唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢 430205)

船用起重用繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)設(shè)計與制造

唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢 430205)

鑒于船用環(huán)境潮濕、多鹽霧、電網(wǎng)波動大等特殊性，對船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的設(shè)計和制造提出了新的技術(shù)要求。主要介紹該系列電動機(jī)在電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中與常規(guī)繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的不同點(diǎn)，為船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的技術(shù)更新提供了依據(jù)。

繞線轉(zhuǎn)子;開路電壓;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

0 引言

由于應(yīng)用歷史久、控制方案成熟，以及通過轉(zhuǎn)子回路外串電阻后電機(jī)起動電流小，過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在起重領(lǐng)域占有很大的比重，在船用起重機(jī)械的配套主起升電機(jī)中繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)更是得到廣泛使用。

相對于普通的工業(yè)應(yīng)用來說，船用電機(jī)的使用場所具有一些特殊性:現(xiàn)場有鹽霧、霉菌和油霧，空氣相對濕度不大于95%，并可能有凝露，供電電網(wǎng)的電壓和頻率波動大(電壓變化為額定電壓的－10%～+6%，頻率變化為額定頻率的±5%)，使用過程有船舶正常運(yùn)行中產(chǎn)生的沖擊和振動的影響，并伴隨傾斜與搖擺［1］。另外，由于在使用過程與水的接觸機(jī)率大為增加，對于在甲板上使用時更是容易受到大量雨水的淋刮，這要求繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的防護(hù)等級也要相應(yīng)提高。鑒于船用環(huán)境的高等特殊性，對船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的設(shè)計和制造提出了新的要求。

本文結(jié)合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)技術(shù)條件》中的相關(guān)要求，介紹了船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)相關(guān)的電磁設(shè)計、主材選擇以及制造過程中的關(guān)鍵工藝處理節(jié)點(diǎn)，通過這些關(guān)注點(diǎn)的描述來形成船用繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)(以下簡稱船用電動機(jī))的初步設(shè)計制造規(guī)范。

1 電磁設(shè)計

前面已經(jīng)提到，船用電動機(jī)的供電電網(wǎng)的電壓和頻率波動比較大，其中電壓變化為額定電壓的－10%～+6%，頻率變化為額定頻率的±5%，這些波動將對船用電動機(jī)的性能帶來相應(yīng)的變化。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，而每相的感應(yīng)電動勢公式為

式中，f1—電源頻率;N1—每相串聯(lián)匝數(shù);kdp—繞組系數(shù);Φ1—每極磁通。

由此可知，當(dāng)電源電壓為額定值時，定子電動勢基本不變，而由于電源頻率的降低必然引起電動機(jī)每極磁通增加，也就是產(chǎn)生磁通的勵磁電流增加。勵磁電流是無功電流，無功分量的增加將導(dǎo)致電動機(jī)的功率因數(shù)降低，從而引起電機(jī)總電流增加，定轉(zhuǎn)子銅耗增加，電動機(jī)發(fā)熱加劇。另一方面隨著電源頻率的降低，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速同比例降低，異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速也隨之降低，這會引起電動機(jī)風(fēng)扇風(fēng)量減少，散熱困難，使電動機(jī)的溫升增加，這對僅僅依靠同軸風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行冷卻散熱的繞線轉(zhuǎn)子船用電動機(jī)更為不利。

當(dāng)電源頻率一定時，電源電壓的高低將直接影響電動機(jī)的起動性能。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，特別是當(dāng)負(fù)載較重滿載運(yùn)行時，若電源電壓降低幅度大，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩將降低明顯，勢必會造成電動機(jī)起動困難。端電壓過低還將引起負(fù)載電流分量增大的數(shù)值大于激磁電流分量減少的數(shù)值。因此，定子電流增加，功率損耗加大，定子繞組過熱，時間過長甚至?xí)龤щ妱訖C(jī)。

在電磁設(shè)計過程中必須對這些變化進(jìn)行評估和考慮，并給以合適的應(yīng)對措施。在考慮定轉(zhuǎn)子沖片模具系列化、通用化以及保證船用繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和轉(zhuǎn)子開路電壓數(shù)值符合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)技術(shù)條件》中對應(yīng)條款要求的前提下，電動機(jī)磁密的取值不能太高，以免電源電壓過高時電機(jī)磁路出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。一般情況下氣隙磁密Bδ取值在7000高斯左右，定子齒磁密Bt1取值均在15 000高斯左右，定子軛磁密Bc1取值在14 000高斯左右，轉(zhuǎn)子齒磁密Bt2取值在13 500高斯左右，轉(zhuǎn)子軛磁密Bc2取值在10 000高斯左右。

同時考慮到電源電壓降幅較大(最大降幅為－10%)而導(dǎo)致對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的不利影響，性能難于保證，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的設(shè)計值一般要比標(biāo)準(zhǔn)的保證值高20%左右比較好。

由于起重用船用電動機(jī)的基準(zhǔn)工作制為S3－40%，所以基定、轉(zhuǎn)子電流密度可以參照普通起重及冶金用繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)進(jìn)行選取。通常定子電流密度為6～7A/mm2，轉(zhuǎn)子電流密度為5．0～6．5A/mm2。

同樣地，考慮到電源電壓下降的不利影響，定轉(zhuǎn)子繞組的溫升限值實(shí)際水平在70K左右應(yīng)該是屬于比較好的范圍，既可以有利于電機(jī)的使用壽命，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2 主材料選擇

主要從結(jié)構(gòu)件、緊固件和轉(zhuǎn)軸材料3個方面介紹船用電動機(jī)的主材選擇要點(diǎn)。

2．1 電動機(jī)的機(jī)座、端蓋、高端蓋、軸承內(nèi)外蓋、接線盒座(蓋)均使用鑄鐵件，其牌號至少為HT200。同時為了保證后期整體噴漆效果良好，電動機(jī)外表面無漆瘤流掛現(xiàn)象，通常情況下將這些鑄鐵件的毛坯先進(jìn)行噴砂處理后再進(jìn)行金加工。鑄件表面噴砂處理后涂雙組分鐵紅環(huán)氧底漆;焊接件表面噴砂處理后涂雙組分鐵紅環(huán)氧底漆或者環(huán)氧富鋅底漆。若現(xiàn)場環(huán)境中對電機(jī)的沖擊、搖擺很強(qiáng)烈，則建議將機(jī)座和端蓋的材料更換為鋼質(zhì)材料(如Q235等)。

2．2 電動機(jī)的緊固件應(yīng)有防銹蝕的電鍍層，其中，導(dǎo)電部分的緊固件用黃銅制成并進(jìn)行鍍鎳處理，其他部位的聯(lián)接螺栓用Q235制成并進(jìn)行鍍鉻處理。緊固件的鍍層要求經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后不低于GB/T 2423．17—2008的規(guī)定，且其外觀應(yīng)不低于JB/T 4159—1999的第5．4．1條三級要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有時也臨時用不銹鋼材質(zhì)的螺栓用于除導(dǎo)電部位以外的其他聯(lián)接，該防銹蝕的效果更好，但是造價也更高。

2．3 電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸材料通常采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)采用碳鋼、碳錳鋼材料時，抗拉強(qiáng)度≥441MPa，屈服點(diǎn)≥211MPa，試樣的伸長率(δs)縱向≥21%;目前常選用大冶特鋼生產(chǎn)的45#圓鋼或者合金鋼40Cr作為軸料，在金加工之前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后要求硬度達(dá)到HB230～250。

3 關(guān)鍵工藝處理節(jié)點(diǎn)

在船用電動機(jī)的制造過程中，對于防護(hù)等級、繞組處理和表面涂覆均需要重點(diǎn)關(guān)注。下面就這3個方面的一些特殊要求進(jìn)行分別說明。

3．1 防護(hù)等級

根據(jù)使用環(huán)境的不同，船用電動機(jī)的常用的防護(hù)等級為IP44、IP54、IP55、IP56等。對應(yīng)于不同的防護(hù)等級，有如下不同的處理措施。

(1)IP44、IP54的密封。

(a)兩端端蓋與機(jī)座聯(lián)接的止口配合面均勻涂抹厭氧密封膠;

(b)軸承外蓋與軸之間通過增加骨架式油封提高防護(hù)能力。軸與骨架油封的配合可采用d8，粗糙度為0．8，骨架油封與軸承外蓋的配合可采用f8，粗糙度為3．2，安裝前油封內(nèi)圈涂潤滑油;

(c)出線盒座與機(jī)座之間、出線盒蓋與出線盒座之間、觀察窗蓋與高端蓋之間均勻涂抹厭氧密封膠，并在中間墊一層耐熱橡膠密封墊;

(d)機(jī)座兩端底部正下方鉆泄水孔。

(2)IP55的密封:在IP54密封處理的基礎(chǔ)上增加以下措施。

(a)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環(huán)形溝槽，先在溝槽內(nèi)均勻涂抹厭氧密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位;

(b)出線盒座和高端蓋上的金屬出線套的螺紋外側(cè)均勻涂抹厭氧密封膠后旋緊固定到位。

(3)IP56的密封:在IP55密封處理的基礎(chǔ)上增加以下措施。

(a)增加一個迷宮式甩水環(huán)在骨架油封前端，甩水環(huán)與軸為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位;

(b)軸承內(nèi)蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯(lián)接螺栓上增加硅膠O形密封圈;

(c)適量增加端蓋與機(jī)座之間、軸承內(nèi)外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯(lián)接螺栓數(shù)量。3．2 繞組處理

前面已經(jīng)提到，船用環(huán)境現(xiàn)場有鹽霧、霉菌和油霧，空氣相對濕度不大于95%等特殊性，所以繞組的處理也有一些特殊的要求。相對于常規(guī)電動機(jī)，船用電動機(jī)在繞組制作過程中還需要注意以下幾個方面。

(1)電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組和絕緣材料應(yīng)有優(yōu)良的防潮防霉能力(經(jīng)28d試驗(yàn)后防霉能力應(yīng)不低于GB/T 2423．16的二級要求)，不得應(yīng)用未經(jīng)防護(hù)處理的天然纖維材料及其制品。

(2)散嵌形式的定、轉(zhuǎn)子繞組嵌線整形后所焊接的電纜必須為專用船用電纜。

(3)定、轉(zhuǎn)子繞組焊接完后，按要求浸兩次無溶劑樹脂絕緣漆，其中至少進(jìn)行一次真空VPI浸漆。經(jīng)VPI工藝處理后，繞組之間的空氣隙得到有效填充，無氣泡，絕緣性能好、增加繞組的機(jī)械和電氣強(qiáng)度、解決運(yùn)行過程的松動現(xiàn)象、防止短路等絕緣故障、提高防潮能力、延長電機(jī)使用壽命［2］。

(4)繞組浸漆烘焙后，立即在其端部涂刷一層JZ-11環(huán)氧膠，以形成保護(hù)層，起到防潮和防霉的功效。

另外為防止長時間停機(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，利用它對船用電動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱去潮，使定子繞組的溫度始終高于環(huán)境溫度5℃，從而避免了線圈繞組因潮濕結(jié)露，不會因絕緣性能下降而導(dǎo)致電氣故障，保證了船用電動機(jī)在潮濕環(huán)境中仍能正常運(yùn)行［2］。

3．3 表面涂漆

對于船用電動機(jī)來說，裝配后整機(jī)的表面涂覆要求為:底層漆為1層雙組分鐵紅環(huán)氧底漆或者環(huán)氧富鋅底漆，中間漆為1層環(huán)氧中層漆，表面漆為1層氯化橡膠防腐面漆。漆膜干燥后的總厚度為120～260μm(根據(jù)具體使用場所進(jìn)行區(qū)別，沿江環(huán)境使用的電動機(jī)取較低值，近海使用的取中間值，遠(yuǎn)洋鉆井平臺、經(jīng)常處于日曬雨淋等惡劣環(huán)境使用的取高值)。

噴漆過程中要注意對每一涂漆層做好防護(hù)，防止沾上油污、灰塵或其他雜質(zhì)，以保證好層與層之間的附著力，對污染面應(yīng)用潔凈的汽油擦凈，用細(xì)砂紙打磨干凈后再涂漆。

4 結(jié)語

通常在國內(nèi)使用的船用電動機(jī)在上船使用之前還需要通過CCS(中國船級社)的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)規(guī)范分別為CCS發(fā)布的《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》和《產(chǎn)品檢驗(yàn)指南》。檢驗(yàn)后合格的船用電動機(jī)在銘牌顯眼處打印船檢標(biāo)記錨印。我廠通過對船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動強(qiáng)電磁等方面的設(shè)計，以及在關(guān)鍵工藝的細(xì)節(jié)處理，確保了產(chǎn)品性能優(yōu)良，運(yùn)行完全符合CCS船檢的要求。

［1］JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)技術(shù)條件．

［2］唐慶華．鑄造吊主起升用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的設(shè)計與制造．防爆電機(jī)，2015．2．

Design and Manufacture of Wound-Rotor Motor for Crane in Ship

Tang Qinghua
(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory，Wuhan 430205，China)

In view of humidity，salt spray，big fluctuation of the power network and other special characteristics，a new technology requirement is made for design and manufacture of wound-rotor three-phase induction motor for crane in ship．Difference between the electromagnetic design，structural design and common wound-rotor three-phase induction motor is introduced in this paper，it provides reference for design and manufacture of wound-rotor threephase induction motor for crane in ship．

Wound-rotor;open-circuit voltage;maximum torque ratio

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．05

TM343+．4

A

1008-7281(2015)05-0014-003

唐慶華 男 1976年生;畢業(yè)于湖南工程學(xué)院，起重冶金及屏蔽電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計及技術(shù)管理工作．

2015-07-08