩的要求，但并未考虑由于起动时间过长，引起的局部过热问题；同时，在正常稳态运行过程中由于谐波磁场导致转子导条附加损耗增加的问题，一般采取以下措施：1)采用谐波含量较少的各种定子绕组型式；2)选择合适的槽配合；3)针对传统槽型结构进行优化设计，等。
上述改进设计仅仅是针对某一个方面性能的改善，例如低谐波定子绕组型式和槽型优化设计，可以有效降低谐波成份对损耗及局部发热的影响，但并不能改善起动过程中的大电流引起的局部发热问题；选择合适的槽配合可以改善定转子磁势的谐波成份，但对于不同谐波成份在转子导条中产生的谐波电流及附加损耗，并未从根本上消除。因此，以上措施对高压大功率鼠笼式异步电动机在起动过程中的大电流和正常稳态运行时谐波磁场引起的附加损耗导致的局部过热问题，并没有同时兼顾并很好地解决。
发明内容
针对如何有效降低驱动流体类负载的高压大功率电机起动过程中持续大电流产生的转子高损耗、以及正常稳态运行时由谐波磁场产生的高频附加损耗的问题，本发明提出了一种高压大功率笼型电机转子槽，包括：用于插入转子导条的转子槽导条部分、槽口以及转子槽导条部分与槽口之间单侧呈弧面的区域；所述区域底边为转子槽的上层边的中央一段，所述区域一侧通过一段弧面与槽口一侧的下沿连接，区域另一侧与槽口另一侧对齐。
所述弧面的竖截面为双曲线在直角坐标系中第一或第二象限中的部分。
所述双曲线在平面直角坐标轴中第一或第二象限中凸起方向与电机转子旋转方向一致。
所述槽口的宽度b01的取值在2mm～5mm之间。
所述槽口一侧的下沿h01通过下述公式计算：
Figure BDA0002289581190000021
式中：T为导体的电阻率温度系数，△t为当前摄氏温度，ρ为导体0摄氏度时的电阻率，1为定子槽数，P为电机极对数，fs为电机的工作频率，μ为导体的磁导率。
所述槽口另一侧高度h02通过下述公式计算：
Figure BDA0002289581190000031
式中：T为导体的电阻率温度系数，△t为当前摄氏温度，ρ为导体0摄氏度时的电阻率，1为定子槽数，P为电机极对数，fs为电机的工作频率，μ为导体的磁导率。
所述区域的竖截面以转子槽一侧顶角O为坐标原点，上层边上的A(b02,0)为双曲线和区域底边的共同起点，作双曲线
Figure BDA0002289581190000032
至终点B(br1-b03-b01,h02-h01)，其中c、d的取值通过下式求得：
Figure BDA0002289581190000033
其中br1为槽宽，b01为槽口宽度，b02、b03分别为转子导条上层边除去中央一段后剩余的两端长度。
所述电机包括：正弦或变频供电条件下的异步和永磁电机。
本发明的有益效果为：
(1)采用本发明所提出的转子槽型结构，由于是依据电机旋转方向，磁力线从定子进入气隙进而进入转子走的路径而设计的转子槽口处的弧线，减少了磁路的磁阻，减少涡流损耗的同时，也避免了磁力线过于集中导致的铁芯局部饱和，进而减少铁耗，提高电机的运行效率，获得较明显的节能效果。
(2)采用本发明所提出的转子槽型结构，由于转子槽口距导条的气隙薄层距离考虑了一阶齿谐波的影响，故大大减少了转子导条的谐波损耗，从而提高电机的运行效率，获得较明显的节能效果。
(3)采用本发明所提出的转子槽型结构，由于转子槽口距导条的气隙薄层距离距离考虑了转子在电机起动时工作频率的影响，故大大削弱了起动时导条的大电流引起的损耗和温升，从而提高电机的运行效率，获得较明显的节能效果。
(4)采用本发明所提出的转子槽型结构，并未增加电机制造加工工艺难度，不会额外增加生产成本。
(5)本发明提出的转子槽型结构，不仅适用于插入式铜条转子的异步电动机，对于插入式铜条转子的自起动永磁电动机及变频电机等交流电动机，也可以采用本发明所述方法对电机的转子槽结构进行改进，从而达到起动过程中的转子槽口温度过高以及降低稳态运行中谐波损耗的目的；从根本上有效解决由上述原因引起的转子槽口局部过热和转子易断条问题，进而确保电机在实际生产中的安全可靠运行。。
附图说明
图1为本发明中所提出的转子槽型示意图。
图2为900kW鼠笼式异步电动机原转子槽型。
图3为900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态某导条上层电流密度波形对比图。
图4为900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态与某导条连接的端环中的电流波形对比图。
图5为900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在稳态运行时的导条内转子电流密度波形对比图。
图6为1600kW鼠笼式异步电动机原转子槽型。
图7为1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态某导条上层电流密度波形对比图。
图8为1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态与某导条连接的端环中的电流波形对比图。
图9为1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在稳态运行时的导条内转子电流密度波形对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种高压大功率笼型电机转子槽，该转子槽采取半闭口非对称结构的槽型设计；依据电机旋转方向，采用与磁力线分布相似的曲线对转子槽口与导条之间的气隙薄层中的弧线部分进行优化；槽口与导条的气隙薄层高度充分考虑了电机一阶齿谐波的影响及电机起动时工作频率对转子导条的影响。通过以上技术措施，使得电机在稳态运行及起动过程中，能有效降低起动过程中的持续大电流产生的转子高损耗以及正常稳态运行时由谐波磁场产生的高频附加损耗，能从根本上有效解决由上述原因引起的转子槽口局部过热和转子易断条问题，进而确保电机在实际生产中的安全可靠运行。下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
以900kW鼠笼式异步电动机为例，原转子槽型图见图2，本专利转子槽型见图1，依据本发明专利提供的方法，确定新转子槽型具体尺寸如下：b01＝3.5mm；h01＝2.2mm；h02＝6.5mm；b02＝b03＝2mm；br1＝11mm；br2＝9mm；hr3＝42mm。以O(0,0)为坐标，画双曲线
Figure BDA0002289581190000051
起点A(2,0)，终点B(5.5,4.3)。
图3为实施例中900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态某导条上层电流密度波形对比图，可以看出，采用原转子槽型电机的起动转子电流密度波形在一个工作周期内，谐波含量很大，通过傅里叶分析可知，电密基波幅值为1.33×108A/m2。采用本专利中的新转子槽型时的起动转子电流密度波形明显要比采用原转子槽型时的起动转子电流密度要平滑很多，谐波分量大大减少，电密基波幅值为1.07×108A/m2。采用本专利的转子槽口后，降低了电机起动时转子槽口的基波电流密度，并且大大消除了转子槽口的电密谐波含量。
图4为实施例中900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态与某导条连接的端环中的电流波形对比图，原转子槽型的端环电流选取的是与第79号和第24号导条连接的端环电流，新转子槽型原转子槽型的端环电流选取的是与第79号和第24号导条连接的端环电流。从图4可以看出，采用本专利中的槽型的端环电流幅值明显比原槽型的端环电流小。原转子槽型最大电流幅值的第79号导条的电流幅值为79012A，采用本专利的槽型最大电流幅值的第79号导条的电流幅值为71045A，电流幅值降低明显。
表1为900kW鼠笼式异步电动机分别采用原转子槽型和本专利的新转子槽型起动时一个工频周波内损耗数据对比。可以看出，在电机起动瞬间，在一个工频周波内，采用本发明专利槽型的电机比原槽型的电机各部分损耗均有所降低，转子铜耗降低明显，总损耗降低了约2/5。
表1. 900kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型起动时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗
原转子槽 654.07 1412.9 7.8130 2074.8
新转子槽 481.52 789.74 7.6295 1278.9
图5为实施例中900kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在稳态运行时的导条内转子电流密度波形对比图。从图5中可以看出，采用本专利中的转子槽型电机稳态运行时的转子电流密度幅值明显比采用原转子槽型电机稳态运行时的转子电流密度幅值低。通过傅里叶分析可得各次谐波电流密度的幅值，表2为采用原转子槽型和采用本专利中的转子槽型稳态运行时转子电流密度主要谐波次数的电密幅值对比。可以看出采用本专利中的转子槽型大大降低了转子导条谐波电密幅值。
表2. 900kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型稳态运行时的主要谐波电密幅值对比
谐波电密幅值(A/m<sup>2</sup>) 6次 12次 17次 18次 19次 36次
原转子槽 5.73e+06 1.96e+06 5.23e+06 3.22e+07 4.3e+06 8.25e+06
新转子槽 3.81e+06 1.37e+06 2.69e+06 1.15e+07 1.68e+06 2.1e+06
表3为900kW鼠笼式异步电机分别采用原转子槽型和采用新转子槽型空载运行时的损耗数据对比；表4为900kW鼠笼式异步电机分别采用原转子槽型和采用新转子槽型满载运行时的损耗数据对比。从表3中数据可以看出，采用本专利的新转子槽型后电机空载损耗比采用原转子槽型的空载损耗降低约3/4，降耗效果非常显著。从表4电机满载运行时的损耗情况对比来看，采用本专利的新转子槽型后，效率提升了三个百分点，节能效果明显。
表3. 900kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型空载运行时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗
原转子槽 1.4593 33.883 8.9702 44.3125
新转子槽 1.0674 1.7593 8.4688 11.2955
表4. 900kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型满载运行时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗 效率
原转子槽 11.510 37.494 9.5288 58.527 0.93539
新转子槽 11.761 8.1523 8.4873 28.421 0.96486
实施例二：
以1600kW鼠笼式异步电动机为例，原转子槽型图见图6，本专利转子槽型见图1，依据本发明专利提供的方法，确定新转子槽型具体尺寸如下：b01＝2mm；h01＝2.2mm；h02＝6.5mm；b02＝b03＝2mm；br1＝8mm；br2＝10.5mm；hr3＝38mm；以O(0,0)为坐标，画双曲线
Figure BDA0002289581190000071
起点A(2,0)，终点B(4,4.3)。
图7为实施例中1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态某导条上层电流密度波形对比图，可以看出，采用原转子槽型电机的起动转子电流密度波形在一个工作周期内，谐波含量很大，通过傅里叶分析可知，电密基波幅值为1.83×108A/m2。采用本专利中的新转子槽型时的起动转子电流密度波形明显要比采用原转子槽型时的起动转子电流密度要平滑很多，谐波分量大大减少，基波幅值为1.41×108A/m2。采用本专利的转子槽口后，降低了电机起动时转子槽口的基波电流密度，并且大大消除了转子槽口的谐波含量。
图8为实施例中1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在起动初始状态与某导条连接的端环中的电流波形对比图，原转子槽型的端环电流选取的是与第57号和第2号导条连接的端环电流，新转子槽型原转子槽型的端环电流选取的是与第35号和第2号导条连接的端环电流。可以看出，采用本专利中的槽型的端环电流幅值明显比原槽型的端环电流小。原转子槽型最大电流幅值的第57号导条的电流幅值为72786A，采用本专利的槽型最大电流幅值的第35号导条的电流幅值为66211A，电流幅值降低明显。
表5为1600kW鼠笼式异步电动机分别采用原转子槽型和本专利中的新转子槽型起动时一个工频周波内损耗数据对比。可以看出，在电机起动瞬间，在一个工频周波内，采用本发明专利槽型的电机比原槽型的电机各部分损耗均有所降低，转子铜耗降低明显，总损耗降低了约1/3。
表5. 1600kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型起动时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗
原转子槽 477.89 2562.2 16.6479 3056.7
新转子槽 375.50 1719.6 16.5731 2111.7
图9为实施例中1600kW鼠笼式异步电动机采用原转子槽型与采用本发明中所提出的新转子槽型在稳态运行时的导条内转子电流密度波形对比图，从图9中可以看出，采用本专利中的转子槽型电机稳态运行时的转子电流密度幅值明显比采用原转子槽型电机稳态运行时的转子电流密度幅值低。通过傅里叶分析可得各次谐波电流密度的幅值，表6为采用原转子槽型和采用本专利中的转子槽型稳态运行时转子电流密度主要谐波次数的电密幅值对比。可以看出采用本专利中的转子槽型大大降低了转子导条谐波电密幅值。
表6. 1600kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型稳态运行时的主要谐波电密幅值对比
谐波电密幅值(A/m<sup>2</sup>) 6次 12次 17次 18次 19次 36次
原转子槽 1.19e+07 7.58e+06 5.66e+06 3.66e+07 4.19e+06 8.28e+06
新转子槽 6.36e+06 3.27e+06 2.52e+06 1.62e+07 1.93e+06 2.1e+06
表7为1600kW鼠笼式异步电机分别采用原转子槽型和采用新转子槽型空载运行时的损耗数据对比；表8为1600kW鼠笼式异步电机分别采用原转子槽型和采用新转子槽型满载运行时的损耗数据对比。从表7中数据可以看出，采用本专利的新转子槽型后电机空载损耗比采用原转子槽型的空载损耗降低了约12kW，降耗效果非常显著。从表8电机满载运行时的损耗情况对比来看，采用本专利的新转子槽型后，满载损耗下降约18.5kW，效率有所提升。
表7. 1600kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型空载运行时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗
原转子槽 1.6052 17.769 16.6702 36.044
新转子槽 1.5333 6.7513 14.6709 22.955
表8. 1600kW电机采用原转子槽型和采用新转子槽型满载运行时的损耗数据对比
损耗项(kW) 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 电气总损耗 效率
原转子槽 12.012 39.798 16.2296 68.039 0.95447
新转子槽 12.016 23.010 14.5272 49.553 0.96487
综上所述，采用本发明专利的转子槽型的电机，在起动过程中有效降低了转子槽口电流密度及消除了大量谐波，同时也降低了端环电流；在稳态空载和满载运行中，均能有效降低电机损耗，提高了电机满载运行时的效率。采用本发明专利的转子槽型能从根本上有效解决由起动过程中转子高损耗、以及正常稳态运行时的高频附加损耗问题引起的转子槽口局部过热和转子易断条问题，进而确保电机在实际生产中的安全可靠运行。
实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高压大功率笼型电机转子槽，其特征在于，包括：用于插入转子导条的转子槽导条部分、槽口以及转子槽导条部分与槽口之间单侧呈弧面的区域；所述区域底边为转子槽导条部分的上层边的中央一段，所述区域一侧通过一段弧面与槽口一侧的下沿连接，区域另一侧与槽口另一侧对齐；
所述弧面的竖截面为双曲线在直角坐标系中第一或第二象限中的部分；
所述双曲线在平面直角坐标轴中第一或第二象限中凸起方向与电机转子旋转方向一致；
所述槽口一侧的下沿的长度h01通过下述公式计算：
Figure FDA0002681560230000011
式中：T为导体的电阻率温度系数，△t为当前摄氏温度，ρ为导体0摄氏度时的电阻率，Q1为定子槽数，P为电机极对数，fs为电机的工作频率，μ为导体的磁导率；
所述槽口另一侧与转子槽导条部分的上层边的距离h02通过下述公式计算：
Figure FDA0002681560230000012
式中：T为导体的电阻率温度系数，△t为当前摄氏温度，ρ为导体0摄氏度时的电阻率，Q1为定子槽数，P为电机极对数，fs为电机的工作频率，μ为导体的磁导率；
所述区域的竖截面以转子槽一侧顶角O为坐标原点，上层边上的A(b02,0)为双曲线和区域底边的共同起点，作双曲线
Figure FDA0002681560230000013
至终点B(br1-b03-b01,h02-h01)，其中c、d的取值通过下式求得：
Figure FDA0002681560230000021
其中br1为槽宽，b01为槽口宽度，b02、b03分别为转子导条上层边除去中央一段后剩余的两端长度。
2.根据权利要求1所述的高压大功率笼型电机转子槽，其特征在于，所述槽口的宽度b01的取值在2mm～5mm之间。
3.根据权利要求1～2任一所述的高压大功率笼型电机转子槽，其特征在于，所述电机包括：正弦或变频供电条件下的异步和永磁电机。
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