姜輝，滕強，張春紅

(大連日牽電機有限公司，遼寧大連116036)

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水套冷無刷勵磁同步發(fā)電機的研制

姜輝，滕強，張春紅

(大連日牽電機有限公司，遼寧大連116036)

摘要地下電動輪鉸卡車用發(fā)電機安裝空間受限，運行環(huán)境惡劣，防護等級需求高，這要求開發(fā)出較傳統(tǒng)發(fā)電機功率密度更高且可靠性更好的產(chǎn)品?，F(xiàn)從電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面介紹了電動輪鉸卡車用水套冷無刷勵磁同步發(fā)電機的總體設(shè)計方案，并通過試驗驗證，證明該設(shè)計方案的可行性。

關(guān)鍵詞水套冷；無刷勵磁；同步發(fā)電機；電磁；結(jié)構(gòu)

0引言

自從世界上第一臺礦用電動輪自卸車問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展和不斷完善，現(xiàn)已開發(fā)并投入應(yīng)用了多種規(guī)格型號、結(jié)構(gòu)形式的車型。在千萬噸級大型露天礦山的運輸設(shè)備中，礦用電動輪已占據(jù)近2/3的市場[1]。承擔著世界上40%的煤，90%的鐵礦的開采運輸量[2]。

作為電動輪自卸車的關(guān)鍵部件同步發(fā)電機也受自卸車的整車性能、安裝形式、冷卻方式、控制方法等條件的影響而有所不同。我公司在相繼開發(fā)出110t、154t、170t、220t、400t等電動輪自卸車主發(fā)電機基礎(chǔ)上，又開發(fā)出了電動輪鉸卡車用水套冷無刷勵磁同步發(fā)電機，滿足35t地下鉸卡車的使用要求，現(xiàn)已投入使用。

1總體結(jié)構(gòu)

電動輪鉸卡車用水套冷無刷勵磁同步發(fā)電機為無刷勵磁發(fā)電機，總體結(jié)構(gòu)分為：主發(fā)電機和勵磁發(fā)電機。在控制柜上引出直流勵磁電源供給勵磁機定子，勵磁機電樞發(fā)出三相交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流模塊整流后供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子，主發(fā)電機定子發(fā)出電最終提供給電動機。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

2主要參數(shù)

電機型號：TQFW340-6

發(fā)電機類型：無刷勵磁同步發(fā)電機

相數(shù)：三相

額定功率：340kVA

額定電壓：690V

額定頻率：90Hz

額定定子電流：285A

額定勵磁電壓：≤24V

額定勵磁電流：≤10A

額定轉(zhuǎn)速：1800rpm

轉(zhuǎn)速范圍：800~1800rpm

效率：95%

功率因數(shù)：0.95

繞組連接方式：Y

絕緣等級：200級

防護等級：IP55

冷卻方式：水套冷

3電磁設(shè)計

礦用電動輪自卸車運行路況較為復雜，控制系統(tǒng)根據(jù)車輛所需要的牽引力及速度指令來調(diào)整電動機輸出，這時就需要發(fā)電機根據(jù)電動機不同時刻的輸入功率要求提供足夠的電能。

在設(shè)計發(fā)電機時，要考慮不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下電動機輸入功率的需求，計算出發(fā)電機不同時刻的勵磁電壓/電流、輸出電壓等參數(shù)，要綜合考慮不同時刻發(fā)電機的熱負荷，磁負荷，最終選取合理的電磁參數(shù)。

由于該電機外形要求緊湊，內(nèi)部空間相對緊張，定子沖片無法借用傳統(tǒng)電機的沖片，所以對定轉(zhuǎn)子沖片進行了重新設(shè)計。綜合考慮不同工作點的熱負荷和磁負荷，選取電機定子沖片外徑為φ620，內(nèi)徑為φ470，鐵心長340，定子槽數(shù)為54，定子繞組采用雙層疊繞組。在最高定子頻率為90Hz時，定子齒/軛磁密分別為1.37T/1.02T,氣隙磁密為0.73T，極身/極軛磁密分別為1.4T/0.7T。定子熱負荷為1710，略低于傳統(tǒng)的水套冷卻式電機，定轉(zhuǎn)子繞組電密分別為4.9A/mm2和2.7A/mm2，均處于合理范圍[3]。勵磁機的熱負荷設(shè)計也較傳統(tǒng)產(chǎn)品低一個等級。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1　冷卻系統(tǒng)

由于發(fā)電機長期在地下使用，且在近海附近，為了確保電機壽命，外部采用全封閉結(jié)構(gòu)?？紤]到主電機轉(zhuǎn)子及勵磁機電樞有效散熱，電機采用了水套冷與內(nèi)部空氣冷卻相結(jié)合的混合冷卻結(jié)構(gòu)，可有效提升電機內(nèi)部散熱效果和均勻熱源分布，大幅度降低電機轉(zhuǎn)子溫升。該發(fā)電機體積受到車體的限制，水路與風路整體空間有限，設(shè)計時充分考慮水路，風路的合理分配。達到風路帶走轉(zhuǎn)子熱量，水路充分冷卻定子鐵心和冷卻內(nèi)部循環(huán)空氣的作用。勵磁機及旋轉(zhuǎn)整流模塊置于進風口處優(yōu)先冷卻，出風口處隨軸安裝有離心風扇帶動電機內(nèi)部冷卻氣流，采用這種方案，可在體積、防護等級受限的情況下，最大程度提升功率，解決高功率密度發(fā)電機散熱難的問題。

4.2　整流模塊

旋轉(zhuǎn)整流模塊是無刷勵磁同步發(fā)電機的重要部件。它將與同步電機同軸的交流勵磁機發(fā)出的三相交流電整流成直流，為同步電機提供勵磁電源，實現(xiàn)同步電機的無刷勵磁[4]。

旋轉(zhuǎn)整流模塊是無刷同步電機內(nèi)部唯一的電子器件，它置于主機與勵磁機中間的轉(zhuǎn)子端板上，處于電機內(nèi)部主風路中，為了提高旋轉(zhuǎn)整流模塊的可靠性，設(shè)計時還應(yīng)考慮其運行時所必須承受的離心力，熱應(yīng)力和一定的抗機械振動。

4.3　絕緣系統(tǒng)

電機絕緣系統(tǒng)作為電機設(shè)計中最重要的部分之一需要重點設(shè)計。針對該電機定轉(zhuǎn)子線圈絕緣結(jié)構(gòu)的不同特點，在產(chǎn)品設(shè)計時分別采取不同的絕緣方案。定子繞組為成型線圈，導線絕緣為C級聚酰亞胺氟46復合薄膜。對地絕緣采用少膠云母帶配復合薄膜槽絕緣紙，這種形式具有抗電氣疲勞能力強，厚度薄，可靠性好等優(yōu)點，滿足車用發(fā)電機使用要求；轉(zhuǎn)子繞組采用絕緣銅扁線多層繞制結(jié)構(gòu)，導線絕緣為C級聚酰亞胺氟46復合薄膜，邊繞邊采用固化工藝，這種結(jié)構(gòu)具有機械強度高、導熱性能好、壽命長等優(yōu)點，可承受轉(zhuǎn)子在高溫情況下顛簸工作的使用要求。勵磁機也在散熱和發(fā)熱良好的情況下采用了高耐熱等級和機械強度的絕緣材料和結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多方面的驗證此方案可靠、穩(wěn)定。

4.4　機械結(jié)構(gòu)

電機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮強度的要求，并盡可能降低電機自重，減輕車體自身損耗。電機機座采用鋼板焊接的筒式結(jié)構(gòu)，保證了電機的剛性和強度，是大功率電動輪發(fā)電機發(fā)展依托的主要結(jié)構(gòu)。另外，由于該電機功率遠大于同等機座號的普通電機，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了多處改進。在良好的通風散熱結(jié)構(gòu)作保證的前提下，減少體積，在保證強度剛度的前提下，盡可能降低電機重量。隨著發(fā)電機結(jié)構(gòu)型式的多樣化，必須對電機大部件進行相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)強度、剛度及模態(tài)分析，保證結(jié)構(gòu)需要。發(fā)電機定子機座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，定子鐵心采用外壓裝結(jié)構(gòu)，即定子沖片疊壓成定子鐵心，再下線并浸漆后裝入機座，定子沖片外徑與機殼緊密貼合牢固。

發(fā)電機采用單軸承結(jié)構(gòu)，并且軸承為高品質(zhì)雙列自動調(diào)心滾子軸承，端蓋采用絕緣結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)子軸電流對軸承的損害。

另外，電機設(shè)計時充分考慮了電機運行時的環(huán)境條件—極端高低溫以及潮氣、鹽霧等對電機的危害。

5試驗驗證

5.1　空載試驗

空載試驗是電機試驗中最基本的試驗項目之一。通過對空載勵磁電流的測量可以檢驗主電機和勵磁機參數(shù)設(shè)計的合理性。通過三相空載電壓的不平衡度判斷三相繞組的平衡情況。試驗數(shù)據(jù)見表1，可以看出試驗值與設(shè)計值基本吻合。

表1　額定轉(zhuǎn)速時的空載試驗數(shù)據(jù)

5.2　噪聲及振動試驗

噪聲及振動的危害眾所周知。電機的噪聲主要包括電磁噪聲、機械噪聲和通風噪聲。電機的噪聲水平總體地反映了電機電磁設(shè)計、制造工藝，裝配質(zhì)量的好壞。

電機的振動太大不僅會增大電機零件的磨損，減少電機的壽命，而且還會損壞其他設(shè)備。按照規(guī)定，對電機不同位置的噪音、振動均進行了測量，結(jié)果均符合相關(guān)國家標準。

6結(jié)語

通過對水套冷無刷勵磁同步發(fā)電機性能的分析，從電機的電磁、絕緣結(jié)構(gòu)及試驗得出以下結(jié)論：(1)從電磁方面論證了設(shè)計的合理性；(2)從冷卻系統(tǒng)、整流模塊、絕緣系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)四方面闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性；(3)空載勵磁電流與設(shè)計值基本吻合，并通過空載電壓可以判斷三相繞組平衡；電機噪聲試驗的最大噪聲值小于相關(guān)標準規(guī)定限制；電機振動試驗滿足國家標準振動限制。

參考文獻

[1]張強.電動輪礦用自卸車節(jié)能技術(shù)研究[J].礦用汽車，2011.

[2]萬海如，唐新蓬，段家典.重型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車研究與開發(fā)，2001.

[3]陳世坤．電機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[4]陳云華,解錦輝,彭冰.無刷勵磁同步電機用旋轉(zhuǎn)整流器設(shè)計[J].船電技術(shù)，2002.

聲明

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《防爆電機》編輯部

Development of Brushless Excitation Synchronous Generator with

Water Jacket Cooling

JiangHui,TengQiang,andZhangChunhong

(Dalian Riqian Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dalian 116036, China)

AbstractBecause of limited installation space, poor operation condition and high protection degree of generator for underground electric wheel hinge truck, it is required to develop the generator with higher power density and better reliability than traditional one. This paper introduces overall design scheme of brushless excitation synchronous generator with water jacket cooling for electric wheel truck from two aspects of electromagnetic design and structure design, and proves rationality of the design scheme based on experimental verification.

Key wordsWater jacket cooling；brushless excitation；synchronous generator；electromagnetism；structure

收稿日期：2015-08-20

作者簡介：姜輝男1965年生；畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學，現(xiàn)從事礦用特種電機的設(shè)計和開發(fā)工作.

中圖分類號：TM311

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0007-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.03