关于三相异步电动机的技术改进研究

关于三相异步电动机的技术改进研究

王晓曼,石芳芳,任庙江

浙江创新电机有限公司，浙江省绍兴市312000

摘要：三相异步电动机是一种常用的电动机，具有结构简单、效率高、运行可靠等优点，被广泛应用于各种机械设备中。在使用和维护时需要注意各种保护措施，以确保电机的正常运行和延长使用寿命。然而，现有的三相异步电动机存在工频全压直接起动、满载下直接起动、频繁起动、频繁正反转、短时过负载、短时过电压等等在内的问题，以及各种使用工况对电动机可能造成的定子绕组过热、转子笼导条受损或断裂、定子焊接点炸裂的问题，因此现对其进行改进，以解决上述问题。

关键词：三相异步电动机；电机制造技术；技术改进

前言

三相异步电动机是一种常用的电动机，广泛应用于工业、农业、交通、家庭等领域。它的工作原理是通过三相交流电源的电磁感应作用，使转子与定子之间的电磁场发生相对运动，从而产生转矩，驱动机械运动。三相异步电动机的主要组成部分包括定子、转子、端盖、轴承、风扇等。其中定子是由三个相互平衡的绕组和铁芯组成，绕组中通有三相电流。转子由铁芯和导体组成，导体通过轴向槽穿通而成，形成“杯形”结构。定子绕组的电磁场与转子导体中的电流交互作用，从而产生旋转力矩。三相异步电动机具有许多优点，例如结构简单、维护方便、效率高、功率密度大、运行可靠等。因此，它被广泛应用于各种机械设备中，例如水泵、风机、压缩机、输送机、挖掘机等。此外，三相异步电动机还具有启动电流小、运行平稳、转矩大、转速范围广等特点，可以适应各种负载条件和工作环境。在使用三相异步电动机时，需要注意保护和维护。例如，需要定期检查轴承润滑油、清除风扇和冷却器上的灰尘、确保电机接地良好等。同时，还需要定期检查电机的绝缘状态、转子是否平衡、定子绕组是否损坏等，以确保电机的正常运行和延长使用寿命。

现为了解决工频全压直接起动、满载下直接起动、频繁起动、频繁正反转、短时过负载、短时过电压等等在内的各种使用工况对电动机可能造成的定子绕组过热、转子笼导条受损或断裂、定子焊接点炸裂等问题，对电动机进行进一步改进，使其满足包括频繁起动在内的各种工况的实际使用要求，进一步避免电动机因频繁起动等使用工况导致的损伤和功能失效。

1.背景技术介绍

三相异步电动机是电机中的一种常见类型，其工作原理是利用三相交流电源的电磁感应作用，使得转子与定子之间的电磁场发生相对运动，从而产生转矩，驱动机械运动。三相异步电动机拥有结构简单、效率高、功率密度大、运行可靠等优点，因此在工业、农业、交通、家庭等领域得到广泛应用。在三相异步电动机的研发中，需要掌握一些背景技术。首先，电动机的基础理论是电磁学。电磁学是物理学的一个分支，研究电场和磁场的关系及其对物质的影响。电机中的电磁场是通过电流引起的，因此电磁学的基本原理对于电机的研发和设计至关重要。其次除了电磁学之外，电机的转子和定子的设计和制造需要掌握一定的机械设计和制造技术。例如，转子和定子的结构设计需要考虑材料的选择、机械强度和热稳定性等因素。

2.现存问题简析

三相异步电动机在使用过程中，经常会遇到各种使用工况，例如工频全压直接起动、满载下直接起动、频繁起动、频繁正反转、短时过负载、短时过电压等等。异步电动机的起动电流约为额定电流的5～8倍，虽然起动时间只有3～10秒，起动时负载越重起动时间越长，但如此大的起动电流将在电机定子线圈和转子鼠笼导条上产生很大的冲击力，大电流还会产生大量的热量。工频全压直接起动、满载下直接起动、频繁起动、频繁正反转、短时过负载、短时过电压等使用工况下会对电动机造成危害，会使定子绕组过热；众所周知，电动机中的定子铜损耗、转子铝损耗都是与电流的平方成正比，高达5～7倍额定电流的起动电流使电动机内部热量迅速增加，短时间反复起停则使热量不断累积，直至达到危险的边缘。使转子鼠笼导条受损或断裂；频繁起停使电动机遭受各种惯性力、离心力、剪切力等的反复冲击，使得转子鼠笼最薄弱的部位因疲劳出现裂纹，该处电流密度增大，局部逐渐过热，加速使裂纹处产生断裂，严重时可能导致导条变软溅出。

3.电动机结构改进

三相异步电动机包括定子和转子，定子包括机座以及固定在机座上的定子铁心，定子铁心的槽中嵌设有定子绕组，转子包括铸铝转子以及铸铝转子中的转轴，定子铁心由0.5mm厚度的优质冷轧电工硅钢片叠压而成，铸铝转子由0.5mm厚度的优质冷轧电工硅钢片与高温熔化了的铝液压铸成一个整体；定子铁心与定子绕组之间的绝缘材料不低于H级，如采用聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料6650型号，绝缘材料单边伸出定子铁心的长度比常规标准设计长5～10mm，定子槽的绝缘材料厚度较常规标准设计增加10％～20％。铸铝转子为鼠笼型结构，其槽型截面积为常规标准设计的115％～130％。转轴采用热套工艺压入已预热至250～350℃的铸铝转子中，并采用G1.0动平衡精度等级对铸铝转子进行动平衡校验。三相异步电动机的热负荷为常规标准设计的75％～85％。定子绕组的电流密度为常规标准设计的78％～90％。定子铁芯采用真空压力工艺做浸烘漆处理。定子绕组端部的接线处通过乙炔熔焊并采用高质量银铜焊条。通过采取降低电机运行过程中的定转子绕组（导条）发热量并增强电气强度和机械强度等措施，提高了电动机应对各种工况使用的可靠性。

4.改进具体内容及其原理分析

首先，为了降低定子绕组发热，设计电机的热负荷为普通电动机的75％～80％以及降低定子绕组电流密度，使定子绕组电流密度为普通电动机的78％～90％。其次，为了提高转子鼠笼的质量并改善工作条件，转子采用热套工艺将铸铝转子固定在轴上，转子经加严1级（由G2.5提高到G1）动平衡校验，使电动机运转平稳、振动小。同时，增加转子导条截面积为普通电动机的115％～130％，以降低转子导条的电流密度，降低鼠笼转子发热。还优化了转子铸铝工艺，通过转子预热温度、熔铝温度的最佳匹配，并设计排气良好的铸造工装模具，使得铸铝转子铝导条和铝端环通过压铸形成一体并与转子冲片槽紧密配合，消除电动机在起动或运行时导体和转子铁心之间因震颤而产生时断时续的放电火花。最后，采用“热套”工艺将已加工好的转轴压入温度已预热至250～350℃的铸铝转子中。此外，为了改进电机线圈端部焊接工艺，优化熔焊焊接工艺，并采用高质量银铜焊条，进一步降低焊接处直流电阻。需将导线接头绞紧，铰接长度为25～35mm，用断线钳将导线接头剪齐，便于焊接。同时绕组之间一律采用并接焊。接头端部必须剪齐，引线电缆与绕组之间接头采用对接焊。3.4在烧焊前将用水浸湿的石棉纸包在导线接头绝缘管上，并用废铜线缠绕防止脱落（避免将绝缘管烧毁）。火焰控制长度应按照导线截面的大小进行调整（内焰一般控制在5～10mm之间）。导线接头用气焊熔化焊接后，先用克丝钳子将绞接接头略松一下，然后用内焰的焰头烧去导线漆皮，用克丝钳子将漆皮渣子轻轻敲掉，再用中性火焰（距焰心1～2mm处）。焊接时边烧边用钳子拧紧接头直到熔接成一体，冷却后接头顶部形成一光滑球体，火焰要控制在最短范围内，以免烧伤绝缘。焊接后，检查焊接接头是否焊牢，不得有漏接、漏焊、假焊现象，焊接接头顶部球的直径不得小于铰接接头外径。至于包绝缘方面的考虑，铰接接头先弯倒于未套绝缘管的一边的导线上，并用钳子夹平，然后包漆布带和移动事先套好的套管，接头处绝缘处理及搭接长度要符号图纸要求。同时采用端部绑扎，用弯针将绑扎带穿过端部两槽之间的空隙从外圆向内圆（或从内圆向外圆）绑紧；相间绝缘要绑靠，绑扎带的接头要留在绕组外圆靠近铁心处，不得留在绕组内圆或尖子上。为了提高定子绕组绝缘强度，定子绕组漆包线使用抗电晕的变频电机专用漆包线。槽绝缘采用聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料6650。槽绝缘的厚度较普通电机提高10％～20％。

同时，槽绝缘单边伸出铁心的长度较普通电机增加5～10mm，如图1所示。有绕组定子铁心采用真空压力浸漆（VPI)，H250及以下需经过预烘、抽真空、保真空、浸漆、加压、保压、滴漆、烘干，整个过程在10小时；H250以上需要12小时，使得定子绕组浸漆饱满、厚实，绕组与铁心成为一个完整的整体，以提高绕组机械强度、热稳定和防潮性能以及耐电压及耐高次谐波冲击能力。此外，增强极相组间的绝缘结构强度，通过端部线圈绑扎工艺，提高机械及电气强度。本方案采用了耐热等级更高的绝缘材料（180级），槽绝缘单边伸出铁芯长度由（槽绝缘长度‑铁芯长度）/2＝15增加到22，采用防电晕变频专用漆包线（200级），并应用VPI真空压力浸漆使得定子绕组浸漆饱满、厚实，绕组与铁心成为一个完整的整体，从而提高了绕组机械强度、热稳定和防潮性能以及耐电压及耐高次谐波冲击能力。

通过这些设计，降低热负荷及定子绕组电流密度，增大转子槽面积同时降低转子导条电流密度，在相同的负载情况下减少了电动机定转子发热，消除了定子绕组及转子导条过热的隐患；通过转子热套减少因冷压造成的转轴的跳动，增加动平衡精度等级，保障电动机运转时振动小、噪声低、平稳轻快。同时，采用银铜焊条的乙炔熔焊，彻底消除低电压碰焊常见的虚焊、脱焊等质量隐患。虽然因采用了更好的绝缘材料和采取了更高的加工要求而导致电机制作成本有一定程度的增加，但电动机的可靠性却得到显著提高。

结语

除了本方案以外，未来三相异步电动机的发展方向主要是提高能效和智能化水平，减少对环境的影响。这将包括采用新的材料和技术，例如使用低损耗材料、优化电机设计、采用高效控制器等，以提高电机的能效和性能。此外，电机的智能化将成为发展的趋势，通过采用先进的传感器和控制技术，实现电机的自适应控制、远程监控和故障预警等功能，提高电机的可靠性和智能化水平。

参考文献

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