与二次方转矩类负载相匹配的电机转子槽结构及设计方法

摘要

与二次方转矩类负载相匹配的电机转子槽结构及设计方法,其特征在于根据二次方转矩类负载特性以及效率与转速的关系曲线，在电机转子槽原槽内增开一槽型形成槽中槽来改变槽型面积，以改变原电机转子电阻参数；通过设置槽中槽的尺寸及槽底与槽中槽之间的距离，以保持转子槽漏抗稳定，利用调节原电机转子电阻和槽漏磁导参数，达到平滑微调电机转速，满足电机与二次方转矩类负载特性的转速合理匹配。本发明的优点是能够有效地提高电机与其二次方转矩类负载的系统效率，避免了能源的浪费，能够有效降低电机的成本，节约铜、铁、铝等不可再生资源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机制造,特别涉及一种与二次方转矩类负载相匹配 的电机转子槽结构及设计方法。

背景技术

随着国家对节能减排工作的重视，先后出台了各种措施和规范。其中 感应电机量大面广，每年耗电量约占整个发电量的57%，而二次方转矩类 负载（如风机、水泵类负载）在感应电机所配套的负载中占了很大比例， 约为35%，因而对此类负载专用电机的研究具有重要意义。

由于系统效率为电机效率与负载效率的乘积，在电机效率提高的同时， 又能满足负载在自身的高效区间运行，才能保证整个系统效率达到最佳的 运行效果。此外，对于部分实际运行的工况，替换普通高效电机所引起的 负载转速变化不能满足已有生产工艺的需要。

高效电机设计属电机本体节能技术。通常，普通高效电机在本身效率 提高的同时，电机的转速一般也会相应提高。对于典型的如风机、水泵等 二次方转矩类负载，负载转矩与转速的二次方呈正比关系。在采用普通高 效电机进行节能改造时，电机转速提高将使负载增大（如图1所示），又 会导致电机的电流增大；其次该类负载特性一般负载高效点的转速范围较 窄，如图2所示，当电机的转速偏离高效区时，系统的效率会明显下降。 因此，对于该类负载，采用普通高效电机有时会出现不节能或节能效果不 佳的情况。

由此可见，通过合理的设计专用高效电机的转速，使之与负载的转速 相匹配，才能保证系统的高效率运行，达到系统节能的目的。

与二次方转矩类负载相配套的普通高效电机设计存在以下缺陷：

1.注重提高电机的效率，没有考虑到电机与负载的匹配性，使得现有普通高 效电机的转速普遍提高，造成整个系统的实际运行效率偏低；

2.部分工况下，替换普通高效电机所引起的负载转速变化不能满足已有生产 工艺的需要；

3.现有电机槽型设计方法，在电机启动转矩等性能不变的情况下，不易对电 动机的输出转速进行微调。

上述缺陷造成在该类负载情况下，直接采用普通的高效电机无法达到 系统最佳的节能效果。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷,本发明提供一种与二次 方转矩类负载相匹配的电机转子槽结构及设计方法。

由电机学的基本原理可知，电机的输出转速与电机的转子电阻呈密切 的负相关性，转子电阻增大则转速降低。通常，改变转子电阻一般可通过 增大转子电阻率和调节转子槽型面积两种方法来实现。

改变转子电阻率，通常采用在铸铝工艺中改变铝合金的比例来实现， 但由于铸铝材料的掺杂比例不易控制，铸铝工艺复杂，且成本较高，常导 致电机的转速变化较大，不易对转速进行微调。对于调节转子槽型面积， 一般是直接通过调节转子槽型的宽度和高度来实现，但这种方法会造成转 子槽漏抗参数的改变，直接影响到电机的启动等性能指标，不能满足设计 需要，因而也存在一定的缺陷。普通高效电机在本身效率得到提高的同时， 电机的转速一般也会相应提高，对于二次方转矩类负载而言，转速提高又 使负载加重，导致电机的电流增大，其次该类负载特性一般负载高效点的 速度范围较窄，当电机的转速偏离高效区时，系统的效率会明显下降。因 此，对于该类负载，采用普通高效电机有时会出现不节能或节能效果不佳 的情况。

本发明通过对上述两种方法的综合分析，针对已有技术中存在的缺陷, 本发明提供一种与二次方转矩类负载相匹配的电机转子槽结构及设计方 法。本发明的电机转子槽结构是根据二次方转矩类负载特性以及效率与转 速的关系曲线，在传统的电机转子槽型的基础上减小槽腰部的宽度，即在 原电机转子槽内增开一槽型形成槽中槽来改变槽型面积，以改变原电机转 子电阻参数，通过设置槽中槽的尺寸及槽底与槽中槽之间的距离，同时保 持转子槽漏抗稳定，利用调节原电机转子电阻和槽漏磁导参数，达到平滑 微调电机转速，满足电机与二次方转矩类负载特性的转速合理匹配。

图3为电机转子槽原槽型，图4为在原转子槽型基础上的变化。在改 变了转子槽面积的同时，可通过调节槽中槽S所在的垂直位置，即L值来 实现基本保持转子槽漏抗稳定，这种调节方法不仅改变了电机转子电阻， 达到降低电机转速的目的，也兼顾到电机的起动性能。

通过采用槽中槽法进行槽参数的不同组合，转子电阻将成规律性递减， 由此可以控制电机转速的变化。设计时，在保持转子槽型面积的基础上， 通过微调L的值，可以精确控制转子的槽漏抗。最终通过调节转子电阻变 化和控制转子槽漏抗基本稳定，达到平滑微调电机转速的目的，满足电机 与二次方转矩类负载特性的转速合理匹配，达到系统最佳的节能效果。

所述原电机转子槽内增开一槽型形成一高度为h、深度为b的槽中槽。 原电机转子槽的槽型槽底与槽中槽之间的距离为L。

本发明的设计方法依次包括下列步骤：

A.选择二次方转矩负载的额定转速，作为所选电机设计的目标转速；

B.根据选用的负载转速模拟在电机转子槽内增开一槽型形成槽中槽， 槽中槽的初始值高度h约为整个槽中槽高的1/4～3/4，深度b为 此处槽宽的1/2左右，然后由计算机进行试算；

C.通过增大b值使电机负载转速下降，或减小b值使电机负载转速上  升，并在保证槽中槽面积不变的情况下，调整槽底与槽中槽之间 的距离L，以保持转子槽漏抗的稳定；

上述步骤B和C可多次反复，经反复计算，确定槽中槽深度b尺寸、 槽中槽高h尺寸和槽底与槽中槽之间的距离L尺寸；最终找到所需的效 率、起动性能和转速匹配的结果。

通过转速的合理匹配，能够达到系统效率最佳的效果。

本发明的优点是能够有效地提高电机对二次方转矩类负载的系统效 率，避免了能源的浪费，能够有效降低电机的成本，节约铜、铁、铝等不 可再生资源。

附图说明

图1负载转矩与电机转速的关系图；

图2负载的效率与电机转速的关系图；

图3传统的电机转子槽型结构示意图；

图4修改后的电机转子槽型结构示意图

图5实施例一原型电机转子槽型结构示意图；

图6实施例一修改后的电机转子槽型结构示意图。

图7实施例二原型电机转子槽型结构示意图；

图8实施例二修改后的电机转子槽型结构示意图。

图1中：Na为普通效率；Nb为高效率；Nc为负载线

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例一：

本实施例以一台160kW、最高效点的转速为2970r/min水泵负载为例， 设计一台水泵专用电机。

步骤A确定水泵负载的高效率转速2970r/min为电机设计的目标转速。

选用一台与水泵负载功率相匹配的电机Y3-315L1-2-160kW普通高效率 电机作为基准，电机转子槽的槽型如图5所示，根据基准电机参数计算出 电机额定负载转速、起动转矩的倍数。本实施例中的原槽型宽度b2转化为 等于br1-br2-br0，高度hL转化为L1-h2。具体参数值：b01=1.5mm， h01=1.5mm，a=30°，h2=15mm，L1=45.7mm，br1=2.5mm，br2=10mm， br0=5.4mm。

通过计算机辅助计算可得电机额定转速为2975r/min，转子漏抗标幺值 起动转矩倍数为2.00。

步骤B根据选用的负载转速模拟在转子槽内增开一槽型形成一槽中 槽，槽中槽的初始值高度h约为整个槽中槽高的1/4～3/4，深度b为此处 槽宽的1/2左右，然后由计算机进行试算。由于本实施例电机转子槽的形 状与发明内容中电机转子槽形状的差异，本实施例中的槽中槽高度深度为 b转化为br3，br4,L转化为h1，如图6所示。设置槽中槽的初始值，即预 设br3、br4、h1初始值，使用“小型三相异步电动机电磁计算软件MEMC V2.0”进行辅助试算。

步骤C通过试算得到电机额定转速，再与负载转速对比，经反复计算 找到最理想的匹配结果，确定槽中槽深度b的尺寸与槽中槽高h的尺寸。 本实施例经计算机反复试算得到br3、br4、h的值。根据计算得到转子槽 的漏抗数值,在保证槽中槽面积不变的情况下，通过调整槽底与槽中槽之间 的距离L，以保持转子槽漏抗的稳定,最终达到所需要的效率和起动性能。 本实施例根据漏抗数值在保证槽中槽面积不变的情况下，确定槽底与槽中 槽之间的距离h1。

本实施例在反复试算过程中可列出转子槽参数调整表，负载水泵的最 高效点的转速为2970r/min，调节br3，br4，h的值来调整转子槽参数的值， br3，br4，h，h1和n（电机转速）和Tst（电机起动转矩倍数）关系如下 表所示：

转子槽参数调整表

从表中可以看出，方案3电机本身效率为94.88％，达到高效率电机标 准；转速为2970r/min，恰好能达到电机和负载速度的最佳匹配，系统效 率达到最佳；电机的起动转矩性能基本保持不变。表中的数据通过“小型 三相异步电动机电磁计算软件MEMC V2.0”辅助试算。

实施例二：

本实施例以一台3kW、最高效点的转速为2840r/min水泵负载为例， 设计一台水泵专用电机。

步骤A确定水泵负载的高效率转速2840r/min为电机设计的目标转速。

选用一台与水泵负载功率相匹配的电机Y3-100L-2-3kW普通高效率电 机作为基准，电机转子槽的槽型如图7所示，根据基准电机参数计算出电 机额定负载转速、起动转矩的倍数。本实施例中的原槽型宽度b2转化为等 于br1-br2，高度hL转化为L1。具体参数值：b01＝1mm，h01＝0.5mm， a＝20°，L1＝45.7mm，br1＝6.8mm，br2＝2.9mm

通过计算机辅助计算可得电机额定转速为2859r/min，转子漏抗标幺值 起动转矩倍数为2.28。

步骤B根据选用的负载转速模拟在转子槽内增加一槽中槽，槽中槽的 初始值高度h约为整个槽中槽高的1/4～3/4，深度b为此处槽宽的1/2左 右，进行试算。由于本实施例电机转子槽的形状与发明内容中电机转子槽 形状的差异，本实施例中的槽中槽高度深度为b转化为br3，br4，L转化为 h1，如图8所示。设置槽中槽的初始值，即预设br3、br4、h1始值，使用 “小型三相异步电动机电磁计算软件MEMC V2.0”进行辅助试算。

步骤C通过试算得到电机额定转速，再与负载转速对比，经反复计算 找到最理想的匹配结果，确定槽中槽深度b的尺寸与槽中槽高h的尺寸。 本实施例经计算机反复试算得到br3、br4、h的值。根据计算得到转子槽 的漏抗数值在保证槽中槽面积不变的情况下，通过调整槽底与槽中槽之间 的距离L，最终达到所需要的效率和起动性能。本实施例根据漏抗数值在 保证槽中槽面积不变的情况下，确定槽底与槽中槽之间的距离h1。

本实施例在反复试算过程中可列出转子槽参数调整表，负载水泵的最 高效点的转速为2840r/min，调节br3，br4，h的值来调整转子槽参数的值， br3，br4，h，h1和n（电机转速）和Tst（电机起动转矩倍数）关系如下 表所示：

转子槽参数调整表

从表中可以看出，方案3电机本身效率为83.33%，达到高效率电机标 准值；转速为2840r/min，恰好能达到电机和负载速度的最佳匹配，系统 效率达到最佳；电机的起动转矩性能比原电机更好。表中的数据通过“小 型三相异步电动机电磁计算软件MEMC V2.0”辅助试算。