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)速同步電動機(jī)設(shè)計特點(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臺交流調(diào)速同步電動機(jī)電機(jī)(TDBS 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)在實際使用中存在的定子溫升高、定子線圈及轉(zhuǎn)子磁極松動等問題,指出了其設(shè)計及制造中的不足點(diǎn)。詳細(xì)介紹了本公司更改設(shè)計后的電機(jī)設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合制造、工廠試驗及現(xiàn)場實際使用情況,說明了改造效果,同時闡述了設(shè)計該類電機(jī)時需要注意的地方。
交流調(diào)速同步電動機(jī);礦井提升系統(tǒng);溫升;改造
淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司顧橋礦主井提升系統(tǒng)使用2臺中信重工生產(chǎn)的JKMD-5×4(Ⅲ)型多繩摩擦式提升機(jī),配套2臺國內(nèi)某電機(jī)廠生產(chǎn)的交流調(diào)速同步電動機(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)在使用過程中,出現(xiàn)以下問題:1)電機(jī)定子線圈出現(xiàn)松動,線圈直線部分與嵌線槽產(chǎn)生摩擦,對地絕緣損壞,電機(jī)振動及噪聲變大;2)轉(zhuǎn)子中部分磁極松動,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,電機(jī)定子溫度可到130℃,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。顧橋礦2010年向原制造廠訂購了一臺備機(jī),但交貨后仍存在電機(jī)定子溫度高的問題。為此,用戶轉(zhuǎn)而向我公司訂貨,要求生產(chǎn)2臺同規(guī)格電機(jī),替換存在問題的電機(jī)。
圖1 5 300 kW 0~49.7 r/min電機(jī)圖片
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(B級考核);電機(jī)過載能力:電動機(jī)短時過電流為2倍額定電流,時間80 s,在周期內(nèi)等效負(fù)荷不超過電機(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)為錐套式無軸和軸承(IM 5710);防護(hù)等級 :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“Pt-100”測溫元件,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。
在查看了原制造廠隨機(jī)圖紙及在現(xiàn)場觀察電機(jī)運(yùn)行后,判斷電機(jī)設(shè)計參數(shù)取值偏大,造成電機(jī)溫升較高?,F(xiàn)場風(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)生松動的情況下對線圈軸向竄動的固定作用不大。
2) 定子線圈松動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。磁極固定僅用一個螺母加止動墊圈,防松作用沒有雙螺母效果好。在頻繁正反轉(zhuǎn)的情況下,容易產(chǎn)生松動(線圈下無墊板見圖4、單螺母加止動墊圈見圖5)。
圖3 原電機(jī)定子端部綁扎
圖4 線圈下無墊板
圖5 單螺母加止動墊圈
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)形式避免同類問題的發(fā)生。
因為原電機(jī)設(shè)計參數(shù)取值偏高,在備機(jī)制作時必須適當(dāng)降低,使之在合理范圍內(nèi)。這勢必要改變電機(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家標(biāo)準(zhǔn)B級考核,定子溫升允許為85 K。但用戶從設(shè)備長期安全運(yùn)行角度出發(fā),要求定子計算溫升必須小于60 K。
2) 為減小改造電機(jī)對提升系統(tǒng)的影響,要求電機(jī)轉(zhuǎn)子不得超過36 t,轉(zhuǎn)動慣量J≤42 000 kg·m2。
3) 考慮平時維護(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: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,銘牌上勵磁電壓:236 V 、勵磁電壓:581 A。用我公司公式計算,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。幾個數(shù)值相對都是較高的,這是造成定子溫升高的主要原因。在找到問題關(guān)鍵點(diǎn)后,經(jīng)過反復(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: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,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,勵磁電壓:236 V 、勵磁電壓:581 A,從理論計算上滿足了要求。
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)場實際效果來看,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)載端由于安裝問題,漏風(fēng)嚴(yán)重,這對電機(jī)冷卻造成了一定影響。新電機(jī)設(shè)計時,由于電機(jī)鐵心比原電機(jī)放長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,取消原來的出風(fēng)管,采用了自然通風(fēng)方式,防護(hù)等級IP23,安裝于原集電環(huán)防護(hù)罩位置。經(jīng)過以上調(diào)整,電機(jī)安裝尺寸也完全滿足改造要求。
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。用過渡鐵心支架疊裝沖片。為防止鐵心在運(yùn)行時由于過負(fù)荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,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
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“Pt-100”測溫元件,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,由于磁軛與主軸過盈量δ=1要較以往產(chǎn)品δ=0.6~0.7大很多。對于此類配合,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。因為對轉(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,同時在磁軛外筒體兩個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)采用有刷勵磁方式,而主機(jī)軸不伸出磁軛,因此電機(jī)集電環(huán)通過裝與磁軛上的過渡圓環(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)計為分半結(jié)構(gòu),并設(shè)置帶觀察窗的小門,方便平時的檢修。
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)著無可替代的重要作用。盡管電機(jī)過載要求較鋼廠電機(jī)小,電氣性能要求不高,但電機(jī)單次提升的間歇時間越來越短,電機(jī)始終在不停地正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。同時電機(jī)供電電源為變頻電源,存在交變的短時峰值電壓及諧波干擾。這些不利因素對電機(jī)設(shè)計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)子計算溫升需要要控制在一個較低的水平。這次顧橋礦原電機(jī)所出現(xiàn)的問題也警醒著我們,要時刻注意,針對電機(jī)使用場合合理設(shè)計,精心生產(chǎn),才能向客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。