唐慶華

(中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

0 引言

冶金鑄造起重機(jī)是一種適應(yīng)金屬冶煉、軋制等熱加工工況，直接用于冶金鑄造生產(chǎn)工藝流程中的特種起重機(jī)。其中使用于鋼(鐵)水包升降和傾倒位置的電動(dòng)機(jī)稱為鑄造吊主起升電動(dòng)機(jī)。受現(xiàn)場(chǎng)高溫及多金屬粉塵環(huán)境的影響，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)不方便布置在主電機(jī)附近而只能安裝在遠(yuǎn)端的控制室內(nèi)，這樣將使輸電線路過(guò)長(zhǎng)(通常都在200m 左右)。在逆變器與電機(jī)之間長(zhǎng)電纜連接情況下，PWM 脈沖波電壓經(jīng)電纜傳輸在電機(jī)端子上產(chǎn)生反射，引起電機(jī)端子過(guò)電壓，增加電機(jī)繞組的電壓應(yīng)力，縮短了繞組絕緣壽命。脈沖波在電纜上的傳播速度為150 ～200m/μs，如果一個(gè)脈沖波從逆變器到電機(jī)端的傳播時(shí)間超過(guò)上升時(shí)間的1/3，會(huì)在電機(jī)端子上產(chǎn)生一個(gè)兩倍于直流側(cè)電壓的過(guò)電壓［1］，這將導(dǎo)致du/dt 增強(qiáng)、變頻器上電時(shí)的尖峰電流加劇，使變頻電機(jī)繞組的絕緣系統(tǒng)過(guò)早失效。另外冶金鑄造吊主起升電動(dòng)機(jī)額定功率一般在300 ～500kW 左右，使用過(guò)程中如果要實(shí)現(xiàn)3.5 倍左右的過(guò)載能力則需要變頻器的輸出電流也需要足夠大，這樣將使配套變頻器容量加大很多、整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)造價(jià)昂貴。

而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的控制方式，通過(guò)在繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中外串電阻就可以比較容易地獲得最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)起動(dòng)電流還可以控制在2 倍額定電流附近，而且控制策略也相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)整體造價(jià)更經(jīng)濟(jì)。

基于以上因素，目前對(duì)于調(diào)速精度要求不高的冶金鑄造吊系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)各制造廠商在進(jìn)行主起升電動(dòng)機(jī)的選型時(shí)也多數(shù)選取中型繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)。

本文簡(jiǎn)要敘述了鑄造吊起升用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造規(guī)范，并且希望通過(guò)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的控制，能夠提供與冶金鑄造吊主起升工況優(yōu)良匹配的電機(jī)產(chǎn)品。

1 電磁設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)冶金鑄造吊的噸位一般在240 ～520t 左右，其主起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別為M7。配套選用的繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電機(jī))的中心高范圍一般在450 ～560mm，電機(jī)額定功率約300 ～600kW 左右，電機(jī)工作制為S3 60%(即工作制為S3，負(fù)載持續(xù)率60%，每一個(gè)工作周期為10min)，電機(jī)極數(shù)一般為8p 或者10p，防護(hù)等級(jí)IP54 以上，絕緣等級(jí)H 級(jí)，冷卻方式通常為IC411。

下面從氣隙選取、定轉(zhuǎn)子槽配合、繞組設(shè)計(jì)、磁密、電密取值和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等方面淺談電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)基本規(guī)范。

1.1 氣隙δ 的選取

氣隙δ 的數(shù)值基本上決定于定子內(nèi)徑、軸的直徑和軸承間的轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度。因?yàn)闄C(jī)座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時(shí)均會(huì)存在一定的偏差，而電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑和軸承間的距離均比較大而使轉(zhuǎn)軸撓度增加。當(dāng)電機(jī)裝配完后，定子鐵心內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑的不同心度決定了氣隙的不均勻度，當(dāng)氣隙數(shù)值選取過(guò)小時(shí)，不均勻度會(huì)增加明顯，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響［2］。而且當(dāng)氣隙過(guò)小時(shí)，除影響電機(jī)的機(jī)械可靠性外，還會(huì)使諧波磁場(chǎng)及諧波漏抗增大，導(dǎo)致起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小，諧波轉(zhuǎn)矩和附加損耗增加，定轉(zhuǎn)子內(nèi)部空氣流動(dòng)不暢，進(jìn)而造成較高溫升和較大的噪聲。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，中型繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)氣隙一般按1.4 ～1.6mm進(jìn)行選取。

1.2 定轉(zhuǎn)子槽配合及繞組設(shè)計(jì)

1.3 磁密、電密的選取

磁密的選取通常是以電機(jī)額定運(yùn)行于磁化曲線的彎曲部分為原則。若磁密取值太高，則電機(jī)磁路會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和而性能難于保證;若磁密取值過(guò)低，則電機(jī)的銅鐵用量增加，材料利用率差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，一般情況下電機(jī)的磁密大致按表1范圍取值。

表1 電機(jī)磁密數(shù)值

對(duì)于過(guò)載能力要求高的電機(jī)，氣隙磁密取較大值。電流密度的合理選取對(duì)電機(jī)的性能及成本也非常關(guān)鍵。取值過(guò)高，則導(dǎo)體截面積減小，有效材料利用率提高，電機(jī)成本降低，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損耗增大，效率降低，伴隨著電機(jī)溫升增高，絕緣材料老化速度加劇，電機(jī)的使用壽命和可靠性均降低。通常定子電流密度為3.5 ～5A/mm2，轉(zhuǎn)子電流密度為3 ～4.5A/mm2。

1.4 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

根據(jù)《GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號(hào)450 ～500)》4.6條的規(guī)定:“電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，基準(zhǔn)工作制時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)額定轉(zhuǎn)矩之比的保證值應(yīng)不低2.8 倍。”［3］在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到鑄造吊主起升特殊工況，一般最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)按3.5 倍左右設(shè)計(jì)。

2 主要零部件的設(shè)計(jì)和制造

嚴(yán)格按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣和工藝文件正確施工是保證電機(jī)制造質(zhì)量和電機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素之一。電機(jī)制造過(guò)程的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)有鐵心加工、成型線圈的繞制、帶繞組定子鐵心的整形、焊接和浸漆等。

鐵心加工的關(guān)鍵是控制疊壓系數(shù)和槽形整齊度，目的是提高鐵心有效長(zhǎng)度，使磁路飽和程度適宜，降低電機(jī)的電磁振動(dòng)和噪聲，同時(shí)便于嵌線。由于中型電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片很少采用復(fù)工沖模制造，所以在加工過(guò)程中最主要保證措施是控制疊壓脹胎的公差和表面粗糙度，減少?zèng)_片的表面毛刺，同時(shí)在疊壓過(guò)程中利用槽樣棒梳理整齊槽形。定子鐵心采用外壓裝工藝，定子沖片外圓均布18 個(gè)扣片，壓緊后扣片兩端焊接牢固。

定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均為成型繞組，加工過(guò)程必須嚴(yán)格按照工藝文件實(shí)施。定子成型繞組線圈尺寸按文獻(xiàn)［4］第四章第一部分“定子硬繞組線圈計(jì)算”中的公式進(jìn)行計(jì)算，要特別注意線圈鼻端的抬高尺寸、線圈的跨距、線圈間隙合理，以保證線圈尺寸合理，嵌入鐵心后與槽形貼合順暢，繞組整體美觀。線圈按規(guī)定進(jìn)行絕緣處理線圈成型后按3 000V 進(jìn)行耐電壓沖擊試驗(yàn)，歷時(shí)1min，沖擊5 次。

定子繞組在嵌線過(guò)程中用綁扎帶將第個(gè)線圈的兩個(gè)元件邊分別收緊打箍，帶繞組定子鐵心整形焊接完后，3 個(gè)引線導(dǎo)流環(huán)先用亞胺帶半疊包4 層，再用滌綸帶半疊包1 層。3 個(gè)導(dǎo)流環(huán)之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x，環(huán)與環(huán)之間沿圓周等距離用綁扎帶收緊，待浸漆固化后形成互相支撐，提高耐電磁拉力沖擊的能力。如圖1 所示。

圖1 定子繞組局部圖

考慮到轉(zhuǎn)子的開(kāi)路電壓?jiǎn)栴}，每槽導(dǎo)體一般按一匝布置，采用紫銅條彎制，經(jīng)模具壓制一端預(yù)先成型，除了首尾兩端外再在導(dǎo)體表面包裹好絕緣材料(用環(huán)氧少膠粉云母帶半疊包1 層，再用亞胺膠粘帶半疊包2 層)，線圈成型后按4 000V 進(jìn)行耐電壓沖擊試驗(yàn)，歷時(shí)1min。嵌線時(shí)由槽的兩端分別插入上下層轉(zhuǎn)子線圈，最后通過(guò)并頭套將同一槽的上下層端部聯(lián)接，通過(guò)中線環(huán)將星點(diǎn)連接一體，3 根扁銅引線穿過(guò)轉(zhuǎn)子擋塵板與集電環(huán)相連形成回路。

在焊接定子繞組頭尾端和轉(zhuǎn)子并頭套時(shí)，一般采用氧焊，過(guò)程中要特別注意保護(hù)繞組的絕緣，減少焊接高溫對(duì)絕緣的損傷。如圖2 所示，通過(guò)使用濕潤(rùn)的石棉繩或者瓦楞紙從距離繞組焊接點(diǎn)約30mm 處進(jìn)行間隔，可以很好地起到保護(hù)絕緣的作用。并頭套焊接完成后，外部再用內(nèi)襯NHN復(fù)合箔的硅膠絕緣套管套牢。

圖2 并頭套焊接

繞組焊接完后，按工藝文件要求進(jìn)行VPI 真空壓力浸漆工序，帶繞組定子鐵心和轉(zhuǎn)子均需浸漆兩次。經(jīng)VPI 工藝處理后，繞組之間的空氣隙得到有效填充，無(wú)氣泡，絕緣性能好、增加繞組的機(jī)械和電氣強(qiáng)度、解決運(yùn)行過(guò)程的松動(dòng)現(xiàn)象、防止短路等絕緣故障、提高防潮能力、延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。另外對(duì)于端蓋加工，必須嚴(yán)格控制軸承室與端蓋止口的形位公差，避免超差帶來(lái)電機(jī)裝配不良，軸承受力不均而導(dǎo)致電機(jī)機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械噪聲加劇，軸承發(fā)熱增高，壽命受損。

軸承建議采用3 軸承結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)端為圓柱滾子軸承和深溝球軸承的組合(裝配時(shí)深溝球軸承靠?jī)?nèi)側(cè)，圓柱滾子軸承靠驅(qū)動(dòng)端一側(cè))，非驅(qū)動(dòng)端為深溝球軸承。軸承振動(dòng)等級(jí)代號(hào)為Z1，徑向游隙為3 組。軸承在轉(zhuǎn)軸上安裝位的公差一般為k6，采用熱套安裝。

集電環(huán)和碳刷的選擇則需要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電流選擇合適的材料。集電環(huán)銅環(huán)材料一般為冷拉錫青銅，絕緣材料為酚醛玻璃纖維壓塑料，集電環(huán)壓制成型后應(yīng)進(jìn)行銅環(huán)相間及對(duì)地絕緣面耐電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為4 000V，歷時(shí)1min。碳刷則需要選擇電阻系數(shù)較小、允許電流密度大的電化石墨材料。碳刷導(dǎo)流板采用黃銅制造，刷盒推薦選擇鑄銅件。刷握裝置通過(guò)止口定位，安裝在高端蓋上面，如圖3 所示。電機(jī)在通電運(yùn)轉(zhuǎn)前，碳刷需要用細(xì)砂紙研磨充分，以保證其圓弧部分有2/3 以上與集電環(huán)充分接觸，導(dǎo)電良好。

圖3 刷握安裝

3 電動(dòng)機(jī)的保護(hù)措施

由于冶金鑄造吊的特殊作業(yè)工況，電機(jī)一旦發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)故障，輕則破壞整個(gè)設(shè)備的正常工作造成停產(chǎn)停工;重則發(fā)生人身傷害導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，所以對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全性和使用可靠性均提出了更高的要求。在平常的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，根據(jù)保護(hù)部位的不同，主要進(jìn)行以下幾種保護(hù)措施的處理。

3.1 過(guò)熱保護(hù)

繞組是電機(jī)的核心部件，在實(shí)際使用過(guò)程中由于超載使用產(chǎn)生的過(guò)電流沖擊或者工作頻次超過(guò)設(shè)計(jì)工作制的要求，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫升過(guò)高，絕緣加速老化和破壞，最終導(dǎo)致電機(jī)壽命受損。因此預(yù)防電機(jī)繞組過(guò)熱，增加過(guò)熱保護(hù)措施是很有必要的。

在中大型電機(jī)的制造中，一般是通過(guò)埋置Pt100 鉑熱電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的過(guò)熱保護(hù)功能。通過(guò)與智能型溫度控制儀配合使用可直接顯示電機(jī)的繞組的實(shí)際工作溫度。它的埋置位置在電機(jī)定子繞組的出線端，每臺(tái)電機(jī)共6 支(每相各兩支，一用一備)。

另外為防止電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，溫差變化較大或濕熱環(huán)境下繞組上有冷凝水形成，在定子繞組端部綁扎防潮加熱帶，利用它對(duì)電機(jī)進(jìn)行預(yù)熱去潮，使電機(jī)繞組的溫度始終高于環(huán)境溫度5℃，從而避免了電機(jī)線圈繞組因潮濕結(jié)露，不會(huì)因絕緣性能下降而導(dǎo)致電氣故障，保證了電機(jī)在潮濕環(huán)境中仍能正常運(yùn)行。

Pt100 鉑熱電阻和防潮加熱帶在安裝過(guò)程中都要注意避免敲擊，以免破壞感應(yīng)元件而導(dǎo)致溫度保護(hù)失效。當(dāng)安裝并綁扎好后與電機(jī)繞組一起浸漆。

軸承過(guò)熱保護(hù)也是通過(guò)Pt100 鉑熱電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。安裝時(shí)要注意保證鉑熱電阻傳感器的端頭與軸承外圈直接充分接觸。如果軸承室上的安裝孔沒(méi)有貫通，鉑熱電阻與軸承外圈若沒(méi)有直接接觸，溫度顯示的真實(shí)性會(huì)大打折扣。

3.2 電動(dòng)機(jī)超速保護(hù)

在冶金鑄造吊的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于設(shè)備故障或者調(diào)速裝置失靈可能導(dǎo)致負(fù)荷的突然降低或解除，這些均會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速失控，大幅度超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，這種現(xiàn)象叫做電機(jī)的“飛車”。通過(guò)在電機(jī)上加裝超速開(kāi)關(guān)，可以很好地起到保護(hù)作用，預(yù)防“飛車”的產(chǎn)生。

超速開(kāi)關(guān)與電機(jī)通過(guò)止口固定，軸與軸之間通過(guò)彈性聯(lián)軸器傳遞扭矩，在安裝聯(lián)接時(shí)必須保證機(jī)械安裝要求，保證超速開(kāi)關(guān)小軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接的同心度和連接可靠，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向圓跳動(dòng)公差一般控制在10 絲以內(nèi)。超速開(kāi)關(guān)基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 超速開(kāi)關(guān)基本參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

我公司曾先后為國(guó)內(nèi)冶金鑄造起重機(jī)龍頭生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)和制造冶金鑄造吊主起升專用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)中心高從450 ～500mm，額定功率從300 ～500kW，電機(jī)極數(shù)為8p 或10p，產(chǎn)品自投入使用至今一直運(yùn)行良好，用戶滿意度高。由此可見(jiàn)，此設(shè)計(jì)的方案切實(shí)可行，值得推薦。

［1］ 萬(wàn)健如，林志強(qiáng)，禹華軍.電纜長(zhǎng)度對(duì)PWM 逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)端電壓的影響，電力電子技術(shù)，2001.12.

［2］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)(第2 版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［3］ GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號(hào)450 ～500).

［4］ 湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).長(zhǎng)沙:湖南人民出版社，1978.