YR500024 5000Kw 24极改20极模板.docx
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YR5000245000Kw24极改20极模板
YR5000-24/286010Kv5000Kw绕线式异步电动机
24极改20极设计计算技术总结
一.前言
YR5000-24/286010Kv5000Kw绕线式异步电动机系包钢初轧厂连轧车间650机架的主传动电动机.该机是1989年由哈尔滨电机厂制造并于同年8月在包钢安装的.以代替原来由沈阳电机厂制造的4000Kw电机.这是国内制造的功率最大的高压绕线式异步电动机.该电机运行4年来一直运行正常.
1993年包钢初轧厂为了提高连轧车间的产量.提出要把这台电机改为20极.以提高电机转速.由于是绕线式异步电动机,要变极数,就要定子和转子一起改造.
根据初轧厂的委托,我对该机的改极做了设计.包括电磁计算和线圈设计.以下是设计总结.
二.原电机铭牌
YR5000-24/28605000Kw247.5r/m
功率因数0.74效率94%绝缘等级F/F级
定子电压10Kv定子电流402A接法2Y
转子电压1850V转子电流1639A接法2^
定子重量21500Kg转子重量21500Kg总重量640000Kg
哈尔滨电机厂1989年1月出品出厂编号7-15904
三.原定子铁心绕组数据
1.铁心Da=2860Di=2540Lt=1010（17段）
Z=216bn*hn14.4*80.0（迭片尺寸.迭片公差0.4mm）
2.绕组2p=24q=3.0y=8（1-9）a=2Y
3.原线圈
导线2-3.0*6.3SBEMB-40/155单玻双层聚酰亚胺薄膜绕包线
绕法上下两根并绕匝数4匝/只
匝间绝缘0.13*25有机硅玻璃云母带
4.绕组每相串联匝数
W=216/3/2*4=144匝
四.根据原线圈实物,核算线圈尺寸,发热参数和槽内填充.
1．热负载
1．1．导线线规3.0*6.3导线截面S=18.35mm#
1．2．电流密度J=402/2/（2*18.35）=5.4768A/mm#
1．3．线负载A=402/2*4*2*216/（254*3.1416）=435.2675A/cm
1．4．热负载AJ=5.4768*435.2675=2383.890
1．5．评论:
根据电机工程手册第20篇"异步电机"第3章<电磁设计>
P20-20.图20.3-2."异步电动机基本系列产品电磁负荷范围"
对于本机（极距TAO=332.5mm）
J可取4.5-5.2本机偏高
A可取400-480本机合适
AJ可取1800-2400本机合适,接近上限.但是对于F级可以.
2．导线绝缘和匝间绝缘
2．1．导线SBEMB-40/155单玻双层聚酰亚胺薄膜绕包线.
这个尺寸很难做双薄膜线.
2．2．绝缘后的导线尺寸为3.4*6.7
则A-a0.40mmB-b为0.40mm
2．3．匝间绝缘0.13*25有机硅玻璃云母带
根据图纸尺寸反算出匝间绝缘厚度
高度29.5/4-2（3.4+0.02）=0.535mm一层半迭包.
宽度7.4-（6.7+0.1）=0.60mm也符合一层半迭包.
2．4．说明:
根据现行的匝间试验标准（JB293-87）单只线圈的冲击试验电压为2*Un+2500=22500V
平均每匝承受的试验电压是5625V太高了.
本机现在标注的试验电压是每匝2000V.不符合要求.
匝间绝缘厚度0.935mm是否合格没有根据.
3．线圈尺寸计算:
3．1．匝间:
高度（（3.40+0.02）*2+0.535）*4=29.5mm（这样与图纸相符）
宽度6.70+0.10+0.70=7.5mm（这样与图纸相符）
3．2．主绝缘:
由图纸标注主绝缘与匝间之间的尺寸差确定）.
高度29.5+6.2=35.7mm（这样与图纸相符）
宽度7.4+6.2=13.6mm（这样与图纸相符）
主绝缘厚度含防晕层只有6.2mm也不厚.
4．迭片以后的槽尺寸（冲片尺寸减去迭片公差0.4mm）
宽度14.4-0.4=14.0mm高度80.0-0.4=79.6mm
5．槽内填充
宽度14.0-13.6=0.4mm（松紧正常,也不富裕）
高度79.6-2*35.7=8.2mm（对10Kv电机也不富裕）
高度分配为
槽底1.0mm,层间2.0mm,槽楔4.0mm,楔上0.5mm,共7.5mm
楔下还有0.7mm作为调节线圈公差用.很紧张.线圈必须做好.
五.改20极的计算
1．改20极前后的极距
1．1．按数值算为
24极2540*3.141592654/24=332.48mm
20极2540*3.141592654/20=398.98mm
1．2．按槽数算为
24极216/24=9槽20极216/20=10.8槽
2．改20极前后的每极每相槽数
24极q=216/（3*40）=3.020极q=216/（3*20）=3.6
3．改20极前后的槽节距和短距比
24极时y=8（1-9）8/9=0.888889
20极时y=10（1-11）10/10.8=0.926
y=9（1-10）9/10.8=0.0.8333
从抵消高次谐波的角度取5/6的短距最好
5/6=0.83333与第二种节距一致.因此选1-10
4．改20极前后极后的基波绕组系数
4．1．短距系数
24极时Ky=Sin（8/9*90）=0.9848078
20极时Ky=Sin（9/10.8*90）=0.9659258
4．2．分布系数
24极时Kp=0.5/（3*Sin（30/3））=0.9597951
20极时Kp=0.5/（18*Sin（30/18））=0.955064
（3.6=36/10=18/5所以按18计）
4．3．基波绕组系数
24极时Kw1=0.9848078*0.9597951=0.94521
20极时Kw1=0.9659258*0.9550643=0.92252
5．24极改20极后的匝数计算
5．1．24极改20极以后,极距和每极下的面积之比为24/20=1.2
若气隙磁通密度不变.则每极有效磁通也增加为原来的1.2倍
5．2．原来每相串联匝数为4*3*12=144匝（每支路12个极相组）
有效匝数144*0.9452136=136.1076
现在每相串联匝数为可取144/1.2=120匝.
5．3．每线圈匝数为120/10/3.6=3.333（每支路10个极相组）
而且现在的绕组系数比原来的低.
3.3333*0.94521/0.92252=3.415应该取3.5匝.
5．4．这样相当于比计算值多3.5/3.415=1.0248多2.48%若不考虑饱和的影响,气隙磁密相应减小2.48%
5．5．上计算机上算出的实际值是8712.737/8816.925=0.9882
这是由于20极的压降系数Ke比24极的压降系数小.感应电势略高的原因.24极的压降系数查表值是0.922,实际的计算值是0.9445.20极的感应电势为5484.8V.932,24极的感应电势为5427.093V.因此趋势是对的.
24极改20极以后齿磁密相应减小.轭磁密相应增加.以后计算的趋势也是是对的.
5．6．但是现在是分数槽,无法做分数的匝数.可以按照等效的办法,做成4Y接线,每只线圈7匝.
定子是216槽.20极.每极每相槽数q=3.6.每5组线圈一个轮回.因此可以做成4路.最多也只能做成4路.
5．7．绕组排列为
A34443│34443│34443│34443│每相72个.
C44334│44334│44334│44334│每相72个.
B33444│33444│33444│33444│每相72个.
5．8．改20极以后的每相串联匝数W=72*7/4=126匝
有效匝数126*0.92252136=116.23777
24极改20极所需的有效匝数为136.1076/1.2=113.423
实际的每相有效匝数为116.2375.比需要值高.
116.10777/113.423=1.0248高2.48%,与以前的计算是一致的
6．24极改20极后导线截面的选择
6．1．确定匝间绝缘种类和匝间绝缘的厚度
现在线圈匝数为7匝.根据现行的匝间试验标准（JB/Z293-87）.单只线圈的冲击试验电压为2*Un+2500=22500V
平均每匝承受的试验电压是22500/7=3214V
应该选择SBEFB-90/155-2N自粘性玻璃丝包云母带绕包线.
A-a0.90mmB-b0.85mm云母带两层半迭包.
按照上海电机厂的绝缘规范用SBEFB-70/155-2N云母带绕包线.
A-a0.70mmB-b0.65mm云母带两层1/4迭包.
这种线因云母带的迭包率低,我觉得不太好.按照1991年我作为评委参加云母带绕包线的国家级鉴定会时,会上介绍的云母带绕包线绝缘的选择原则,每匝承受的平均冲击电压大于3000V时就应该选择SBEFB-90/155-2N.而且本机对包钢太重要了.匝间绝缘必须很可靠才行.因此先按照SBEFB-90/155-2N算.若尺寸实在安排不下,导致电流密度太大的话.可选择新产品SBEMFB-70/155-2N自粘性双玻璃丝包云母带聚酰亚胺薄膜绕包线.它的绝缘性能与SBEFB-90/155一致.至SBEMB-60/155-2N聚酰亚胺薄膜绕包线,因最大绝缘厚度只有0.60mm,击穿电压只有5500V,也比较低.故不做考虑.
6．2．几种导线的性能比较如下
导线型号SBEFB-70/155-2NSBEFB-90/155-2NSBEMFB-70/155-2N
导线名称自粘玻璃丝包自粘玻璃丝包自粘玻璃丝包
云母带绕包线云母带绕包线云母带薄膜绕包线
绝缘结构0.10云446-1S0.10云446-1S0.03亚胺薄膜
1/4迭包两层半迭包两层0.10云446-1S
各半迭包一层
迭包重叠率25%48-50%48-50%
绝缘厚度0.70mm0.90mm0.70mm
弯曲绝缘不开裂10a,10b10a,10b10a,10b
常态击穿电压直线/8000V直线/10000V直线/10000V
10a/6000V10a/7500V,10a/7500V
6．3．确定主绝缘种类和主绝缘的厚度
主绝缘选用F级5440-1改性桐马环氧粉云母带.它的介电强度可达到32-34Kv/mm,而B级的5438-1的介电强度只有24-26Kv/mm.而且它的机械柔韧性能也比较好.是现在的通用的F级云母带.原电机用的羧酸盐玻璃粉云母带和辛酸锌玻璃粉云母带因其绝缘性能不稳定,都已不再生产.
绝缘厚度现在上海电机厂含防晕层为双边6.0mm,不含防晕层为双边5.7mm,为了保险起见希望增加0.5mm,到6.5mm.
由于该机对包钢很重要,一旦停产损失很大.所用高压电机应该是采用加强绝缘.并且应该完全按照有关国家标准进行试验.所以我把匝间绝缘和主绝缘都加强了.
6．4．按照槽内尺寸倒算可以采用的导线尺寸
6．4．1．槽宽14.0mm线圈宽度可以做到13.60mm
槽深79.6mm线圈高度可以做到（79.6-8.0）/2=35.80mm
6．4．2．匝间的尺寸分别为宽13.60-6.5=7.10mm
高35.80-6.5=29.30mm
6．4．3．绝缘导线的尺寸
A=29.30/7-0.02=4.17mmB=7.10mm
6．4．4．减去匝间绝缘裸线的尺寸为
a=4.17-0.90=3.27mmb=7.1-0.85=6.25mm
6．4．5．按照现行的新系列线规表,可取3.15*6.0.
其导线截面为S=18.35mm#与原来一样.
6．4．6．若需要增容,可取3.15*6.3.其导线截面为S=19.30mm#
6．4．7．由于没有提出改极后相应增容的要求.就取3.15*6.0
7．24极改20极后发热的计算
7．1．导线线规3.15*6.0导线截面S=18.35mm#
按额定电流402A计算
7．2．电流密度J=402/2/（2*18.35）=5.4768A/mm#与原来一致.
7．3．线负载A=402/4*7*2*216/（254*3.1416）=380.859A/cm降低12.5%
7．4．热负载AJ=5.4768*380.859=2085.889
7．5．评论:
根据电机工程手册第20篇"异步电机"第3章<电磁设计>
P20-20.图20.3-2."异步电动机基本系列产品电磁负荷范围"
对于改极以后（极距TAO=398.98mm）
J可取4.6-5.3现在偏高
A可取410-490现在偏低
AJ可取2000-2600本机合适,接近下限.
若按照上限2600,则改极数后可以增容.
电流可增加的倍数为SQR（2600/2085.89）=1.116.即增容11.6%
8．为了比较改极数前后的电机性能.对原24极和改为20极以后的电机参数都做了电磁计算.
并且由于变极前后匝数只相差1/8,同时考虑一个能否利用原有线圈,只是按照20极的极相组重新接线的方案.一起上计算机进行计算.三种计算的比较如下:
（以下都是计算值.因为不知道原电机用的是什麽牌号的硅钢片.所用的磁化化曲线与设计者不尽相同.计算值有一定偏差.但是在3%之内.而且作为三个方案的对比.铁心的条件是一致的.也没有关系.
<附录1>YR5000-24/286010Kv5000Kw绕线式异步机
改20极5000Kw的两个方案及与原电机的比较
项目原24极电机改20极的两个方案
新制线圈原线圈改接
额定功率5000Kw5000Kw5000Kw
同步转速250r.p.m.300r.p.m.300r.p.m.
额定转速247.61297.85297.46
额定转矩19688.2Kg.M16367.3Kg.M16388.8Kg.M
额定电压10Kv10Kv10Kv
铭牌电流402A------
计算电流411.6A417.3A383.11A
线圈匝数4匝/只7匝/只4匝/只
每相匝数144匝/相126匝/相144匝/相
接线路数2Y4Y
线规2-3.0*6.302-3.0*6.302-3.0*6.30
线圈节距Y=8（1-9）Y=9（1-10）Y=8（1-9）
短距比8/9=0.88899/10.8=0.83338/10.8=0.7407
短距系数0.98480790.96592590.9182162
分布系数0.95979490.95506440.9550644
绕组系数0.94521360.92252140.8769556
有效匝数136.11116.24126.28
压降系数0.94450.95250.9532
感应电势5427.09V5484.83V5484.83V
饱和系数1.221.201.11
每极磁通1.827E+072.161E+071.975E+07
气隙磁密8816.9Gs8712.7Gs8223.2Gs
定子齿磁密16150.7Gs15959.8Gs15063.0Gs
定子轭磁密14447.7Gs17082.1Gs15618.1Gs
转子齿磁密15747.9Gs15561.8Gs14687.3Gs
转子轭磁密12361.7Gs14615.7Gs13363.1Gs
励磁电流232.3A252.3A190.7A
标么值0.8048090.8739500.660447
电抗计算系数0.055560.048630.05739
定子漏抗x10.068970.054400.07089
转子漏抗x20.063970.047830.05735
总电抗X0.13670.104620.13105
最大转矩倍数3.25274.26263.4185
对24极转矩3.25273.55222.8487
功率因数0.73740.72900.7923
效率95.16%94.91%95.09%
匝间绝缘厚度0.94mm0.90mm0.94mm
主绝缘厚度6.20mm6.20mm6.20mm
定子电流密度5.60745.68495.2195
线负荷445.64395.33414.82
热负荷2498.912247.372165.14
定子铜损71.08Kw63.92Kw61.59Kw
定子铁损82.96Kw101.28Kw86.50Kw
定子损耗154.04Kw165.20Kw148.09Kw
总损耗256.79Kw268.41Kw257.98Kw
定子铁心温升48.92K44.56K40.64K
定子线圈温升74.35K65.91K62.07K
转子空载电压1836.9V2168.5V1997.5V
转子额定电流1653.4A1395.7A1522.5A
转子电流密度5.64864.76805.2012
线负荷345.36291.51318.00
热负荷1950.791389.911653.99
转子铁心温升41.62K34.34K40.64K
转子线圈温升54.43K39.59K62.07K
9．通过以上计算可以看出:
9．1．原电机的设计气隙磁通密度较高,铁心齿磁密和轭磁密也比较高,气隙相对也比较大.因此励磁电流较大,功率因数较低,最大转矩倍数较高,定子电流的标么值也较高.
它的参数范围特征与同期生产的前两机架的YR2000-20/215010Kv2000Kw绕线式异步机和相似.我想.因为是作为连轧机上的电机,其设计思想主要是提高最大转矩倍数.因此对励磁电流和功率因数做了一定的牺牲.
9．2．原电机所采取的定子电流密度较高,因此热负荷和定子线圈偏高.但是还都在允许范围之内.对于F级绝缘.定子线圈计算温升在74.4K,还有一点裕度.
9．3．改为20极,采用新制线圈,并且选用比较好的短距系数.这时的短距系数比原电机小.因此使得基波绕组系数有所减小.如前面所计算,有效匝数比保持气隙磁密不变所计算出的需要匝数增加很少.因此气隙磁密和齿磁密稍有减少.气隙磁密由8816.9GS减少为8712.7Gs,减少1.18%
定子齿磁密由16150.7Gs减少为15959.8Gs,减少1.18%
转子齿磁密由15747.9GS减为为15561.8Gs,减少1.18%
但是因为每极气隙面积增加20%,相应地轭磁密增加.
定子轭磁密由14447.7Gs增加为17082.1Gs,增加18.23%
转子轭磁密由12361.7GS增加为14615.7Gs,增加18.23%
9．4．这样使总的励磁安匝增加,励磁电流增加.
励磁电流由232.3A增加到252.3A,增加8.61%
励磁电流标么值由0.804809增加到0.873950
9．5．励磁电流的增加导致功率因数的下降
功率因数由0.7374降至0.7290,下降1.14%
9．6．励磁电流的增由导致定子电流的增加
定子电流由411.6A增加至417.3A,增加1.38%
9．7．由于轭磁密的增加大于齿磁密的减小,使定子铁损增加.
定子铁损由82.96Kw增加至101.28Kw,增加22.1%
虽然由于匝数减少使铜损减少,但是仍使定子损耗和总损增加,使效率降低.
定子损耗由154.04Kw增至165.20Kw,增加7.24%
总损耗由256.79Kw增至268.41Kw,增加4.53%
效率由95.16%降至94.91%
9．8．最大转矩倍数有增加
最大转矩倍数由3.2527增至4.2626
但是由于转速增加,额定转距减小,实际上相当于绝对值
只增加3.5522/3.2527=1.092
9．9．定子电流增加,电流密度增加.但是由于每槽线数减少,线负荷减小.热负荷减小.热负荷由2498.91减至2247.37,减小10.07%
9．10．相应地铁心和线圈温升降低
定子铁心温升由48.92K降至44.56K
定子线圈温升由74.41K降至65.91K
9．11．转子空载电压升高和转子电流减小.
转子空载电压由1836.9V增至2168.5V
转子额定电流由1653.4A减至1395.7A
9．12．相应地转子热负荷及铁心线圈的温升也降低
转子电流密度由5.6486降至4.7680
线负荷由345.36降至291.51
热负荷由1950.8降至1389.9
转子铁心温升由41.62K降至34.34K
转子线圈温升由54.43K降至39.59K
由此比较可以看出:
新设计的24极改20极方案.除了由于轭磁密增加引起的励磁电流增加、铁损增加、功率因数降低、定子电流增加和转子电压增加等问题外.转距不低,效率虽有一点降低但是符合标准要求.定转子绕组的热负荷与铁心及线圈温升都有降低.可以通过.电机还可以适当增容.根据热负荷不超过F级允许的热负荷2700估算,改20极后可以增容SQR（2700/2247.37）=1.096即增容9.6%左右.
10．线圈不动,仅极相组重新组合,改接成20极的方案可以同时从表中看出.也是可行的.就不再具体分析了.
六.线圈绝缘工艺
1．匝间模压直线部分固化成型.预热后上模.180度20分钟.
上下模要轻拿轻放,待线圈冷却后再拆脱模带.以防变形.
2．引线
0.14*255443-1半迭包9层.比电机厂的规范多一层.
再加包一层0.10*25涤沦玻璃丝交织带.引线绝缘包扎进斜边100mm,出鼻端30mm.并要注意搭接处必须层层过渡形成锥体搭接.
3．主绝缘
3．1．直线部分0.14*255440-2改性桐马环氧粉云母带半迭包14-15层
压缩后绝缘厚度6.3-6.5mm（包括防晕层）
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