馬軼洋

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

TDBS 5300-20交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

馬軼洋

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

針對淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司顧橋礦主井使用的某公司生產(chǎn)的2臺(tái)交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)(TDBS 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)在實(shí)際使用中存在的定子溫升高、定子線圈及轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)等問題，指出了其設(shè)計(jì)及制造中的不足點(diǎn)。詳細(xì)介紹了本公司更改設(shè)計(jì)后的電機(jī)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合制造、工廠試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際使用情況，說明了改造效果，同時(shí)闡述了設(shè)計(jì)該類電機(jī)時(shí)需要注意的地方。

交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)；礦井提升系統(tǒng)；溫升；改造

0 引言

淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司顧橋礦主井提升系統(tǒng)使用2臺(tái)中信重工生產(chǎn)的JKMD-5×4(Ⅲ)型多繩摩擦式提升機(jī)，配套2臺(tái)國內(nèi)某電機(jī)廠生產(chǎn)的交流調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)(TBP 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)(電機(jī)圖片見圖1)。設(shè)備于2006年投入運(yùn)行，但電機(jī)在使用過程中，出現(xiàn)以下問題：1)電機(jī)定子線圈出現(xiàn)松動(dòng)，線圈直線部分與嵌線槽產(chǎn)生摩擦，對地絕緣損壞，電機(jī)振動(dòng)及噪聲變大；2)轉(zhuǎn)子中部分磁極松動(dòng)，造成阻尼環(huán)連接片斷裂；3)電機(jī)溫升偏高。在提升為32 t(最大提升33 t)時(shí)，電機(jī)定子溫度可到130℃，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。顧橋礦2010年向原制造廠訂購了一臺(tái)備機(jī)，但交貨后仍存在電機(jī)定子溫度高的問題。為此，用戶轉(zhuǎn)而向我公司訂貨，要求生產(chǎn)2臺(tái)同規(guī)格電機(jī)，替換存在問題的電機(jī)。

圖1 5 300 kW 0～49.7 r/min電機(jī)圖片

1 原電機(jī)的規(guī)格和型式(原電機(jī)外形圖見圖2)

電機(jī)容量：5 300 kW；極數(shù)：20極；電壓：1 500 V；轉(zhuǎn)速：0～49.7 r/min；頻率：0～8.28 Hz；功率因數(shù)：cosφ=1；絕緣：F級(B級考核)；電機(jī)過載能力：電動(dòng)機(jī)短時(shí)過電流為2倍額定電流,時(shí)間80 s,在周期內(nèi)等效負(fù)荷不超過電機(jī)額定負(fù)荷；效率的保證值為95%；冷卻方式：電機(jī)主體采用半管道強(qiáng)制風(fēng)冷卻(IC 37)；安裝形式：電機(jī)為錐套式無軸和軸承(IM 5710)；防護(hù)等級 ：IP 44；定子主出線6根,由電機(jī)底部引出；定子繞組埋置9個(gè)“Pt-100”測溫元件,其引出線置于專用出線盒內(nèi)；電機(jī)轉(zhuǎn)子采用全阻尼繞組結(jié)構(gòu)以改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和諧波影響；電機(jī)負(fù)載端裝有接地電刷；電機(jī)可做雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，工作方式S8。

2 原電機(jī)問題分析

在查看了原制造廠隨機(jī)圖紙及在現(xiàn)場觀察電機(jī)運(yùn)行后，判斷電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)取值偏大，造成電機(jī)溫升較高。現(xiàn)場風(fēng)路漏風(fēng)嚴(yán)重，加劇了這一現(xiàn)象。而結(jié)構(gòu)及制造上的一些缺陷，又造成了定子線圈和轉(zhuǎn)子磁極出現(xiàn)松動(dòng)的狀況。

圖2 原電機(jī)外形圖

1) 定子端部綁扎采用了軟端箍形式，端箍無支架(原電機(jī)定子端部綁扎見圖3)。在定子線圈與槽型配合不緊密產(chǎn)生松動(dòng)的情況下對線圈軸向竄動(dòng)的固定作用不大。

2) 定子線圈松動(dòng)及絕緣迅速老化主要是制造上的缺陷所致。

3) 轉(zhuǎn)子中磁軛外圓為圓形，與線圈接觸的部位沒有放置墊板，使磁極線圈與磁軛未完全貼合。磁極固定僅用一個(gè)螺母加止動(dòng)墊圈，防松作用沒有雙螺母效果好。在頻繁正反轉(zhuǎn)的情況下，容易產(chǎn)生松動(dòng)(線圈下無墊板見圖4、單螺母加止動(dòng)墊圈見圖5)。

圖3 原電機(jī)定子端部綁扎

圖4 線圈下無墊板

圖5 單螺母加止動(dòng)墊圈

以上是原電機(jī)主要幾處有待改進(jìn)的地方，而我公司在這幾處均采用了更加可靠的結(jié)構(gòu)形式避免同類問題的發(fā)生。

3 改造方案確定及技術(shù)難點(diǎn)

因?yàn)樵姍C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)取值偏高，在備機(jī)制作時(shí)必須適當(dāng)降低，使之在合理范圍內(nèi)。這勢必要改變電機(jī)尺寸。而用戶要求改造周期短、電機(jī)安裝尺寸和通風(fēng)形式位置不變，這就給方案的確定帶來很大的難度。

3.1 用戶要求新電機(jī)改進(jìn)的地方

1) 定子溫升要求盡管國家標(biāo)準(zhǔn)B級考核，定子溫升允許為85 K。但用戶從設(shè)備長期安全運(yùn)行角度出發(fā)，要求定子計(jì)算溫升必須小于60 K。

2) 為減小改造電機(jī)對提升系統(tǒng)的影響，要求電機(jī)轉(zhuǎn)子不得超過36 t，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J≤42 000 kg·m2。

3) 考慮平時(shí)維護(hù)方便，集電環(huán)罩需由安裝在后端蓋上改為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。

4) 增加防潮加熱器。

5) 電機(jī)安裝尺寸、通風(fēng)形式、風(fēng)管位置，均需按原電機(jī)。

3.2 電磁方案確定

根據(jù)用戶提供的原電機(jī)相關(guān)資料，定子沖片外徑：3 250 mm，內(nèi)徑：2 780 mm，鐵心長：1 056 mm，槽數(shù)：192，槽高：120 mm，槽寬：21.5 mm，定子線規(guī):6-3.55×5.3，銘牌上勵(lì)磁電壓：236 V 、勵(lì)磁電壓：581 A。用我公司公式計(jì)算，定子溫升約在117 K，線負(fù)荷：1 176 A/cm，電流密度：4.88 A/mm2，熱負(fù)荷：5 741。幾個(gè)數(shù)值相對都是較高的，這是造成定子溫升高的主要原因。在找到問題關(guān)鍵點(diǎn)后，經(jīng)過反復(fù)演算比較，如果按原電機(jī)鐵心尺寸及槽型，是不能滿足溫升要求的，只有新開定、轉(zhuǎn)子沖片。最終新方案確定如下，定子沖片外徑：3 250 mm、內(nèi)徑：2 780 mm、鐵心長：1 152 mm、槽數(shù)：192、槽高：128 mm、槽寬：21.5 mm、定子線規(guī):9-3.35×5.6。此時(shí)，定子溫升約在60 K，線負(fù)荷：1 169 A/cm，電流密度：3.24 A/mm2，熱負(fù)荷：3 791，勵(lì)磁電壓：236 V 、勵(lì)磁電壓：581 A，從理論計(jì)算上滿足了要求。

3.3 電機(jī)外形尺寸確定(更新電機(jī)的外形圖見圖6)

根據(jù)外形圖及現(xiàn)場勘察結(jié)果，電機(jī)冷卻方式為半管道形式，冷卻風(fēng)由電機(jī)非負(fù)載端引入電機(jī)底部的風(fēng)室，分別從前、后端蓋進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，大部分由電機(jī)中間出風(fēng)管引出，還有一部分進(jìn)入集電環(huán)罩由集電環(huán)罩底部出風(fēng)管引出。但從現(xiàn)場實(shí)際效果來看，大部分冷卻風(fēng)在非負(fù)載端進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部和集電環(huán)罩，只有小部分從前端進(jìn)入電機(jī)，且非負(fù)載端由于安裝問題，漏風(fēng)嚴(yán)重，這對電機(jī)冷卻造成了一定影響。新電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，由于電機(jī)鐵心比原電機(jī)放長96 mm,而中心線同原電機(jī)，為滿足改進(jìn)要求，在不影響冷卻效果的前提下，前端蓋軸向縮短了40 mm，后端蓋軸向縮短了240 mm。集電環(huán)防護(hù)罩為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，考慮到集電環(huán)發(fā)熱量較小，取消原來的出風(fēng)管，采用了自然通風(fēng)方式，防護(hù)等級IP23，安裝于原集電環(huán)防護(hù)罩位置。經(jīng)過以上調(diào)整，電機(jī)安裝尺寸也完全滿足改造要求。

4 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1) 定子鐵心

由于定子新開沖片外徑為3 250 mm，為保證定子能放進(jìn)4.8 m浸漆罐中，定子鐵心采用了外壓裝結(jié)構(gòu)形式。用過渡鐵心支架疊裝沖片。為防止鐵心在運(yùn)行時(shí)由于過負(fù)荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鐵心壓裝固定后，沿徑、 軸向用固定塊將螺桿與支架壁焊接固定。

同時(shí)

圖6 更新電機(jī)的外形圖

也將鐵心外圓與筋板焊牢，使鐵心充分固定。嵌入槽內(nèi)的線圈端部綁扎于帶支架的端箍上，VPI處理后將鐵心套入機(jī)座焊為一體，機(jī)座外罩板再最后焊接于機(jī)座上。定子繞組采用單繞組。

2) 定子繞組接線分別位于鐵心兩端，便于下線與連接。引出線6根,由電機(jī)底部引出；

3) 定子繞組埋置9個(gè)“Pt-100”測溫元件,其引出線置于專用出線盒內(nèi)；

4) 轉(zhuǎn)子磁軛電機(jī)與提升機(jī)采用錐套式聯(lián)接，由于磁軛與主軸過盈量δ=1要較以往產(chǎn)品δ=0.6～0.7大很多。對于此類配合，一般情況下采用整體鍛件(上電磁軛結(jié)構(gòu)圖見圖7)。但原電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛由于外筒體與內(nèi)錐套空間距離較大，采用的是同直流機(jī)一樣的幅板與錐套焊接結(jié)構(gòu)(原電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)圖見圖8)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)量較整體結(jié)構(gòu)輕2～3 t，同時(shí)外筒體可采用鑄件或厚鋼板材料，降低材料成本，缺點(diǎn)是焊縫質(zhì)量要求高。因?yàn)閷D(zhuǎn)子有質(zhì)量限制，應(yīng)此磁軛結(jié)構(gòu)仍同原電機(jī)，外筒體采用了焊接性能較好的鑄鋼ZG230-450H ，中間幅板采用厚鋼板，內(nèi)錐套采用鍛鋼件件15MnMoV，同時(shí)在磁軛外筒體兩個(gè)磁極中間位置增加通風(fēng)孔，加強(qiáng)磁極線圈散熱能力；

圖7 上電磁軛結(jié)構(gòu)圖

圖8 原電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)圖

5) 磁極繞組為帶散熱匝的磁極線圈串聯(lián)而成，有利于提高繞組的散熱效果，降低轉(zhuǎn)子溫升；

6) 磁極與磁軛采用螺桿加雙螺母形式固定，為使電機(jī)運(yùn)行可靠，磁軛上開一與極身等寬的凹槽；同時(shí)將疊好的磁極鐵心底面進(jìn)行加工，保證兩者緊密配合；

7) 電機(jī)采用有刷勵(lì)磁方式，而主機(jī)軸不伸出磁軛，因此電機(jī)集電環(huán)通過裝與磁軛上的過渡圓環(huán)固定，刷架裝在獨(dú)立的防護(hù)罩內(nèi)壁上；

8) 電機(jī)前、后端蓋設(shè)計(jì)為分半結(jié)構(gòu)，并設(shè)置帶觀察窗的小門，方便平時(shí)的檢修。

5 提升電機(jī)設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

礦井提升電機(jī)作為提升系統(tǒng)重要的組成部分，在礦山生產(chǎn)中承擔(dān)著無可替代的重要作用。盡管電機(jī)過載要求較鋼廠電機(jī)小，電氣性能要求不高，但電機(jī)單次提升的間歇時(shí)間越來越短，電機(jī)始終在不停地正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。同時(shí)電機(jī)供電電源為變頻電源，存在交變的短時(shí)峰值電壓及諧波干擾。這些不利因素對電機(jī)設(shè)計(jì)及制造提出了較高要求，電機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)必須成熟、可靠。要充分考慮零、部件機(jī)械強(qiáng)度，定、轉(zhuǎn)子計(jì)算溫升需要要控制在一個(gè)較低的水平。這次顧橋礦原電機(jī)所出現(xiàn)的問題也警醒著我們，要時(shí)刻注意，針對電機(jī)使用場合合理設(shè)計(jì)，精心生產(chǎn)，才能向客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。