陳 英

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

長期以來，30 MW以上的大容量高速同步電動機國內一直無法供貨，基本依賴于進口產品。隨著國內工業(yè)的發(fā)展，特別是冶金工業(yè)的高爐風機、石化行業(yè)的氣體壓縮機以及航空航天領域的風動試驗機組等需求量的增加，需要越來越多的大容量高速同步電動機與之配套。為此，開發(fā)這類國產產品顯得尤為重要與迫切。2010年7月柳州鋼鐵股份有限公司AV80-16 4號高爐大修改造工程，就需與鼓風機配套用36 MW 4 P 10 kV無刷勵磁同步電動機，最終，我公司取得了產品的研制。

1 規(guī)格和型式

產品名稱：TWS36 MW 4 P 10 kV無刷勵磁同步電動機

電機型號 TWS36 000-4

電機容量/kW 36 000

額定轉速/(r·min-1) 1 500

額定電壓/kV 10

額定電流/A 2 348

功率因數(shù)cosφ0.9(越前)

極數(shù) 4

額定頻率/Hz 50

相數(shù) 3

定子接法 Y

額定轉矩/(kN·m) 229

定子出線根數(shù) 2×3

效率設計值/% 98.38

防護等級(本體) IP54

冷卻方式 IC81W

安裝型式 IM1005

絕緣等級 F

勵磁機數(shù)據(jù):

額定容量/kW 81.7

定子電壓/V 169.71

定子電流/A 183.85

定子相數(shù) 3

定子接法 Y

定子頻率/Hz 50

電動機采用電壓源型變頻器變頻起動，起動完畢(轉速達到1 500 r/min)將其切入10 kV工頻電網(wǎng)運行。所配置的勵磁系統(tǒng)必須滿足主電機起動和運行的要求，電機可確保1 h內冷態(tài)起動兩次，熱態(tài)一次。

電動機為臥式箱形結構，傳動端為法蘭式軸伸，電機頂部裝有空-水冷卻器，采用密閉循環(huán)通風方式。主傳動端軸承為Φ335 mm端蓋式球面止推滑動軸承，可以承受較小軸向推力，非傳動端為Φ300 mm端蓋式球面軸承。電機的主、輔出線盒均位于電機定子的側面；交流勵磁機和旋轉整流器位于非傳動端的軸承外側(見圖1)。

圖1 TWS 36 MW 4 P 10 kV無刷勵磁同步電動機裝配圖

2 電磁設計

2.1 主電動機部分

就36 MW容量，4 P的凸極實心同步電動機而言，電機已接近制造能力的上限，國外有能力制造的公司也不多，關鍵是其1 500 r/min的轉速使轉子承受著很大的機械應力。盡管如此，電磁方案設計時仍將其能力定位至極限輸出功率42 MW。電磁方案的計算除滿足本規(guī)格的性能參數(shù)外，還得考慮其擴展的空間，更需重點關注轉子本體的結構，確定合適的主要尺寸。

為大幅度降低鐵損定子沖片材料采用低損耗性能的50W310冷軋硅鋼板。由于定子電流高達2 350 A，為削弱集膚效應的影響，定子繞組設計除采用至多4路并聯(lián)外，定子線圈由8根導線并繞制成。

因轉子為凸極的實心磁極，設計時加大了定轉子氣隙，可降低轉子極面脈振磁密、降低極靴表面的渦流損耗和發(fā)熱，同時提高了電機的失步轉矩；而徑向尺寸的嚴格控制，可降低旋轉部件所承受的機械應力，減小機械損耗和機械噪聲。

由于采用變頻起動，對堵轉電流、堵轉轉矩和牽入轉矩的性能指標可適當放松，電磁計算適當提高了線負荷As，并將熱負荷控制在4 000以內，在滿足B級溫升的前提下，為容量的提升設計留有一定的裕度。線負荷As的提高，也有利于提高單位轉矩的材料利用率，降低了制造成本，減輕電機質量。

2.2 勵磁系統(tǒng)部分

勵磁系統(tǒng)由三部分組成：交流勵磁機、旋轉整流器和勵磁控制柜。除控制柜外，交流勵磁機和旋轉整流器均裝于電機本體。電機采用變頻起動(也即同步起動)的運行方式，電機在無滑環(huán)靜止狀態(tài)下，轉子獲得足夠的勵磁電能。傳統(tǒng)的同步勵磁機只有在一定轉速下才能提供能量，無法滿足需求，故采用旋轉變壓器類型的異步勵磁機。我們通過多方案比較，最終確定了勵磁機的電磁方案——轉子為沖片鐵心雙繞組結構(見圖2)。由此，整流二極管數(shù)量由傳統(tǒng)的6個增加到12個，相應的每個整流管的容量可減小一半而使其體積大為減小，從而減小了整流盤的直徑，更適合高轉速運行。

圖2 無刷勵磁系統(tǒng)原理圖

3 結構設計

3.1 定子部分

定子采用外壓裝的結構設計，機座由鋼板焊接成型，線圈由云母導線繞制，采用F級絕緣的結構，鐵心經壓裝后下線。繞組端部采取可靠的固定綁扎措施，經真空壓力無溶劑(VPI)浸漬處理，使整個定子具有良好的絕緣性能和可靠的機械強度，最后套入機座與其焊成一體。確保電機在變頻起動中既能承受諧波的影響，也能承受切換并網(wǎng)時產生的沖擊力矩。

3.2 轉子部分

大容量高轉速同步電機，沖片轉子根本滿足不了其強度的要求，必須采用實心的結構方案。傳統(tǒng)的千瓦級4 P轉子是將聯(lián)體的極身與磁軛通過過盈配合熱套于主軸之上，本電機因受徑向尺寸的限制，這一結構不能滿足工藝要求。為此，在對轉子關鍵部分進行了詳細的強度、剛度計算(詳見4機械計算部分)后，確定轉軸主體采用極身、磁軛與轉軸為一整體的鍛件結構(見圖3)，材料選用35CrMo合金鋼，解決了制造中的工藝問題。端蓋式的軸承結構，縮短了轉軸支點間的距離，提高了轉子的剛度，解決了高轉速長軸系帶來的轉子動力學問題，使一次臨界轉速達到額定轉速的2.52倍，撓度也僅為氣隙的0.345%。極靴材料為15MnMoV合金鋼，極靴與極身采用高強度合金鋼螺栓進行連接，確保轉子能承受足夠機械應力，確保了電機能安全、可靠地運行。

圖3 聯(lián)體轉軸

勵磁繞組的設計從有利于繞組的通風散熱、降低轉子溫升和提高機械強度而展開。繞組為帶散熱匝的磁極線圈串聯(lián)而成，線圈匝間絕緣采用兩層0.13 mm厚的上膠Nomex紙，線圈的上、下表面和對地絕緣均使用Nomex紙固化成型。磁極線圈套入磁極鐵心后，用浸膠滌綸氈和環(huán)氧玻璃布板將端部和其它所有縫隙塞滿，待整個轉子加熱后使磁極線圈、極身和托板固化成為一體，提升了轉子部分電氣和機械的可靠性，同時也有利于繞組的散熱，降低轉子溫升。

3.3 冷卻風路的設計

轉子兩側裝有一對軸流式風扇，形成冷卻所需的通風氣流。由于本電機軸系較長，加之相鄰磁極線圈的極間還安裝了3個支架，使本已緊張的極間通風空間更趨緊張。設計一改傳統(tǒng)的結構形式，將磁極線圈設計成鏤空結構(見圖4)，相鄰線圈底部通過支撐件下的彈簧及絕緣撐板將其托住，擴大了通風面積、減小了風阻，從而有利于繞組散熱，對降低轉子溫升起了重要的作用。勵磁機則有單獨的風機對其進行冷卻，以減小主風量的損失，也確保了勵磁系統(tǒng)的冷卻效果。

圖4 勵磁繞組極間的鏤空結構

3.4 旋轉整流器的設計

旋轉整流器由整流盤、旋轉二極管、壓敏電阻和連接銅排等構成。

整流盤體為鋼結構，位于電機尾端；二極管和壓敏電阻各自裝于散熱器上，用經絕緣處理的高強度螺栓對稱固定于盤體兩側(見圖5)。所有元件均經機械測試，其離心加速度耐受能力為2 000g(g為重力加速度9.8 m/s2)。

圖5 旋轉整流器

4 機械計算

結構方案的確定與機械計算相輔相成，交替進行，重點考慮轉子部分的同時，對以下幾部分做了較為詳細的機械計算。

4.1 主軸軸伸的強度計算

電機額定功率36 MW，過載倍數(shù)2.5，轉速1 500 r/min；主軸材料采用鍛鋼35CrMo，軸伸尺寸Φ335 mm，設計驗證其應力安全系數(shù)可達1.12倍。

4.2 軸的撓度和臨界轉速的計算

因轉軸采用極身、磁軛與轉軸為一整體的鍛件結構，其中心部分為均布載荷并將該處的截面慣性矩3 010 600 cm2折算成當量直徑D=88.5 cm，按(DZ)21-63進行計算，結果如下：

軸的撓度為F=0.076 mm=0.345%δ

臨界轉速為Nk1=3 803 r/min=2.54nN

N′k1=3 776 r/min=2.52nN

2次臨界轉速的計算結果

臨界轉速：Nk2=13 062 r/min=8.71nN

4.3 磁極螺栓的分布與計算

理論分析和實踐運行均表明，轉子高速旋轉時，極靴兩端所受的離心力遠高于磁極中部，因此盡可能減輕線圈和極靴的質量，合理分布磁極螺栓并對螺栓的強度計算顯得尤為重要。設計中對磁極線圈和極靴的四個角都進行了切角處理，加大了螺栓的分布密度，并增加了端部的分布數(shù)量。

強度計算結果如下：

螺栓拉應力為σ=596.6 N/mm2

極靴螺栓處剪切應力為τ=148.3 N/mm2

螺栓頭處剪切應力為τ=213.7 N/mm2

螺栓材料為40Cr2MoV許用應力

[σ]=750 N/mm2>596.6 N/mm2

[τ]=360 N/mm2>213.7 N/mm2

極靴材料為15MnMoV許用應力

[τ]=160 N/mm2>148.3 N/mm2

5 主要性能試驗數(shù)據(jù)

該產品的主要性能試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 電機主要性能試驗數(shù)據(jù)

6 結論

經各項課題研究、技術攻關、產品結構設計及試制，上電公司按國家標準及和技術協(xié)議對電機進行了型式試驗，各項性能指標都滿足了技術要求，最終實現(xiàn)了產品的成功制造。該電機的研制成功標志著上電公司成功突破了大容量高速同步電動機的制造瓶頸，始終保持國內電機行業(yè)的領先地位，為高端產品走向國際市場打下了扎實的基礎。