对旋轴流风机专用单绕组双速电机设计
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作者:孟大伟 杨小妮 刘金辉 荆超
摘 要：针对对旋式轴流风机在偏离额定工况点的状态，出现压升和功率不平衡，以及效率严重降低的问题，对风机的两级驱动电机进行了研究。采用变极调速的方式，设计出单绕组双速变极调速电机作为对旋轴流风机前后两级叶轮的驱动电机。根据电机绕组理论，利用对称轴线法设计出6/8极变极绕组型式，对双速变极电机进行有限元仿真分析，结果证明，双速电机在两种极数下电机性能均好。风机可以根据不同工况，调节前后两级叶轮的转速比，使风机始终工作在高效运行区。此外，所设计的单绕组双速电机对比原风机配用的电机降低了一个中心高，制造成本也有所降低。
关键词：对旋风机;变极调速;谐波分析;电磁计算
DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.016
中图分类号： TM343
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2020）01-0108-07
Abstract：Aiming at the problems of the pressure rise and power imbalance and the problem of serious reduction of efficiency when the contra-rotating axial flow-fan deviates from the rated operating point，the two-stage drive motor of the fan is studied-In this paper， the single winding and double speed motor is designed to drive the impeller of the contra-rotating axial flow-fan-According to motor winding theory， with the method of symmetry axis to design the 6/8 pole winding type-The finite element simulation analysis simulation analysis of the double speed pole motor show that the two-speed motor has good performance in two kinds of poles-The fan can adjust the speed ratio of the impeller according to different working conditions， so as to keep the fan working in efficient operation area-In addition， the design of single winding two-speed motor reduces the height of center and manufacturing costs by comparing the motor with the original fan-
Keywords：contra-rotating axial-flow fan; pole-changing control; harmonic analysis; electromagnetic calculation
0 引 言
對旋轴流风机由两个旋转方向相反的转子组成，两级叶轮分别安装在前后两级的轴伸端，由两台规格相同的三相感应电机直接驱动[1]，广泛应用于煤矿、隧道等需要通风的场合。伴随着煤井下长距离送风需求的增多，对风机的运行性能提出了更高的要求。近年来，很多学者对叶轮安装角度、风机轮毂结构、扩散器结构以及轴承等风机结构进行优化设计，大大提高了风机在设计工况点的运行性能[2-8]。然而对于风机偏离设计运行点时，出现的两级叶轮的压升和功率趋于不平衡，运行效率大大降低的情况并未进行深入研究。在实际的工程作业中，随着送风距离变化，风压和流量需要改变，目前多数风机是采用挡板或者阀门来调节的。但这种方法相当于人为增大了阻力，不仅浪费电能，而且还会对设备造成损害，降低设备的寿命[9]。
近年来，Pundhir Ds-[10]、Chen等[11]、刘红蕊等[12]、艾子健等[13]对旋轴流风机的变转速匹配特性进行研究，研究表明：调节前后两级叶轮转速，可以有效抑制失速和过载的问题，明显提高风机的运行效率。然而，变频器的使用不仅会增加投资，而且会因为井下、隧道中复杂恶劣的环境而无法满足防爆的要求。而变极调速可以实现电机转速的有级调节，并且凭借其简单、高效、安全、成本低且对设备运行环境要求低等优越性能，在这一工程领域应用更具有优势。此外，文[14]对变频调速和变极调速分别进行了研究，证明对于风机类负载机械的调速运行，变极调速更具有优势。
为达到风机系统节能的目的，本文以型号为FBDCZNo-14/2*45的矿用对旋轴流风机为研究对象，采用变极调速的方式设计出适用于此型号风机的单绕组双速6/8极调速电机，作为对旋风机前后两级的驱动电机，并对其进行了谐波分析，对电机性能进行了有限元仿真分析。
1 变极双速电机设计原则
风机属于平方转矩负载，其转速n与流量Q、转矩T以及功率P有如下关系：Q∝n，T∝n2，P∝n3，可见，风机调速可以实现了较大幅度的节能[9]。设计风机专用单绕组双速电动机时，必须考虑到轴功
率与转速立方成正比的特点，否则会出现前后两级功率不平衡的情况，达不到节能的目的。
本文单绕组双速电机采用变极调速，其核心为变极绕组设计。随着单绕组变极调速应用越来越广泛，普遍存在的问题是往往变极的绕组系数非常低，电机性能较差，可能带来更多的能耗，这与高效节能的初衷背道而驰。因此，设计出变极前后的绕组利用率高，谐波含量少的双速变极绕组是关键。 本文单绕组双速变极电机遵循以下设计原则：
1）受对旋风机安装尺寸的约束，新设计的电机的外形尺寸不宜与原电机尺寸相差过大，新电机的外形结构尺寸等于或稍小于原型号电机;
2）按风机系统运行的高效区合理确定两种转速下电机的额定功率;
3）定子绕组排列满足两种极数下电机的绕组利用率高，谐波含量低的要求;
4）电机特性曲线应基本符合功率与转速立方成正比，转矩与转速平方成正比的特性;
5）两种转速下电机性能均好;
6）满足以上要求的情况下，尽量降低电机的制造成本，达到节能的目的。
为适应不同送风距离风机运行情况，电机功率选取依据风机运行在不同工况下的的轴功率。根据文[15]，通过对型号为FBDCZNo-14/2*45的矿用对旋轴流风机进行研究，该风机原来配用电机为6极，转速为980r/min，对风机进行不同转速匹配研究，得到对旋轴流风机在不同转速配合时的效率-流量曲线和轴功率-流量曲线，如图1和图2所示。
4 结 论
本文对对旋轴流风机的专用双速电机进行研究，利用电机绕组理论和电机设计原理设计出了适合对旋轴流风机的专用双速电机，并对其进行有限元仿真分析，重点分析其电磁性能和机械性能。得出以下结论：
1）用对称轴线法进行绕组变极，设计出单绕组6/8极双速变极绕组排列型式，对绕组利用率进行分析计算，变极前后绕组系数分别是0-925和0-945，绕组利用率较高。
2）依据电磁设计原理，设计出双速电机，并建立模型，对两种极数下的电磁性能进行有限元仿真分析，重点分析了两种状态下磁密分布、径向磁密谐波含量和电磁转矩;最后得出结论：双速变极电机运行性能较好，效率较高，满足风机的要求。
3）本文设计的电机不仅在制作成本上有所降低，而且双速电机驱动风机运行，实现按需送风，大大提高风机的运行效率，达到节能的目的。
变极调速电机可以有级调节电机转速，可应用到各种机械负载类设备中，成本低，而且运行维护方便。
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（编辑：王 萍）
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