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        TDBS 5300-20交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        2014-08-02 03:58:32馬軼洋
        上海大中型電機(jī) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:集電環(huán)磁極鐵心

        馬軼洋

        (上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司, 上海 200240)

        TDBS 5300-20交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        馬軼洋

        (上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司, 上海 200240)

        針對(duì)淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司顧橋礦主井使用的某公司生產(chǎn)的2臺(tái)交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)(TDBS 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)在實(shí)際使用中存在的定子溫升高、定子線圈及轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)等問(wèn)題,指出了其設(shè)計(jì)及制造中的不足點(diǎn)。詳細(xì)介紹了本公司更改設(shè)計(jì)后的電機(jī)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合制造、工廠試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況,說(shuō)明了改造效果,同時(shí)闡述了設(shè)計(jì)該類電機(jī)時(shí)需要注意的地方。

        交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī);礦井提升系統(tǒng);溫升;改造

        0 引言

        淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司顧橋礦主井提升系統(tǒng)使用2臺(tái)中信重工生產(chǎn)的JKMD-5×4(Ⅲ)型多繩摩擦式提升機(jī),配套2臺(tái)國(guó)內(nèi)某電機(jī)廠生產(chǎn)的交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)(TBP 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)(電機(jī)圖片見圖1)。設(shè)備于2006年投入運(yùn)行,但電機(jī)在使用過(guò)程中,出現(xiàn)以下問(wèn)題:1)電機(jī)定子線圈出現(xiàn)松動(dòng),線圈直線部分與嵌線槽產(chǎn)生摩擦,對(duì)地絕緣損壞,電機(jī)振動(dòng)及噪聲變大;2)轉(zhuǎn)子中部分磁極松動(dòng),造成阻尼環(huán)連接片斷裂;3)電機(jī)溫升偏高。在提升為32 t(最大提升33 t)時(shí),電機(jī)定子溫度可到130℃,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。顧橋礦2010年向原制造廠訂購(gòu)了一臺(tái)備機(jī),但交貨后仍存在電機(jī)定子溫度高的問(wèn)題。為此,用戶轉(zhuǎn)而向我公司訂貨,要求生產(chǎn)2臺(tái)同規(guī)格電機(jī),替換存在問(wèn)題的電機(jī)。

        圖1 5 300 kW 0~49.7 r/min電機(jī)圖片

        1 原電機(jī)的規(guī)格和型式(原電機(jī)外形圖見圖2)

        電機(jī)容量:5 300 kW;極數(shù):20極;電壓:1 500 V;轉(zhuǎn)速:0~49.7 r/min;頻率:0~8.28 Hz;功率因數(shù):cosφ=1;絕緣:F級(jí)(B級(jí)考核);電機(jī)過(guò)載能力:電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)電流為2倍額定電流,時(shí)間80 s,在周期內(nèi)等效負(fù)荷不超過(guò)電機(jī)額定負(fù)荷;效率的保證值為95%;冷卻方式:電機(jī)主體采用半管道強(qiáng)制風(fēng)冷卻(IC 37);安裝形式:電機(jī)為錐套式無(wú)軸和軸承(IM 5710);防護(hù)等級(jí) :IP 44;定子主出線6根,由電機(jī)底部引出;定子繞組埋置9個(gè)“Pt-100”測(cè)溫元件,其引出線置于專用出線盒內(nèi);電機(jī)轉(zhuǎn)子采用全阻尼繞組結(jié)構(gòu)以改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和諧波影響;電機(jī)負(fù)載端裝有接地電刷;電機(jī)可做雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行,工作方式S8。

        2 原電機(jī)問(wèn)題分析

        在查看了原制造廠隨機(jī)圖紙及在現(xiàn)場(chǎng)觀察電機(jī)運(yùn)行后,判斷電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)取值偏大,造成電機(jī)溫升較高?,F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)路漏風(fēng)嚴(yán)重,加劇了這一現(xiàn)象。而結(jié)構(gòu)及制造上的一些缺陷,又造成了定子線圈和轉(zhuǎn)子磁極出現(xiàn)松動(dòng)的狀況。

        圖2 原電機(jī)外形圖

        1) 定子端部綁扎采用了軟端箍形式,端箍無(wú)支架(原電機(jī)定子端部綁扎見圖3)。在定子線圈與槽型配合不緊密產(chǎn)生松動(dòng)的情況下對(duì)線圈軸向竄動(dòng)的固定作用不大。

        2) 定子線圈松動(dòng)及絕緣迅速老化主要是制造上的缺陷所致。

        3) 轉(zhuǎn)子中磁軛外圓為圓形,與線圈接觸的部位沒(méi)有放置墊板,使磁極線圈與磁軛未完全貼合。磁極固定僅用一個(gè)螺母加止動(dòng)墊圈,防松作用沒(méi)有雙螺母效果好。在頻繁正反轉(zhuǎn)的情況下,容易產(chǎn)生松動(dòng)(線圈下無(wú)墊板見圖4、單螺母加止動(dòng)墊圈見圖5)。

        圖3 原電機(jī)定子端部綁扎

        圖4 線圈下無(wú)墊板

        圖5 單螺母加止動(dòng)墊圈

        以上是原電機(jī)主要幾處有待改進(jìn)的地方,而我公司在這幾處均采用了更加可靠的結(jié)構(gòu)形式避免同類問(wèn)題的發(fā)生。

        3 改造方案確定及技術(shù)難點(diǎn)

        因?yàn)樵姍C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)取值偏高,在備機(jī)制作時(shí)必須適當(dāng)降低,使之在合理范圍內(nèi)。這勢(shì)必要改變電機(jī)尺寸。而用戶要求改造周期短、電機(jī)安裝尺寸和通風(fēng)形式位置不變,這就給方案的確定帶來(lái)很大的難度。

        3.1 用戶要求新電機(jī)改進(jìn)的地方

        1) 定子溫升要求盡管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)考核,定子溫升允許為85 K。但用戶從設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行角度出發(fā),要求定子計(jì)算溫升必須小于60 K。

        2) 為減小改造電機(jī)對(duì)提升系統(tǒng)的影響,要求電機(jī)轉(zhuǎn)子不得超過(guò)36 t,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J≤42 000 kg·m2。

        3) 考慮平時(shí)維護(hù)方便,集電環(huán)罩需由安裝在后端蓋上改為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。

        4) 增加防潮加熱器。

        5) 電機(jī)安裝尺寸、通風(fēng)形式、風(fēng)管位置,均需按原電機(jī)。

        3.2 電磁方案確定

        根據(jù)用戶提供的原電機(jī)相關(guān)資料,定子沖片外徑:3 250 mm,內(nèi)徑:2 780 mm,鐵心長(zhǎng):1 056 mm,槽數(shù):192,槽高:120 mm,槽寬:21.5 mm,定子線規(guī):6-3.55×5.3,銘牌上勵(lì)磁電壓:236 V 、勵(lì)磁電壓:581 A。用我公司公式計(jì)算,定子溫升約在117 K,線負(fù)荷:1 176 A/cm,電流密度:4.88 A/mm2,熱負(fù)荷:5 741。幾個(gè)數(shù)值相對(duì)都是較高的,這是造成定子溫升高的主要原因。在找到問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)后,經(jīng)過(guò)反復(fù)演算比較,如果按原電機(jī)鐵心尺寸及槽型,是不能滿足溫升要求的,只有新開定、轉(zhuǎn)子沖片。最終新方案確定如下,定子沖片外徑:3 250 mm、內(nèi)徑:2 780 mm、鐵心長(zhǎng):1 152 mm、槽數(shù):192、槽高:128 mm、槽寬:21.5 mm、定子線規(guī):9-3.35×5.6。此時(shí),定子溫升約在60 K,線負(fù)荷:1 169 A/cm,電流密度:3.24 A/mm2,熱負(fù)荷:3 791,勵(lì)磁電壓:236 V 、勵(lì)磁電壓:581 A,從理論計(jì)算上滿足了要求。

        3.3 電機(jī)外形尺寸確定(更新電機(jī)的外形圖見圖6)

        根據(jù)外形圖及現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果,電機(jī)冷卻方式為半管道形式,冷卻風(fēng)由電機(jī)非負(fù)載端引入電機(jī)底部的風(fēng)室,分別從前、后端蓋進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部,大部分由電機(jī)中間出風(fēng)管引出,還有一部分進(jìn)入集電環(huán)罩由集電環(huán)罩底部出風(fēng)管引出。但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果來(lái)看,大部分冷卻風(fēng)在非負(fù)載端進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部和集電環(huán)罩,只有小部分從前端進(jìn)入電機(jī),且非負(fù)載端由于安裝問(wèn)題,漏風(fēng)嚴(yán)重,這對(duì)電機(jī)冷卻造成了一定影響。新電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),由于電機(jī)鐵心比原電機(jī)放長(zhǎng)96 mm,而中心線同原電機(jī),為滿足改進(jìn)要求,在不影響冷卻效果的前提下,前端蓋軸向縮短了40 mm,后端蓋軸向縮短了240 mm。集電環(huán)防護(hù)罩為獨(dú)立結(jié)構(gòu),考慮到集電環(huán)發(fā)熱量較小,取消原來(lái)的出風(fēng)管,采用了自然通風(fēng)方式,防護(hù)等級(jí)IP23,安裝于原集電環(huán)防護(hù)罩位置。經(jīng)過(guò)以上調(diào)整,電機(jī)安裝尺寸也完全滿足改造要求。

        4 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        1) 定子鐵心

        由于定子新開沖片外徑為3 250 mm,為保證定子能放進(jìn)4.8 m浸漆罐中,定子鐵心采用了外壓裝結(jié)構(gòu)形式。用過(guò)渡鐵心支架疊裝沖片。為防止鐵心在運(yùn)行時(shí)由于過(guò)負(fù)荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),鐵心壓裝固定后,沿徑、 軸向用固定塊將螺桿與支架壁焊接固定。

        同時(shí)

        圖6 更新電機(jī)的外形圖

        也將鐵心外圓與筋板焊牢,使鐵心充分固定。嵌入槽內(nèi)的線圈端部綁扎于帶支架的端箍上,VPI處理后將鐵心套入機(jī)座焊為一體,機(jī)座外罩板再最后焊接于機(jī)座上。定子繞組采用單繞組。

        2) 定子繞組接線分別位于鐵心兩端,便于下線與連接。引出線6根,由電機(jī)底部引出;

        3) 定子繞組埋置9個(gè)“Pt-100”測(cè)溫元件,其引出線置于專用出線盒內(nèi);

        4) 轉(zhuǎn)子磁軛電機(jī)與提升機(jī)采用錐套式聯(lián)接,由于磁軛與主軸過(guò)盈量δ=1要較以往產(chǎn)品δ=0.6~0.7大很多。對(duì)于此類配合,一般情況下采用整體鍛件(上電磁軛結(jié)構(gòu)圖見圖7)。但原電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛由于外筒體與內(nèi)錐套空間距離較大,采用的是同直流機(jī)一樣的幅板與錐套焊接結(jié)構(gòu)(原電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)圖見圖8)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)量較整體結(jié)構(gòu)輕2~3 t,同時(shí)外筒體可采用鑄件或厚鋼板材料,降低材料成本,缺點(diǎn)是焊縫質(zhì)量要求高。因?yàn)閷?duì)轉(zhuǎn)子有質(zhì)量限制,應(yīng)此磁軛結(jié)構(gòu)仍同原電機(jī),外筒體采用了焊接性能較好的鑄鋼ZG230-450H ,中間幅板采用厚鋼板,內(nèi)錐套采用鍛鋼件件15MnMoV,同時(shí)在磁軛外筒體兩個(gè)磁極中間位置增加通風(fēng)孔,加強(qiáng)磁極線圈散熱能力;

        圖7 上電磁軛結(jié)構(gòu)圖

        圖8 原電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)圖

        5) 磁極繞組為帶散熱匝的磁極線圈串聯(lián)而成,有利于提高繞組的散熱效果,降低轉(zhuǎn)子溫升;

        6) 磁極與磁軛采用螺桿加雙螺母形式固定,為使電機(jī)運(yùn)行可靠,磁軛上開一與極身等寬的凹槽;同時(shí)將疊好的磁極鐵心底面進(jìn)行加工,保證兩者緊密配合;

        7) 電機(jī)采用有刷勵(lì)磁方式,而主機(jī)軸不伸出磁軛,因此電機(jī)集電環(huán)通過(guò)裝與磁軛上的過(guò)渡圓環(huán)固定,刷架裝在獨(dú)立的防護(hù)罩內(nèi)壁上;

        8) 電機(jī)前、后端蓋設(shè)計(jì)為分半結(jié)構(gòu),并設(shè)置帶觀察窗的小門,方便平時(shí)的檢修。

        5 提升電機(jī)設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

        礦井提升電機(jī)作為提升系統(tǒng)重要的組成部分,在礦山生產(chǎn)中承擔(dān)著無(wú)可替代的重要作用。盡管電機(jī)過(guò)載要求較鋼廠電機(jī)小,電氣性能要求不高,但電機(jī)單次提升的間歇時(shí)間越來(lái)越短,電機(jī)始終在不停地正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。同時(shí)電機(jī)供電電源為變頻電源,存在交變的短時(shí)峰值電壓及諧波干擾。這些不利因素對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)及制造提出了較高要求,電機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)必須成熟、可靠。要充分考慮零、部件機(jī)械強(qiáng)度,定、轉(zhuǎn)子計(jì)算溫升需要要控制在一個(gè)較低的水平。這次顧橋礦原電機(jī)所出現(xiàn)的問(wèn)題也警醒著我們,要時(shí)刻注意,針對(duì)電機(jī)使用場(chǎng)合合理設(shè)計(jì),精心生產(chǎn),才能向客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

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