80MW臥式變頻調速同步電動機的研制

王濤，徐立敏，李海鵬

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150000)

0 引言

80MW電機是目前國內設計并生產制造的單機容量最大的臥式凸極變頻調速同步電動機，其驅動的設備為軸流壓縮機。該電機容量大，運行的工作轉速范圍廣，最高轉速速度高，并頻繁啟停機。本文對包括電機的電磁、結構、剛強度計算和通風計算等研制情況分別進行了詳細的介紹。

1 電動機的基本規(guī)格和主要技術要求

額定功率80MW；額定轉速500r/min；額定頻率50Hz；工作轉速100～860r/min；工作頻率10～86Hz；額定電壓11kV；功率因數(shù)1.0；極數(shù)12P；絕緣等級F級；相數(shù)3(同相位的雙繞組)；防護等級IP54(IP23)；冷卻方式IC8A6W7；結構型式IM7315；工作制S10；過載能力1.1倍；有刷勵磁。

變頻系統(tǒng)輸出指標：諧波電流THD≤4%；dV/dt≤3000 V/us；共模電壓(RMS)≤1000V；峰值電壓相對相小于20kV，相對地小于10kV。

要求電機轉動慣量(J)≤80 (t.m2)；Xd″ ≥0.22；臨界轉速≥1032 r/min；最大起吊重量≤150t；非傳動側安裝盤車裝置；對于雙繞組，不管出現(xiàn)何種故障(一套電機繞組損壞或變頻系統(tǒng)雙Y輸出的2組功率單元的一組出現(xiàn)故障)，電機的另一套繞組可以在變頻系統(tǒng)控制下繼續(xù)工作；電機的轉向固定，從電機側向壓縮機看為逆時針旋轉，工作過程中不會要求改變轉向；每次工作需要升降轉速，要求在不同的轉速點上穩(wěn)速運行，根據情況每天可能多次起停操作。

2 電磁設計說明

按給定的基本規(guī)格和主要技術要求，來確定電機的有效部分尺寸、電磁負荷、繞組數(shù)據及性能參數(shù)等。在電磁設計時，針對定子沖片的槽形尺寸、磁極沖片的尺寸、定子繞組的匝數(shù)、磁極繞組的匝數(shù)等相互之間的配合及對參數(shù)的影響，選擇最佳的配合型式以滿足參數(shù)要求。該電機轉子磁極采用均勻氣隙三段弧結構。由于磁極為非常規(guī)結構，傳統(tǒng)的設計公式已不能適用，需采用有限元的方法計算電磁場，分別計算了電動機的極弧系數(shù)，主極磁場系數(shù)，直軸波形系數(shù)，交軸波形系數(shù)，極間漏磁漏磁導，第二氣隙漏磁導，T尾處漏磁導；計算了直軸電抗和超瞬態(tài)直軸電抗。第二氣隙和T尾處磁場分布如圖1所示。

圖1 第二氣隙和T尾處磁場分布

計算結果和參數(shù)均滿足用戶對電機的使用要求，表明電磁方案是合理可行的。

3 結構設計說明

3.1 總體結構

電機為臥式、凸極、有刷、變頻調速同步電動機。主要由定子、轉子、軸承、底板、集電環(huán)室、罩、冷卻通風系統(tǒng)組成，冷卻裝置裝有漏水檢測，進風口設有2只雙支三線制Pt100測溫元件，出風口設有1只雙支三線制Pt100測溫元件，用以檢測電機的進出風溫度。配有兩個球面座式滑動軸承，集電環(huán)、編碼器、盤車裝置等位于軸承外側。電機裝有加熱器，以便電機長時間停放，驅除電機內潮氣。電機軸承上裝有測量軸振的測振探頭。電動機結構圖見圖2。

圖2 電動機結構圖

3.2 定子

定子機座為整體式焊接結構，用機座板、筋板及T型鋼增加機座的剛度，所有焊縫采用CO2氣體保護焊，并經退火和噴砂處理。電機的定子鐵心由多段扇形沖片疊裝而成，通風溝寬度7mm，沖片為50W270冷軋硅鋼片，疊裝時靠沖片外圓和拉緊螺桿孔定位，鐵心兩端用分別焊到整圓機座板和定子壓板上的齒壓片將鐵心壓緊，通過拉緊螺桿軸向把緊。齒壓片內側靠鐵心一面齒部為斜面，可有效防止鐵心齒脹。鐵心兩端為階梯型，可有效減小端部漏磁。齒壓片采用反磁鋼材料，以減小渦流損耗。鐵心裝壓完成后，采用氬弧焊把機座上的T型筋和肋板與每段鐵心背部進行交錯焊接，以承受電機的扭矩。并將定子壓板與機座板進行焊接，以增加定子的剛度和整體性。

定子線圈為整數(shù)槽條式波繞組線圈，采用兩套繞組兩側分別出線的方式，條式線棒分為上下層普通線棒、上下層傳動端引出線棒、上下層非傳動端引出線棒共6個尺寸的線棒。線棒之間，線棒與引出線之間的連接采用銅板或銅母線與線棒銀焊后直接包扎絕緣的連接方式。線圈端部用內、外端箍雙重固定。斜邊間隙用熱脹型玻璃氈墊塞緊，并用定向帶進行綁扎，加熱后，上下膨脹形成一啞鈴狀，使線圈斜邊間的固定非常牢固。為了加強定子繞組鼻部的固定，在線棒上下層內腔處設有軟端箍，軟端箍經VPI浸漬固化后形成一玻璃鋼環(huán)。外端箍和把合到機座上的端箍支架綁扎固定。通過上述的綁扎固定后線圈端部完全滿足電機各種工況下運行要求。

3.3 轉子

轉子主軸材料采用SF590A鍛鋼，中心加工φ120的通孔，用以穿導電桿。磁軛采用高強度厚鋼板，組成多段圓環(huán)熱套到軸上，每段圓環(huán)之間用支柱間隔，通過磁軛上的通風孔和每段圓環(huán)上的導風板，形成若干個轉子極間的徑向風道。在磁軛外側加工T尾槽用以掛裝磁極，磁極通過T尾鍵固定到磁軛上。

磁極采用T尾形式的向心磁極結構，由磁極沖片和磁極壓板疊壓而成，磁極沖片采用熱軋薄鋼板沖制而成，磁極壓板采用高強度合金鋼鍛鋼制成，通過極身處的高強度拉緊螺桿把緊形成一體。極靴采用三段弧形狀，電機采用全阻尼結構，在磁極極靴上緣裝有阻尼條，兩端通過阻尼環(huán)銀焊連接。阻尼環(huán)與磁極壓板通過止口連接，以防止由于離心力過大使其變形。極間阻尼環(huán)采用連接片連接，連接處通過固定在磁軛上的高強度拉桿將其拉住，以承擔阻尼環(huán)伸出部分及連接件的離心力。

磁極線圈為四角焊接結構，有普通匝和散熱匝，散熱匝可以提高轉子繞組的散熱能力和降低轉子溫升。磁極線圈焊接完成后使用胎具使其壓制成向心的形狀。線圈匝間用上膠紙做為絕緣。線圈對地絕緣采用絕緣紙圍包磁極鐵心，邊包邊刷YQ膠。線圈和托板與磁極鐵心之間的縫隙用預浸滌綸氈和環(huán)氧玻璃布板塞滿，加熱固化后，使磁極線圈、磁極鐵心和磁極托板成為一體，有效地提高了轉子部分的電氣和機械性能。

轉子的尾部安裝套軸式的測速編碼器以及盤車用的電動盤車裝置。

3.4 軸承

軸承為動靜壓座式滑動軸承。主要有軸承座、徑向軸瓦、高壓進油管路、低壓進油管路、回油管路、端蓋密封、測溫裝置、調整墊片等組成。需配置高低壓供油裝置，低壓供油系統(tǒng)保證軸承在工作轉速范圍內能形成安全的油膜，高壓供油系統(tǒng)能夠保證在轉速變化過程中及啟停機狀態(tài)下，軸與軸瓦之間處于液體摩擦狀態(tài)，從而避免重載工況下的軸瓦磨損。根據軸徑和載荷數(shù)據，選擇軸瓦寬度、寬徑比，根據比載荷及最高線速度選擇潤滑油粘度等級ISO VG46。軸承座對徑向軸瓦采用球面支撐，使軸承具有良好的穩(wěn)定性和自動調心功能。軸承座采用鋼板焊接結構，能充分保證軸承結構的強度和剛度；軸瓦由本體和合金構成，本體材質ZG230-450，合金材質ZSnSb11Cu6。軸承帶調整墊片，方便調節(jié)軸承中心高；軸承座底板設絕緣墊片，高低壓油管路、回油管路采用法蘭連接并設絕緣。軸承設置有溫度測量元件Pt100鉑熱電阻，可以靈敏地顯示軸瓦的溫度變化，為實現(xiàn)遠程監(jiān)控提供條件，保障電機安全運行。

計算結果顯示，在100r/min、500r/min、860r/min三種轉速下軸承最小油膜厚度0.04mm，大于最小許用油膜厚度0.016mm(根據ISO 7902)，所以在此轉速下的軸承完全能夠形成動壓油膜。

3.5 底板、上罩、集電環(huán)室、高壓油泵裝置

底板由鋼板拼焊而成后加工，為方便加工和運輸，由4塊底板通過螺栓把合而成一整塊底板。上罩通過鋼板和槽鋼、角鋼等焊接而成，其上部開有進出風口，通過粘接在罩上的密封條與機座密封，將電機分為兩個進風室和一個出風室。集電環(huán)室由鋼板和角鋼焊接而成，用于防護集電環(huán)，上部接有冷卻風機，用于集電環(huán)部分的冷卻。高壓油泵裝置把合到近軸承的底板處，每個軸承供高壓油的高壓油泵一用一備，抽取低壓供油管路上的油來提供給電機軸承高壓油。

4 剛強度計算說明

通過有限元建模計算，部分剛強度計算數(shù)據如下：機座軸向振動頻率為21.9Hz，避開了電機轉頻14.3Hz的20%以上，在2倍電頻20～172Hz范圍內沒有發(fā)現(xiàn)鐵心12瓣的振型；電機短路工況下的機座的最大應力出現(xiàn)在機座的筋板處，為172MPa，短路工況時機座的最大切向變形為0.097mm；齒壓片的最大應力為109MPa，焊縫最大應力為30MPa，軸向最大位移為0.23mm。所有計算結果均滿足要求且有足夠余量。定子機座有限元模型見圖3。

臨界轉速的計算使用西屋公司軸系臨界轉速計算程序PROD127，一階臨界轉速為1375rpm，高于超速轉速1032rpm的33%，符合設計要求。

磁極沖片的最大應力為445MPa，位于沖片的T尾圓角處；磁極沖片的最大徑向變形為0.73mm；磁軛板的最大應力為461MPa，位于沖片的T尾圓角處；阻尼環(huán)的最大應力為100MPa，位于最外側阻尼條連接處；阻尼環(huán)拉桿的最大應力為339MPa，位于拉緊螺桿變徑圓角處。所有計算結果均滿足要求且有足夠余量。磁極鐵心端部的有限元模型見圖4。

圖4 磁極鐵心端部的有限元模型

5 通風計算

電動機采用雙路徑向帶風機強迫通風結構，冷卻空氣由風機吹入轉子磁軛入口、極間和氣隙，同時與轉子磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用共同驅使空氣流過轉子磁軛，磁軛風溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新由風機吹出，構成密閉循環(huán)通風系統(tǒng)。

應用FLOWMASTER軟件進行計算分析。通風計算結果總風量Q=49.67m3/s(100r/min時)，通風損耗約為12.2kW；總風量Q=53.9m3/s(500r/min時)；通風損耗約為329kW；總風量Q=60.91m3/s(860r/min時)，通風損耗約為918kW。

6 結語

在設計與計算大容量臥式凸極變頻調速同步電動機中需要特別考慮電磁、各工況下定轉子的剛強度、電機各部分結構的合理設計和通風等問題，確保電機的安全穩(wěn)定運行。通過對此電機的研制，并借鑒了立式水輪發(fā)電機的部分設計經驗，成功完成了電機的設計和計算工作，熟悉并掌握了此類電機的設計和分析計算方法，為同類型電機的設計提供了一些有益的參考。