張 鵬

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

對(duì)一般精軋機(jī)電機(jī)來(lái)說(shuō)，最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比(調(diào)速比)一般在2～2.5倍左右，因此直接采用無(wú)特殊設(shè)計(jì)及工藝要求的直流電機(jī)即可。但對(duì)卷取機(jī)及開(kāi)卷機(jī)用直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，其調(diào)速比則需要達(dá)到3～3.5倍左右。對(duì)于軋制寬帶及薄板而言，電機(jī)功率一般均在2×1 500 kW到2×2 500 kW之間(2臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行)，且須實(shí)行恒張力控制，故電機(jī)的制造難度非常大。由于電機(jī)體積較大，電機(jī)表面線速度較高，調(diào)速比大，由此帶來(lái)電機(jī)電抗電勢(shì)增大、弱磁調(diào)速困難，因而常規(guī)設(shè)計(jì)的電機(jī)在高速區(qū)域運(yùn)行時(shí)換向火花就會(huì)增大甚至容易出現(xiàn)拉弧及環(huán)火，這樣的大型直流電機(jī)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)這種運(yùn)行工況的要求，而只能采用特殊設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目電機(jī)功率達(dá)到1 725 kW，調(diào)速比達(dá)到了3.1倍，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)難度很大。

1 電機(jī)工況簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目電機(jī)為寶鋼廠要求我公司設(shè)計(jì)的進(jìn)口電機(jī)的備機(jī)，該電機(jī)體積比我們制造的普通電機(jī)小一個(gè)機(jī)座號(hào)，型號(hào)如下:電機(jī)功率，1 500 kW;轉(zhuǎn)速，290～900 r/min;電壓，938 V。

并且要求滿足1.15倍額定電流長(zhǎng)期過(guò)載，此時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)型號(hào)如下:電機(jī)功率，1 725 kW;轉(zhuǎn)速，290～900 r/min;電壓，954 V。

2 與我公司普通電機(jī)對(duì)比

表1 同類產(chǎn)品對(duì)比

從表1分析，得出以下結(jié)論:

1)本項(xiàng)目電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J)小，因此傳動(dòng)指標(biāo)(J/M)比我公司普通電機(jī)提高28%，這一指標(biāo)說(shuō)明了本項(xiàng)目電機(jī)具有快速反應(yīng)性。

(3)電機(jī)技術(shù)難度指標(biāo)用功率×速比×最高轉(zhuǎn)速(PN·i·nmax)來(lái)表達(dá)，它表示電機(jī)先進(jìn)性的綜合指標(biāo)。本項(xiàng)目電機(jī)有較高的指標(biāo)，從而證實(shí)了其先進(jìn)性。

3 電機(jī)的電磁方案特點(diǎn)

表2 電滋參數(shù)

當(dāng)電機(jī)在1 725 kW(1.15倍額定負(fù)載)功率下運(yùn)行時(shí)，其熱負(fù)荷達(dá)到5 998/9 051/8 066，普通電機(jī)的熱參數(shù)通?？刂圃? 000以下，由于本電機(jī)熱參數(shù)較高(尤其是電樞部分)，結(jié)構(gòu)上采取了很多有效措施，使得繞組的溫升仍控制在限值內(nèi)。從而使本項(xiàng)目電機(jī)功率密度較高，具備了較高的技術(shù)先進(jìn)性。

從表2的換向參數(shù)分析，為確保電機(jī)的高性能，克服換向問(wèn)題，設(shè)計(jì)也采取了許多行之有效的辦法。

4 提升電機(jī)出力措施

4.1 改善通風(fēng)、散熱設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，我們一般認(rèn)為電樞熱負(fù)荷(AΔa)應(yīng)在4 000以下是合適的。本電機(jī)的發(fā)熱參數(shù)大幅度提高，遠(yuǎn)超過(guò)溫升的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此采用合理的通風(fēng)系統(tǒng)、繞組良好的散熱性能，是電機(jī)繞組額定溫升不超過(guò)溫升限值和電機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的根本保障，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采取了如下的特殊設(shè)計(jì)。

1)電樞線圈采用變截面技術(shù)，見(jiàn)圖1，變截面即利用線圈直線部分散熱好于端線部分，上層導(dǎo)線散熱好于下層導(dǎo)線這一特點(diǎn)適當(dāng)將電樞線圈直線部分電流密度，設(shè)計(jì)得比端部的高，直線部分的上層導(dǎo)線的電流密度略高于下層導(dǎo)線，線圈外圍打無(wú)緯帶結(jié)構(gòu)以降低槽形深度，減少擠流效應(yīng)，減小電抗電勢(shì)，從而達(dá)到改善換向，提高調(diào)速比的目的。

圖1 變截面線圈圖

2)采用一路進(jìn)風(fēng)二路出風(fēng)的通風(fēng)風(fēng)路。見(jiàn)圖2。在電機(jī)內(nèi)部將電機(jī)本體與換向器部分的風(fēng)路實(shí)施隔離，使冷風(fēng)的90%直接進(jìn)入發(fā)熱最多的電樞，然后通過(guò)電樞的徑向風(fēng)道再到定子。另10%的冷風(fēng)通過(guò)擋風(fēng)板與電樞線圈端部的間隙進(jìn)入換向器。同時(shí)該通風(fēng)風(fēng)路可有效阻斷電刷碳粉微粒進(jìn)入電機(jī)，換向器部分的風(fēng)路實(shí)施隔離后經(jīng)冷卻器內(nèi)部的抽風(fēng)過(guò)濾后，再變成潔凈風(fēng)經(jīng)冷卻鼓入電機(jī)內(nèi)部。

圖2 電機(jī)風(fēng)路圖

4.2 改善換向性能

本電機(jī)為高熱負(fù)荷、高調(diào)速比的直流電機(jī)，電機(jī)的換向參數(shù)較高，必須采取有力措施改善換向性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用換向性能較好的u=2的異槽式單疊繞組，磁路結(jié)構(gòu)采取阻尼措施，增加電樞和補(bǔ)償繞組槽數(shù)，降低換向片間電壓峰值等等很多有利于換向的措施，但最重要的是電樞線圈采用無(wú)緯帶打箍緊固。

電抗電勢(shì)er是電機(jī)換向性能的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)我公司經(jīng)驗(yàn)，在普通電機(jī)過(guò)載時(shí)，er控制在12 V以下。本電機(jī)分別采用槽楔固定和無(wú)緯帶固定分別進(jìn)行電磁計(jì)算，采用無(wú)緯帶固定的方案A，電機(jī)高速過(guò)載時(shí)er=12.5 V，而采用槽楔固定方案B，電機(jī)高速過(guò)載時(shí)er=14.9 V，對(duì)比以上數(shù)據(jù)，方案A與方案B比，電機(jī)高速過(guò)載時(shí)電抗電勢(shì)er由12.5 V增加到14.9 V，增加了19%，并且采用槽楔結(jié)構(gòu)，電抗電勢(shì)已經(jīng)超出極限值24%。

5 無(wú)緯帶綁扎計(jì)算與分析

無(wú)緯帶固定是非常復(fù)雜的問(wèn)題，根據(jù)發(fā)生過(guò)的幾次無(wú)緯帶斷裂事故，分析原因主要兩種，一種是無(wú)緯帶箍厚度太薄，無(wú)法承受電樞線圈的離心力，另一種是無(wú)緯帶箍太厚，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)變形導(dǎo)致與定子相擦。

無(wú)緯帶強(qiáng)度計(jì)算按照我公司編制的大中型交直流機(jī)械計(jì)算公式，本電機(jī)鐵心檔打箍厚度a≥2.84 mm即可以滿足電樞線圈鐵心檔部分承受的拉應(yīng)力要求，考慮到電機(jī)運(yùn)行安全性，以及厚度應(yīng)為0.3 mm的整數(shù)倍，所以決定取a=3 mm。

采用有效元法分析鐵心檔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖如下:

圖3 一檔鐵心的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

由于本電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速為1 080 r/min，采用有限元分析，最大變形量極限值為1.4 mm。定、轉(zhuǎn)子間隙計(jì)算值為6 mm，轉(zhuǎn)子鐵心檔無(wú)緯帶厚度為3 mm，所以極限情況時(shí)，無(wú)緯帶表面到主極鐵心表面單邊間隙還有3-1.4=1.6(mm)，定轉(zhuǎn)子不會(huì)發(fā)生相擦。

6 電機(jī)試驗(yàn)

電機(jī)溫升試驗(yàn)合格，1 500 kW時(shí)79.6 K，1 725 kW時(shí)104.8 K。換向性能優(yōu)良，換向火花基速1級(jí)，高速級(jí)。電機(jī)其他各項(xiàng)要求均滿足與用戶簽訂的技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合利用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)，使該臺(tái)電機(jī)的安裝尺寸和技術(shù)要求都達(dá)到了用戶要求。目前電機(jī)已經(jīng)在寶鋼正式運(yùn)行，各項(xiàng)性能達(dá)到了與進(jìn)口電機(jī)相同的技術(shù)指標(biāo)，完全能夠替代進(jìn)口電機(jī)使用。