(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽 473008)

0 引言

TBP 8000-16交交變頻同步電動機用于某公司3500mm中板精軋項目。該產(chǎn)品不同于以往的同步電動機，是集電力電子、自動控制、變頻調(diào)速、電機和機械加工為一體的高技術(shù)含量產(chǎn)品，且工況條件比較苛刻，項目的研制成功將是我公司開拓的又一個新的經(jīng)濟增長點。

該電機為軋鋼線上關(guān)鍵設(shè)備，鑒于研制該電機的重要性和設(shè)計難度，公司將該電機按重大新產(chǎn)品組織技術(shù)開發(fā)，先后對該電機的初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工圖設(shè)計及工藝設(shè)計等進行了詳細(xì)評審，現(xiàn)在電機已經(jīng)完成各項試驗，性能滿足要求。

1 電動機的技術(shù)參數(shù)

型號： TBP 8000-16；額定功率：8000kW；額定電壓：1650V；額定電流：2897A；額定頻率：(8～20)Hz；轉(zhuǎn)速：(60～150)r/min；相數(shù):3相；定子繞組接法：Y；防護等級：主體IP44集電環(huán)IP23；絕緣等級：F/F；冷卻方式：側(cè)水冷(IC8A6W7)；安裝方式：IM7315；旋轉(zhuǎn)方向:雙向；定額:S9(連續(xù)工作制)；使用系數(shù):1.0；電機飛輪轉(zhuǎn)矩GD2：180 t·m2；功率因數(shù)：1.0；效率:96%(不含勵磁損耗)；噪聲限值：106dB(A)(聲功率級)；振動限值：<0.075mm(雙倍振幅)。

2 主電機電磁計算

主電機電磁計算，輸入數(shù)據(jù)：定子沖片外徑/內(nèi)徑：φ2900/φ2420mm；定子沖片槽數(shù)：192；定子繞組接法：8Y；定、轉(zhuǎn)子鐵心長：2120/2120；定子每槽導(dǎo)體數(shù)：10；定子線規(guī)：6-2.24×5.6；轉(zhuǎn)子每極導(dǎo)體數(shù)：71.5；轉(zhuǎn)子線規(guī)：5.6×40；氣隙：9.5。得到的電氣數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要電氣數(shù)據(jù)表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

(1)滿足電氣性能的要求。

(2)采用合理先進的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)。

(3)提高運行可靠性，零部件強度留有較大的裕度。

(4)考慮使用維護的方便性。

(5)提高零部件的通用化程度。

(6)在滿足整體強度的基礎(chǔ)上，考慮外觀造型，推出精品電機。

3.2 總體結(jié)構(gòu)

(1)該機架的電動機為兩臺，上下輥布置。機組為上電機在前，下電機在后(靠軋機側(cè)為前)，下電機帶中間軸、第五軸承及軸承底座；電機中心高800，兩電機中心距為2300mm。電機為臥式結(jié)構(gòu)，定子電源引出線位于機座底部非傳動端；加熱器和測溫元件接到輔助出線盒內(nèi)，輔助出線盒裝在機座下部側(cè)面；勵磁引線從刷架向下引，穿過電機底板位于電機底坑內(nèi)。電機的傳動端裝有接地電刷。非傳動端裝有勵磁滑環(huán)并留有安裝測速編碼器的位置，電機總裝圖見圖1。

圖1電機總裝圖

(2)電機軸伸端和中間軸兩端為整段法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭連接尺寸滿足主機要求。

(3)電機的軸承為鋼板焊接結(jié)構(gòu)式座式軸承，非傳動端為絕緣球面滑動軸承，在兩軸承底部均有鍵，另在非傳動端軸承還設(shè)有鍵擋，起提高座式軸承抗沖擊的作用。電機軸承帶低壓力油循環(huán)及甩油盤復(fù)合式潤滑，軸承帶高壓油頂裝置，采用高、低壓油潤滑油沾供油潤滑冷卻(高壓油長期工作)。

(4)在電機非傳動側(cè)設(shè)有阻尼止推軸承，在電機運行時能承受一定的外來軸向推力。軸承能長期承受軸向±1250kN的推力，并能承受軸向雙向推力±4500kN的負(fù)荷；傳動端與非傳動端軸承竄動量為±12mm，阻尼軸承竄動量為±3mm。

(5)電機采用有刷勵磁方式，集電環(huán)自帶風(fēng)機通風(fēng)冷卻。

(6)空水冷卻器位于電機兩側(cè)，冷卻風(fēng)路兩進一出：冷卻空氣由兩端罩的進風(fēng)口進入，冷卻電機后的所有熱空氣，回到機座中部出風(fēng)口經(jīng)冷卻后進入下一循環(huán)。

(7)電機自帶地腳螺栓，錨固板。

(8)在機座的外面罩有一分半大罩，一是起到美觀，二是形成電機的冷卻風(fēng)路。

3.2.1 定子

主要由定子機座、定子鐵心、線圈、外罩、端罩等構(gòu)成。

(1)定子機座

定子機座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，為便于定子下線及端部綁扎，機座為短機座，機座端板為60厚Q235A，由多層輻板和鋼管組焊接成統(tǒng)一的整體。機座安裝面以上為裸露機座(沒有面板)，最后在機座外罩一大罩，用以安裝冷卻器和形成密閉的風(fēng)路。設(shè)計制造中，其強度、剛度能長期承受軋鋼特殊工況的沖擊載荷，能承受事故狀態(tài)下扭矩作用無有害變形?？紤]吊裝和運輸需要增加翻轉(zhuǎn)吊攀和運輸孔。

(2)定子鐵心

定子鐵心沖片采用高導(dǎo)磁率、無取向、厚度0.5mm的硅鋼片(50W470)沖制疊裝而成。硅鋼片去除毛刺后涂F級片間絕緣漆。沖片背部開鴿尾槽，定子壓圈將鐵心沖片壓緊，定位筋與機座的連接，足以能承受電機過載產(chǎn)生的切向力和磁拉力產(chǎn)生的徑向力的同時作用的剪應(yīng)力。

(3)定子繞組及其端部固定

定子線圈采用雙層疊繞組。銅線采用單聚酰亞胺—氟46復(fù)合薄膜繞包銅扁線MYFB-21/180，主絕緣為F級少膠云母帶。

考慮到變頻器供電，存在電壓、電流“毛刺尖峰”(即諧波特別豐富)的特點，繞組除加強對地絕緣外，特別加強了匝間絕緣。

下線后所有端頭銀銅焊。考慮到軋鋼電機的定子繞組在沖擊負(fù)荷下的可靠性，保證線圈在各種運行工況下長期安全運行，并能防止線圈在最大過載情況下所可能發(fā)生的振動和變形。

嵌線后，將整個定子置于整浸罐中進行F級VPI無溶劑真空壓力浸漬處理。固化后，定子的絕緣性能、熱的傳導(dǎo)性能、結(jié)構(gòu)的整體性能都得到了加強。

線圈直線出槽口處設(shè)絕緣墊塊；線圈端部通過端箍、端箍支架和端部墊塊等綁扎固緊。

3.2.2 轉(zhuǎn)子

3.2.2.1 轉(zhuǎn)軸

電機的軸頸、軸伸強度按能長期承受600%瞬時機械沖擊力矩要求考慮。電機軸有足夠的強度、剛度，并能承受軋制工況的沖擊和扭轉(zhuǎn)，確保轉(zhuǎn)軸的撓度不超過氣隙的6%，臨界轉(zhuǎn)速>1.3倍正常工作轉(zhuǎn)速。

為滿足電機頻繁正反轉(zhuǎn)和快速響應(yīng)的要求，電機的轉(zhuǎn)軸由“傳動端軸+中間段空心筒體+非傳動端軸”三段組成，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)鍛鋼，通過SKF公司的超級螺栓銷(進口)和超級高強度螺栓(用鍛件自制)將三者連成一個整體，超級螺栓銷主要用來傳遞力矩，而高強度螺栓主要是起連接作用。

鍛件進廠，在精加工前，按照標(biāo)準(zhǔn)JB/1271相關(guān)檢查項目，進行廠內(nèi)本體取樣復(fù)檢合格，經(jīng)超聲波探傷確認(rèn)無缺陷后，方可進行下序加工。

3.2.2.2 轉(zhuǎn)子磁極[2]

磁極采用1.5mm厚鋼板沖制疊壓而成。電機磁極鐵心采用42CrMo芯棒加拉緊螺桿結(jié)構(gòu)，磁極與電機中空軸間的固定采用高強度拉緊螺栓連接式結(jié)構(gòu)。

磁極線圈與磁極極身間墊環(huán)氧酚醛玻璃布板夾適形材料填實，磁極鐵心與磁級線圈裝配為一體，經(jīng)VPI浸漬處理。

3.2.2.3 磁極線圈

磁極線圈用扁銅線制成，并帶有一定數(shù)量的散熱匝，匝間墊好Nomex紙和玻璃坯布后熱壓成一體，磁極線圈與極身間用環(huán)氧玻璃布板夾適形材料填實，確保線圈緊固，磁極線圈上下端墊絕緣托板，磁極線圈與磁軛間用壓縮彈簧，在彈簧較大的預(yù)緊力下固定磁極線圈，可靠地防止運行中由于熱變形、機械沖擊、電磁力矩等因素作用下可能出現(xiàn)的磁極松動現(xiàn)象。

極間撐塊用鍛制鋁合金加工，粗加工后經(jīng)無損探傷檢查合格方可進行精加工。

磁極線圈的引出線通過軸上線夾把合引接到集電環(huán)上。

3.2.2.4 阻尼繞組[3]

考慮到軋機負(fù)載具有的特殊工況，同步電動機阻尼繞組的設(shè)計為全阻尼繞組。其結(jié)構(gòu)為阻尼桿與阻尼環(huán)銀銅焊連接，阻尼環(huán)間通過Ω連接片用螺栓及止動片予以短路，從而形成完整、可靠、兩端閉合的全阻尼形繞組。這種結(jié)構(gòu)分別實現(xiàn)電氣連接和機械固定，結(jié)構(gòu)成熟、連接與固定十分可靠。阻尼繞組通過打洋沖的方法固定在磁極鐵心上，在阻尼繞組的兩端通過銀銅焊將阻尼環(huán)與阻尼繞組連成一體。

3.2.2.5 轉(zhuǎn)子裝配

(1)裝配時，轉(zhuǎn)子磁極螺栓的把合有嚴(yán)格的工藝措施作保證。

(2)阻尼條在運行過程受到三個力的作用：離心力、熱膨脹應(yīng)力、電機運行過程中突然加負(fù)荷的沖擊力作用，因此阻尼條的固定特別重要。阻尼環(huán)間通過柔性聯(lián)接和剛性聯(lián)接，該結(jié)構(gòu)允許阻尼條受熱后軸向自由伸長，且能有效防止電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和頻繁正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向力的作用。

(3)磁極之間用鍛制鋁合金加工的極間撐塊支撐固定。極間撐塊粗加工后進行無損探傷檢查合格后，再進行精加工。撐塊螺栓通過蝶形彈簧組給螺栓施加預(yù)緊力，防止運行中因熱變形、機械沖擊以及電磁作用等可能出現(xiàn)的磁極松動，使電機的整個磁極形成一個整體，阻止線圈的匝間絕緣產(chǎn)生相對位移而使絕緣受到損壞。

磁極線圈的引出線通過軸上線夾把合引接到集電環(huán)上。

(4)轉(zhuǎn)子磁極掛裝后，轉(zhuǎn)子整體經(jīng)精密靜平衡校正。所有轉(zhuǎn)子部件裝配后整體經(jīng)1.2倍最高轉(zhuǎn)速運行考核2min而不產(chǎn)生有害變形。

3.2.3 軸承

3.2.3.1 軸承座由厚鋼板焊接而成，所有焊縫采用CO2氣體保護焊，軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了需承受電動機經(jīng)常正反轉(zhuǎn)、經(jīng)常沖擊過載和可能的非常事故的沖擊。

電機軸承為球面調(diào)心滑動軸承，非傳動端軸承設(shè)有止推裝置(雙向推力)，承受運行時來自軋機側(cè)產(chǎn)生的軸向推力。液壓阻尼軸承的原理就是利用液體的不可壓縮特性來承受軸向推力，液壓阻尼軸承允許軸向單邊竄動量為3mm，而此時推力瓦和推力盤不發(fā)生機械接觸。

為防止軸電流損壞軸瓦，在傳動端加接地電刷，非傳動端軸承絕緣。

軸瓦澆鑄鎢金后進行無損探傷檢查，確保鎢金與瓦坯貼合緊密，內(nèi)外球面精加工后進行研刮修配。

高壓油管技術(shù)要求：(1)油管全部采用銅管或高壓軟管；(2)油管90度及三通采用自制加工件連接；(3)焊接部分使用氬弧焊；(4) 外接軟管用管卡固定；(5) 軸承座內(nèi)高壓油管不與轉(zhuǎn)子的甩油盤碰觸。

電機軸承采取以下防漏油措施(采用國外成熟技術(shù))：(1)軸承座焊后退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，油箱經(jīng)煤油滲漏檢查，加工后再進行煤油滲漏檢查；(2)軸瓦兩端各有一道瓦封，以加強油密封；(3)油封內(nèi)圓設(shè)多道迷宮(金屬片組成)，軸上設(shè)斷油槽，利用迷宮阻力及軸上斷油槽防止漏油(該結(jié)構(gòu)已成功運行多年)；(4)所有把合面涂密封膠；(5)總裝工序進行高壓油頂起試驗，以檢驗軸頂起高度和頂起壓力；(6)軸承上蓋與軸承座間的把合面間設(shè)有回油溝。

3.2.3.2 軸承潤滑

精軋電機機組共5個軸承均采用壓力油帶甩油盤復(fù)合潤滑，并設(shè)高壓油頂裝置，采用高、低壓潤滑油站集中供油潤滑冷卻(高壓油長期工作)。甩油盤的作用是當(dāng)油站出現(xiàn)故障不能正常供油時，在一定時間內(nèi)(20分鐘左右)確保不會因為油站斷油而燒毀軸瓦。

精軋電機機組配置一個稀油潤滑油站(從專業(yè)廠家整體外購)。油站為整體式，上、下輥電機所有軸承及其第五軸承共用一套油站供油。油站的高、低壓泵組為一用一備配置。油站為整體式結(jié)構(gòu)。供油系統(tǒng)設(shè)有壓力、流量顯示與儀表監(jiān)測和自動保護。我公司應(yīng)保證潤滑系統(tǒng)的完整性及與電機配套的可靠性；所有接口至軸承的法蘭止，其余管件由業(yè)主供貨。

油站的具體技術(shù)要求滿足技術(shù)協(xié)議。

3.2.4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

電機采用密閉循環(huán)強迫通風(fēng)冷卻，從冷卻器出來的冷卻空氣由電機整體式風(fēng)罩側(cè)面兩端的進風(fēng)口進入電機，冷卻定子繞組端部后分成兩路，其中一路沿氣隙及轉(zhuǎn)子極間經(jīng)定子鐵心徑向通風(fēng)溝進入定子鐵心背部空腔，另一路經(jīng)轉(zhuǎn)子軛徑向通風(fēng)孔、中空軸的通風(fēng)孔、極間及定子徑向通風(fēng)溝進入定子鐵心背部空腔。冷卻電機后的所有熱空氣，由機座側(cè)面的出風(fēng)口進入冷卻器，冷卻后的空氣又按上述路線循環(huán)。冷卻器從專業(yè)廠家整體外購，屆時向冷卻器廠家提供訂貨圖(圖中含換熱容量、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)阻、接口尺寸等)。

機外設(shè)漏水檢測裝置，一旦出現(xiàn)漏水即可報警。

3.2.5 集電環(huán)及刷架

集電環(huán)/刷架布置在非傳動端，其外殼防護等級IP23。轉(zhuǎn)子繞組引線經(jīng)由轉(zhuǎn)軸表面與滑環(huán)連接。集電環(huán)罩上裝有強迫風(fēng)機(型號為L-06型離心通風(fēng)機)，用以冷卻集電環(huán)和刷架。

3.2.6 中間軸由優(yōu)質(zhì)鋼鍛造而成，兩端均為整鍛法蘭，一端與機械側(cè)接口連接，另一端與下電機法蘭相連。中間軸布置在上電機的正下方，為了便于中間軸的檢修，還專門設(shè)有檢修中間軸的小車。

3.2.7 第五軸承

第五軸承主要用于支撐中間軸的重量，由于其布置于上電機的傳動端軸承的正下方，為便于軸承的維護，第五軸承的軸承上蓋沿徑向分為左右兩半，同時在上電機的傳動端軸承底板的下方設(shè)有檢修第五軸承的移動葫蘆，可以很方便地將第五軸承吊開或翻瓦維護。

3.3 電機試驗[4]

電機按照GB/T 1029《三相同步電動機試驗方法》進行了試驗，各項性能指標(biāo)滿足要求，試驗結(jié)果與協(xié)議值對比見表2。

表2 電機試驗值和協(xié)議值對比表

4 結(jié)語

該電機通過滿足變頻工況大容量同步電動機電磁計算、三段軸連接用螺栓強度及把合磁極用螺栓強度計算、大型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可靠性分析技術(shù)、承受頻繁正反轉(zhuǎn)沖擊和大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子設(shè)計、低轉(zhuǎn)速下集電環(huán)、電刷通風(fēng)散熱技術(shù)、承受大推力滑動軸承及高壓油頂起裝置及配套油站設(shè)計、定子的可靠性設(shè)計、制造和模態(tài)分析(承受頻繁正反轉(zhuǎn)沖擊和變頻器高次諧波及避免低速共振)等關(guān)鍵技術(shù)的實施，并且經(jīng)過公司內(nèi)各項試驗，全面滿足技術(shù)協(xié)議書的要求，現(xiàn)在已經(jīng)在用戶現(xiàn)場穩(wěn)定運行，為我公司后續(xù)開發(fā)該類同步電動機奠定了基礎(chǔ)，將會成為我公司新的經(jīng)濟增長點。