段 昆

(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽 473008)

燒結(jié)風(fēng)機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)的研制

段 昆

(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽 473008)

針對(duì)燒結(jié)風(fēng)機(jī)用TKS7600-6同步電動(dòng)機(jī)的研制情況，詳細(xì)介紹了該電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。并提出由于該電機(jī)負(fù)載重，工況特殊，因此對(duì)啟動(dòng)方案的要求會(huì)更高。

燒結(jié)風(fēng)機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)

0 引言

TKS 7600-6同步電動(dòng)機(jī)是我公司制造的，用于燒結(jié)風(fēng)機(jī)與之配套的同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樨?fù)載重，工況特殊，對(duì)起動(dòng)方案提出了更高的要求[1]。

該電機(jī)為我公司首次試制的拖動(dòng)重載設(shè)備的同步電動(dòng)機(jī)，鑒于研制該電機(jī)的重要性和設(shè)計(jì)難度，公司先后對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)評(píng)審，2015年該電機(jī)通過試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足用戶要求，現(xiàn)在正常運(yùn)行中[2]。

1 電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)[3]

型號(hào)： TKS 7600-6/1730；額定功率： 7600kW；額定電壓： 10kV；額定電流： 502.1A；額定頻率： 50 Hz；轉(zhuǎn)速： 1000r/min；相數(shù): 3相；定子繞組接法： Y；防護(hù)等級(jí)：主體IP44 集電環(huán)IP20；絕緣等級(jí)：F/F；冷卻方式：上水冷(IC81W)；安裝方式：IM7312(雙軸伸)；旋轉(zhuǎn)方向: 逆時(shí)針(從非集電環(huán)的軸伸端看電機(jī))；定額: S1(連續(xù)工作制)；使用系數(shù): 1.0；電機(jī)飛輪力矩GD2： 6000kg/m2；最大負(fù)載飛輪力矩GD2：85000kg/m2；功率因數(shù)：0.9；效率:97.1%；堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：7；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.8；失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.7；牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.9；噪聲限值：85dB(A)(聲壓級(jí))；振速：1.6mm/s。

2 電磁設(shè)計(jì)

該類電機(jī)大多是拖動(dòng)大慣量負(fù)載，起動(dòng)時(shí)間比較長，用常規(guī)的阻尼條進(jìn)行起動(dòng)，其阻尼條發(fā)熱比較嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足起動(dòng)要求，需考慮通過實(shí)心磁極起動(dòng)。

2.1 起動(dòng)溫升分析：實(shí)心磁極極靴表面的起動(dòng)溫升θs

(1)

式中，極靴表面積Sp=2p×bp×lp×10-2cm2。

A為起動(dòng)時(shí)起動(dòng)繞組的發(fā)熱量

2.2 起動(dòng)性能

由于該類電機(jī)啟動(dòng)性能比較特殊，需要引入臨界牽入轉(zhuǎn)差率進(jìn)行核對(duì)，在滿足電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的前提下，需要電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)小于臨界牽入轉(zhuǎn)差率。

(1)牽入臨界轉(zhuǎn)差率

(2)電機(jī)的M-s曲線與風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率計(jì)算[3]

如果電機(jī)的牽入臨界轉(zhuǎn)差率sk大于電機(jī)的M-s曲線與風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率s，則電機(jī)有可能被牽入同步。如果電機(jī)的牽入臨界轉(zhuǎn)差率sk小于電機(jī)的M-s曲線與風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率s，則電機(jī)不可能被牽入同步。因此，計(jì)算電機(jī)的M-s曲線與風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率s十分重要。在一般情況下，人們只能計(jì)算出M-s曲線中的兩個(gè)點(diǎn)，即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ms=1和牽入轉(zhuǎn)矩Ms=0.05。把M-s曲線的兩點(diǎn)Ms=0.05和Ms=0之間做線形處理，然后求出M-s曲線與風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率s，并與牽入臨界轉(zhuǎn)差率sk進(jìn)行比較，得

式中，PKW—額定功率，kW；Ms=0.05—牽入轉(zhuǎn)矩，標(biāo)幺值。

2.3 考慮以上因素，該電機(jī)采用(水電阻)軟啟動(dòng)方式。采用以某倍額定電流(需考慮用戶電網(wǎng)容量、起動(dòng)性能)進(jìn)行恒電流的液態(tài)電阻軟啟動(dòng)至900r/min，切斷軟啟動(dòng)裝置并入電網(wǎng)，端電壓恢復(fù)到額定電壓的90%以上的啟動(dòng)方式，通過和軟啟動(dòng)廠家進(jìn)行對(duì)接，該電機(jī)可以滿足現(xiàn)場起動(dòng)要求，該電機(jī)GD2非常大，為了滿足起動(dòng)要求，電機(jī)設(shè)計(jì)溫升比較低。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該電機(jī)整體為箱式結(jié)構(gòu)，座式軸承支撐，臥式安裝，冷卻方式為上水冷，雙軸伸，電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、冷卻器、集電環(huán)、電刷等組成，集電環(huán)位于非軸伸端座式軸承內(nèi)側(cè)，整體美觀大方，且現(xiàn)場維護(hù)、檢修方便，電機(jī)實(shí)物照片如圖1所示。

圖1 電機(jī)實(shí)物圖

3.1 定子部分

定子主要由定子鐵心、定子線圈、機(jī)座等部件組成，定子設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮通風(fēng)和散熱，保證其有足夠的通風(fēng)道來冷卻主電機(jī)。

3.1.1 定子鐵心由定子扇形片疊壓而成，定子扇形片采用50W470優(yōu)質(zhì)硅鋼片，沖制后經(jīng)去毛刺處理，定子沖片毛刺不得大于0.01mm，扇形片兩面涂以712硅鋼片漆，每片漆膜厚不大于0.01～0.015mm，兩面經(jīng)漆膜厚不大于0.025mm。經(jīng)去毛刺和絕緣處理后的沖片，在疊裝時(shí)可保證足夠的片間壓力和槽形整齊度，減小鐵損，減少發(fā)熱量。定子鐵心設(shè)有徑向通風(fēng)道，靠拉緊螺桿和螺母來壓緊，鐵心疊壓好后要作鐵損試驗(yàn)合格方可進(jìn)行下道工序進(jìn)行加工。

3.1.2 機(jī)座兩端板采用50mm厚鋼板，中間增加20mm厚的隔板,兩端板和隔板之間用25mm的加強(qiáng)筋支撐,20個(gè)圓周均布,并作為定子扇形片疊壓的基準(zhǔn)，同時(shí)在機(jī)座均勻部位用鋼管作為支撐，以提高機(jī)座整體鋼性,并增加供翻轉(zhuǎn)用的吊攀。

3.1.3 定子線圈采用電磁線SBEFNB-70/155，2根并繞，然后半迭包0.14×25的9545-1H多膠云母帶一層(該云母帶采用高擊穿云母粉紙)，經(jīng)匝間膠化后進(jìn)行主絕緣包扎，主絕緣模壓后單邊厚度不低于3.0mm(不包括防暈層)。線圈采用三級(jí)防暈結(jié)構(gòu)并增加附加絕緣，并且防暈材料選用優(yōu)質(zhì)高、低阻防暈帶，以提高起暈電壓。

3.1.4 我公司的線圈熱壓設(shè)備為引進(jìn)英國熱壓機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是能保證線圈主絕緣單邊厚度均勻，提高了線圈的整體電氣性能，減少了分散性。

3.1.5 定子線圈經(jīng)下線后采用VPI整體浸漬處理，提高了繞組的整體電氣性、防潮性、絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

3.2 轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子主要由軸、磁極線圈、極靴、風(fēng)扇等部分組成。轉(zhuǎn)軸材料為45鍛鋼，按照技術(shù)規(guī)格書對(duì)軸伸直徑進(jìn)行核算，可以滿足要求，實(shí)施剛性軸設(shè)計(jì)與制造。采用磁軛與軸鍛成一體的實(shí)心軸，每個(gè)磁極頂部與極靴各配鉆有M42螺孔用來固定極靴，磁極之間均銑一長方形寬槽，為了安裝磁極間墊塊用。在轉(zhuǎn)軸鐵心端部靠近軸伸端處，沿軸中心鉆有一Φ80孔，其作用是相對(duì)兩個(gè)磁極(N·S極)間引線連接，在轉(zhuǎn)軸鐵心端部靠近非軸伸端處，同時(shí)與軸伸端Φ80孔中心線空間垂直位置也鉆一個(gè)Φ80孔，在該處至非軸伸端端面軸中心線上又鉆一Φ100孔，其作用是磁極引線引出用。從鐵心段到非軸伸端依次是安裝風(fēng)扇、軸承、集電環(huán)。

極靴材料用34Cr3Ni3Mo鍛鋼加工成，材料機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、硬度等性能指標(biāo)按照J(rèn)B/T 1269—2002中的規(guī)定，而且必須經(jīng)超聲波探傷，考慮到起動(dòng)性能，在極靴表面增加有散熱溝槽。

該電機(jī)磁極線圈共有6支，磁極線圈通過扁繞而成，帶散熱匝，起散熱作用，帶散熱匝的線圈在固定位置開有長方并帶圓弧槽，有利于安裝磁極間固定塊，線圈引線一個(gè)在首支線圈中間引出，另一個(gè)在底匝線圈端部引出。

極線圈采用銅母線扁繞而成，匝間絕緣采用加墊2層0.19mm厚NOMEX411后經(jīng)熱壓固化而成，保證匝間絕緣厚度為0.25mm，極大地提高了匝間絕緣的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度。

3.3 軸承結(jié)構(gòu)

電機(jī)為雙支承，該電機(jī)軸承選型為座式球面滑動(dòng)軸承，參考標(biāo)準(zhǔn)DIN31694生產(chǎn)制造的，滑動(dòng)軸承具有自動(dòng)調(diào)心功能。

滑動(dòng)軸承的潤滑方式為外循環(huán)供油及油環(huán)帶油的復(fù)合潤滑方式，潤滑油的粘度為ISOVG46，潤滑油的工作壓力為0.01～0.03MPa，單個(gè)軸承流量約為10L/Min。

軸承預(yù)留外循環(huán)油接口，帶進(jìn)回油配對(duì)法蘭，進(jìn)油管增設(shè)針閥和進(jìn)口管式流量計(jì)，以調(diào)節(jié)和顯示滑動(dòng)軸承的進(jìn)油量，回油管路設(shè)有透油鏡，可觀察回油情況。軸承頂部設(shè)有油環(huán)觀察窗，可觀察油環(huán)工作狀況。外部壓力循環(huán)供油的換油周期為20000h。

軸承上設(shè)置一個(gè)PT100雙支鉑熱電阻(六線制)，并接至獨(dú)立的測溫接線盒，同時(shí)提供遠(yuǎn)傳信號(hào)，并帶軸承溫度現(xiàn)場顯示儀表。軸承為絕緣軸承，裝置設(shè)有防止軸電流對(duì)地絕緣措施。

3.4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

選擇冷卻效果較好的雙側(cè)對(duì)稱內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，定子鐵心上有徑向通風(fēng)道，轉(zhuǎn)子支架磁軛部分沿徑向開有圓周均布的徑向通風(fēng)道，徑向通風(fēng)道相互錯(cuò)開。兩個(gè)內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)后，冷空氣經(jīng)定子線圈端部、軸向通風(fēng)道及轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔分別冷卻線圈和鐵心，熱風(fēng)經(jīng)電機(jī)鐵心和線圈后直接向上與空氣冷卻器的冷卻水管進(jìn)行熱交換，達(dá)到帶走熱量、降低電機(jī)溫升的目的。

冷卻器進(jìn)廠驗(yàn)收須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為正常進(jìn)水壓力的1.5倍，以確保冷卻器正常運(yùn)行。冷卻器下面設(shè)接水盤，機(jī)外設(shè)漏水檢測裝置，一旦出現(xiàn)漏水即可報(bào)警。

3.5 防護(hù)結(jié)構(gòu)

該電機(jī)為有刷結(jié)構(gòu)，整體防護(hù)IP44，集電環(huán)IP20，電機(jī)上所有的接線盒均按IP55防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)制造。

3.6 接線盒結(jié)構(gòu)

主接線盒：三組電纜接線端子和中性點(diǎn)接線端子，設(shè)內(nèi)、外接地裝置和用戶接線點(diǎn)，每母排有兩M16銅質(zhì)螺栓供用戶接線使用，內(nèi)部接線空腔大，便于現(xiàn)場使用。

輔助接線盒包括：定子測溫接線盒、加熱器接線盒、電刷接線盒、軸承測溫接線盒、漏水保護(hù)接線盒。

接線盒內(nèi)均外均有接地螺栓，并在接地螺栓附近設(shè)有接地標(biāo)志，此標(biāo)志應(yīng)保證在電機(jī)整個(gè)的使用期間內(nèi)不易磨滅。

3.7 該電機(jī)的主要特點(diǎn)

(1)高效，效率≥97.1%；

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)性能優(yōu)良；

(3)可滿足大負(fù)載飛輪力矩要求(最大85000kgm2)；

(4)定、轉(zhuǎn)子溫升低，可長期穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性高，壽命長；

(5)有效材料用量大、選材合理，保證高可靠性；

(6)可靠的監(jiān)控措施，保證了電機(jī)正常安全運(yùn)行。

3.8 試制結(jié)果(主要性能指標(biāo))與協(xié)議值對(duì)比見表1。

表1 試制結(jié)果與協(xié)議值對(duì)比表

4 結(jié)語

從以上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于協(xié)議值，全面滿足了技術(shù)協(xié)議書規(guī)定，該電機(jī)在現(xiàn)場已經(jīng)帶載起動(dòng)、運(yùn)行，完全滿足了現(xiàn)場的需求，該電機(jī)試制圓滿成功，可以進(jìn)行推廣。

[1] 馬永明.大容量同步電機(jī)液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù).電工技術(shù)，2009(5)：76-77.

[2] 段昆，吳宣東，王朝宗.TAW 6400-30/3250增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的研制.電氣防爆，2012(1)：P5-10.

[3] GB 755—2008旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能.

[4] 劉永法.同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)繞組及鼠籠異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組起動(dòng)溫升的計(jì)算.大電機(jī)技術(shù)，1988(3)：16-20.

[5] 劉煜，洪長艷，秦秀蘭.拖動(dòng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方略.防爆電機(jī)，2003(1)：23-26 29.

Development of Synchronous Motor for Sintering Blower

DuanKun

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co., Ltd., Nanyang 473008, China)

In view of the development situation of TKS 7600-6 synchronous motor used in sintering blower, this paper introduces electromagnetic design and structural features of the motor in detail and presents that starting requirements of the motor will be higher because of its heavy load and special working conditions.

Sintering blower；synchronous motor；design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.03

TM341

A

1008-7281(2017)03-0009-004

段昆 男 1975年生；畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事大型電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-01-30