二极异步电动机转子设计与研究

黄丽芹++刘思伟

摘 要：本文讨论了二极异步电动机转子设计与研究，围绕着设计过程中主要旋转部件进行了分析研究，为今后二极异步电动机的设计积累了经验。

关键词：二极异步电动机；挠度； 临界转速；轴流风扇；振动

一、二极异步电动机设计分析过程

该产品采用箱式焊接结构，座式滑动轴承，具有外形美观，噪声低、振动小，高效节能，运行稳定，安装、维护方便等优点。电动机绕组绝缘结构所采用的材料在电机温升作用下，其绝缘性能将逐渐变坏，而当温度升高到一定程度时，绝缘材料的绝缘特性会被迅速破坏，最后甚至失去绝缘能力。因此，为了获得经济的使用寿命，该电机的定子线圈绝缘采用F级绝缘，提高了整个电机的绝缘水平，有利于延长电机的使用寿命。YKS630-2 2500kW 6kV异步电动机额定转速为2990 r /min，转差率为0.45%。对于如此高转速的异步电动机，其转子结构机械设计要求很高，如何满足这一要求成为设计的关键所在。

（一）转子结构设计

转轴是电机中最重要的零部件之一，二极高速电机的转轴设计更是非常重要。在转子设计中，为了满足高转速下机械强度的要求，并改善异步电动机的特性，转子材质一般为45号锻钢（见图1） ，并且为了有足够的强度、刚度还要作正火、回火、或调质等一系列的热处理。另外个别截面要有足够的强度，在正常负载及规定的特殊情况下（如突然短路等） ，转轴不能产生残余变形或损坏。转轴的挠度必须在电机气隙的10%范围内，还有临界转速与工作转速间应有足够的差值，以免发生共振。下面就挠度和临界转速的计算作详细说明。

（二）挠度计算

计算转轴挠度，不外乎采用两种方法：作图法及分析法。作图法，需要制作转轴的弹性线，从弹性线上按照某种尺寸比例，可以得出任何一点的挠度，此法准确度很高，但应用此法会耗费大量时间。实际上通常只需知道转子铁心安放位置上中点的转轴挠度即已足够。计算这一点挠度的最简易方法是分析法。该方法花费时间少，还可避免可能的误差，现在已经用计算机来完成此操作，所以在电机设计转轴计算时，分析法得到了广泛应用。下以YKS630-2 2500kW 6kV电机为例做简要计算：

①电枢（转子）重量，G1（不包括铁芯段的轴重）

G1=867.7kg

轴的重量：Q=768kg

②有效铁芯长度：L=83.93cm

③转子外径：D=51.2cm

④单边平均气隙：б=0.4cm

⑤轴在b点的柔度系数

式中：E-拉压弹性系数，此轴的材质为45锻钢，故E=2.1×106kg/cm2

Kab ——左半轴的弹性系数

Kcb ——右半轴的弹性系数；

用以下公式计算

其中：Xi—图4中所标尺寸X1， X2等；

Ji —每段轴的惯性矩

⑥磁拉力刚度

式中：δ—单边平均气隙

D —转子外径

L —有效铁心长度

Bδ—气隙磁密

⑦初始单边磁拉力

P0=k0e0=10122 x 0.04=405kg e0=0.1δ

⑧由重量G1引起的b点挠度

⑨单边磁拉力引起轴在b点的挠度

⑩轴在b点的总挠度

占气隙百分数

（三） 转轴的临界转速

除了对轴的挠度计算外，还应对电机转子固有振动特性进行分析，即主要计算转轴的临界转速，轴自已横向振动的周率不应与转子旋转轴速度一致。一般情况下，仅考虑单边磁拉力作用于转轴，有一个负荷在铁心中部时的影响。其临界速度可表示为：

在普通电动机的设计中，按照机械计算公式，当转轴的挠度小于气隙的10%时，临界转速一般都能高出额定转速的30%， 这样的轴， 称之为刚性轴。而对于二极异步电动机，也有采用柔性轴（即一阶临界转速低于额定转速）。本文所述电动机也采用了刚性轴的设计理念，使其一阶临界转速高出额定转速的30%。

（四）转子冲片的设计

一般4极及4以上的电动机在轴上焊接辐板，一来可以降低电机的成本，二来辐板可以起到风扇的作用能够加强电机的冷却效果，但是二极电机由于转子冲片的内径较小，对转轴的强度要求又很高，所以二极电机不安装辐板，而是在转子冲片上加工通风孔（图2），使通风孔叠压后形成的管道与转子的通风槽管连通，靠通风槽管旋转来冷却电机，由于二极电机的转速较高，其冷却的效果也可以满足电机的要求。

二、转子风扇的设计

由于二极电机转子外径小，转速高，风扇一般选用轴流风扇，轴流风扇的特点是效率高、噪音低，气体通过轴流风扇时一般不改变运动方向，正好与转子通风槽管形成的“离心风扇”形成串联风扇，能够加强电机的冷却效果。以前我公司电机的转子平衡环设计的位置是在风扇与铁芯只间，虽然在平衡环上也加工了通风孔，但是由于其高速旋转，风扇与通风槽管形成的风路遭到破坏，影响了电机的冷却效果，而且会产生较大的噪声，现将平衡环设计在风扇的外侧，即加强了电机的冷却效果又降低了噪声。已设计的异步电动机已经在客户处投入使用，得到一致好评，在机械强度、电气性能等方面均未出现异常现象其运行安全、可靠、稳定。

三、结语

综上所述，通过以上设计电机转子可以有效的降低电机振动的概率，但是引起二极电动机振动原因是多方面的，我们在设计时要注意以上的几点注意事项，并且严把机械加工和装配，控制各个工序，就可以在源头消除振动，可以大大地减少由于电动机振动带来损失。

参考文献：

[1]徐建国.大型高速电机轴向振动的分析和处理[J].电机技术，2013（4）：38-39.