离心通风机用外转子三相异

步电动机的几个设计问题

李金松

改变小型电动机的形状及结构，将其装在被拖动的机器内部，形成机电一体化是目前小型电动机发展趋势之一。采用外转子电动机直接拖动离心通风机就是典型一例，它以机电一体的结构，取代了传统的皮带传动方式（图1示），不仅使通风机噪声和振动明显降低，且具有效率高、体积小，安装方便的优点。另外，为了达到节能之目的，外转子电动机还可设计成多速，以适应通风机经常调节流量的工况。现根据笔者几年的设计实践，就离心通风机用外转子三相异步电动机（以下简称专用电机）的几个设计问题浅述如下：

1．离心通风机对专用电机的要求

图1看出，由于专用电机同风轮一同安装在风机蜗壳内部，因此专用电机的外形尺寸，运行性能及可靠性将直接影响通风机的先进性，根据通风机的使用工况（该类风机多数用于空调系统），专用电机需满足以下要求：

（1）由于噪声是影响空调用离心通风机先进性的重要指标，所以，专用电机不但振动要小，而且噪声要低（一般要求比通风机整机噪声低十分贝以上）。

（2）鉴于通风机使用工况不尽一致，导致电机可能过载，因此专用电机要具有一定的过载能力和功率储备。另外，根据离心通风机的起动特性，专用电机的M=f（s）特性应与其匹配。

（3）为提高通风机的总效率：

η=η_d·η_f

式中，η_d——专用电机效率；

  η_f——风机气流效率。

专用电机要有较高的效率指标。

2．关于专用电机的噪声

根据分析，离心通风机的噪声：

Lρ=10 lg（10^Ld/10+10^Lj/10+10^Lf/10）（分贝）

式中，L_d——电机噪声；

  L_j——整机振动引起的机械噪声；

  L_f ——空气动力噪声。

其中，L_d纯属电机问题。由于电机因电磁振动和动不平衡会造成风机振动。因此L_j也与电机有关。L_f虽主要是空气动力设计问题，但该噪声与电机外形相关。总之，就降低风机噪声而言，在进行电机设计时，应程度不同的对产生噪声的三个因素统筹考虑。

理论分析表明，专用电机的噪声主要由电磁振动引起。而槽配合对电磁振动具有决定性的影响。我们知道，在三相对称绕组的气隙磁场中，除了基波和相带谐波以外，还存在着定子齿谐波：

ν=2Q₁/ P±1

和转子齿谐波：

μ=2Q₂/P±1

式中，Q₁——定子槽数：

  Q₂——转子槽数；

  P——电机极数。

这些齿谐波将产生一系列的激振力波，其影响大小是随激振力波次数：

γ=ν±μ

的减少而加剧，根据理论分析，在选用定转子槽数时应使：

Q₁－Q₂≠｛_ρ±k^K

式中，K=1，2,3…。对于小型电机，K值取前三项即可。

由此可见，从降低电磁振动噪声考虑，应使Q₁与Q₂相差较远方可有利。而作为外转子结构的专用电机，其定子槽的分布直径比一般电机小的多，考虑了齿部的制造工艺，机械强度及磁负荷等因素，定于糟数设计不可能很多，而转子情况正与其相反，即分布较多的槽数比较方便。总之，专用电机的结构特点有利于降低电磁噪声。

另外，气隙的不均匀也是导致电磁振动的重要原因。因为这使气隙磁导不均匀，由此而产生的径向单边磁拉力在气隙的最小方向作用于转子上，这个不平衡磁拉力可表示为：

      F=KπD₂ι_eff（B_δ/5000）² ．e/δ

式中，K——经验系数。对专用电机取0.3。

  D₂——转子内径；（对一般电机为转子外径）。

 ιeff——电机有效铁心长度；

  B_δ——气隙磁密；

  e ——气隙偏心量；

  δ——单边平均气隙。

  根据上式，设计者应从D₂、ιeff、B_δ、δ等方面综合考虑。鉴于专用电机的性能特点及由电磁产生的声压级L_d大致按：

L_d≈20 lg（1/δ²）

变化，故δ的选择应比一般电机大0.05～0.1毫米。

当然，严格控制加工和装配质量使偏心量最小固然重要，但是转子偏心一般不可能完全消除，因此，定子绕组采用适当的并联支路可有效的补偿磁路δ的不均匀。从而降低由气隙偏心引起的噪声。

权衡专用电机的工艺性，材料成本等经济技术指标，建议六极电机绕组（专用电机多数为六极）采用图2的接法。假如转子向下偏移（图3示）若各极同相绕组串联则流过同一电流，绕组A₁产生的磁通远小于绕组A₄产生的磁通。这是因为A₁所处的磁路由于气隙增大而磁阻明显加大，从而造成了不平衡磁拉力。采用了图2的接法后，由于A₁的电感小于A₄，使A₁流过较大的电流，此电流产生较大的磁势，在一定程度上补偿了磁路的不均衡，也就控制了电磁振动。

另外，为了尽力减少气流流经电机表面时产生的空气动力噪声，由图一可知，电机的外形设计应以避免出现曲率较大的突出面为基本原则。

3．专用电机的过载能力及功率储备

由于离心通风机使用工况不尽一致，尤其是用户对通风管路阻力的计算误差较大，加之有些场合要求频繁调节风量，故造成了专用电机过载机会较多，因此对专用电机的过载能力要求较高。

根据电机学原理，电机的最大转矩：

M_m=1/Ω₁ ．｛3U₁²/2[γ₁+_√γ₁²+（x₁+x’₂）²] ｝

式中，U₁——外施相电压；

  Ω₁——同步角速度：

  γ₁、x₁——定子相电阻和定子漏电抗。

  γ₂’、x’₂、——折合后的转子电阻和漏电抗。

根据上式，我们可以把M_m看作与电机总漏抗x= x₁+x’₂成反比（因在一般电机中γ₁《x ）。而总漏抗又正比于漏抗系数：

C_x =8πμ₀f₁（w₁κ_dρ1）²/ρ．ι_eff                          

式中，μ₀——空气磁导率；

   f₁——电源频率；

w₁κ_dρ1——每相有效串联匝数。

 综合上述，减少总漏抗是提高最大转矩的基本措施，设计者应从减少绕组匝数，增加定转子槽数，压缩铁心长度等方面统筹考虑。其中压缩铁心长度意味着选择较小的电机主要尺寸比；

λ=ι_eff/τ_ρ

式中，τ_ρ——电机极距。

  众所周知，λ值的大小与电机的运行性能，经济性，工艺性密切相关，一般系列电机的λ值在0.5～2.5间，对于专用电机可取以上范围较小值。这样可使专用电机具有以下特点：（1）利于提高过载能力；（2）制造工艺性较好；（3）电机轴向尺寸缩小，明显减少了气流经过电机表面的阻力损失。

另外，由于离心通风机的阻力短M_f与其转速n的关系为M_f∝n²。因此，它需要一个随着起动阶段末期而增大的转矩，而起动转矩可以很小。对于图4中具有曲线3那样机械特性的电动机显然不适用于阻力矩随转速变化的离心机械。

一般系列电机的过载能力及起动转矩对额定转短倍数在1.8～2.2和1.1～1.4间，根据生产实践，对专用电机建议取值在2～2.5和0.8～1.2范围为宜。

由于离心通风机偏离额定点运行的机会多且普遍，单靠提高专用电机的过载能力只能适应部分工况的短时过载，还不能完全解决通风机的运行可靠性问题。为此，根据笔者经验，在确定专用电机的额定功率：

P₂=（HQ/102*3600*η_f）·K_d(千瓦)

式中，H——通风机全风压（毫米·水柱）；

  Q——通风机额定风量（米³／小时）；

  K_d——功率储备系数。

时，需乘上功率储备系数K_d，当K_d取1.15～1.3时即能保证通风机的可靠性，又可使专用电机的效率保持一定水平。

4.关于专用电器的效率

以上提到，专用电机欲满足离心通风机的工况要求，需有较高的过载能力，低噪声及合理的外形尺寸等，这些约束条件给提高专用电机的效率带来困难。专用电机的效率可较一般系列电机低（2～4%）或保持一般系列电机水平。