關(guān)于中型兩極異步電機的一些設(shè)計問題

哈爾濱電氣動力裝備有限公司 盛志偉

1.概述

對于大中型兩極異步電機的設(shè)計和制造，普遍存在振動超標、滑動軸承漏油等問題，如何妥善地解決以上問題，一直困擾著電機設(shè)計及制造人員。

我公司自成立以來，研制Y系列兩極異步電動機已有50多年歷史，至今已經(jīng)生產(chǎn)了上千臺兩極電機，產(chǎn)品覆蓋了從H355~H1000所有中心高，解決了兩極電機制造中普遍存在的電機振動超標、滑動軸承漏油等問題，積累了大量的設(shè)計及制造經(jīng)驗。本文介紹并討論中心高為H355~H630中型兩極異步電機的成功設(shè)計經(jīng)驗及提出尚存的一些設(shè)計問題供大家討論，共同提高。

2.一些成功的設(shè)計經(jīng)驗

2.1 采用減少諧波影響的散布繞組。定子繞組采用散布繞組的接線方式來減少5、7……等奇次諧波對電機起動性能的影響。

2.2 防止滑動軸承漏油的螺旋密封結(jié)構(gòu)。在軸承氣封蓋的軸檔上增加螺紋密封并在氣封蓋內(nèi)側(cè)加密封擋環(huán)，能有效的防止軸流風(fēng)扇引起的負壓效應(yīng)，解決了軸承漏油問題。

2.3 限制軸向竄動的定位軸承。對傳動端滑動軸承采用定位軸承結(jié)構(gòu)，防止電機因軸向竄動引起軸瓦端面磨損和過熱。特別適合于電機和機械之間不采用軸向限位聯(lián)軸器或用戶在機械上有止推軸承，要求電機本身能限位時，采用定位軸承使安裝電機變得簡單，但同時也增加了電機出廠前需要調(diào)節(jié)磁中心和本體動平衡的難度。

2.4 采用使電機發(fā)熱溫度均勻的對稱通風(fēng)系統(tǒng)。采用對稱的徑向通風(fēng)系統(tǒng)，由兩端的軸流風(fēng)扇將冷卻空氣分二路進入電機，一路進入氣隙后從兩端的定子徑向通風(fēng)道排出。另一路進入轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔并經(jīng)轉(zhuǎn)子中間的徑向通風(fēng)道、氣隙再進到定子通風(fēng)道排出。這種通風(fēng)系統(tǒng)使電機發(fā)熱均勻，轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔可以采用小直徑，解決了轉(zhuǎn)子沖片的強度問題。

關(guān)于定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的數(shù)量和排列，根據(jù)各部分損耗、氣隙和軸向通風(fēng)孔的面積計算確定。轉(zhuǎn)子通風(fēng)道和定子通風(fēng)道采用錯開設(shè)計，可以降低通風(fēng)噪聲，并有利于調(diào)整軸向磁中心。

2.5 限制油量過大的節(jié)流孔。滑動軸承采用復(fù)合潤滑，外循環(huán)油通過進油管上設(shè)置的節(jié)流孔進入軸承。節(jié)流孔的直徑根據(jù)供油壓力為0.08~0.1MPa時軸承所需的循環(huán)油量確定，保證在用戶給定油壓的情況下，不會使供油量過大，造成軸承回油不暢而引起漏油。（因一般用戶只有油壓表而無流量表）

表2 軸與轉(zhuǎn)子沖片配合尺寸調(diào)整后軸的一階臨界計算轉(zhuǎn)速對比

2.6 提高軸承運行的可靠性。允許短時停供循環(huán)油的復(fù)合潤滑，為了采用帶油環(huán)的復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)，軸頸尺寸限制在Φ125mm以內(nèi)，以保證油環(huán)能穩(wěn)定工作。

2.7 剛性軸設(shè)計。如果轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速接近或低于3000r/min，則電機在運行或起動過程中就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，所以在設(shè)計兩級電機時，為便于避開共振點，要盡量將轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計在3000r/min以上，即采用剛性軸。

3.設(shè)計上需改進、完善的地方

我公司已經(jīng)生產(chǎn)了上千臺各個規(guī)格的兩極電機，在制造過程中逐步改進設(shè)計，產(chǎn)品質(zhì)量也越來越好，但仍然還有不足之處，還需進一步完善，目前主要有以下幾點。

3.1 臨界轉(zhuǎn)速的計算

在電機設(shè)計階段，為確保電機轉(zhuǎn)軸屬于剛性轉(zhuǎn)子，要求轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計算值在3600r/min以上。現(xiàn)在采用的計算方法主要有估算法和軟件分析法。

估算法就是主要是采用電指機械計算基本部分中的解析方法，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子各段尺寸，通過表格解析方法近似地計算出轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速。由于此方法沒有考慮熱套沖片對轉(zhuǎn)子剛度的提高，軸承座剛度及軸承油膜剛度對降低轉(zhuǎn)子剛度的影響，因此計算誤差較大，一階臨界計算結(jié)果要求在3600r/min以上。

解析法就是采用計算機軟件進行轉(zhuǎn)子建模，然后將相關(guān)邊界條件如軸承座剛度，油膜剛度等參數(shù)輸入后進行分析計算，采用此方法計算結(jié)果比較準確，計算裕量可以低一些。不過需要專業(yè)的計算人員進行計算，對于新產(chǎn)品建議采用解析法。

3.2 實心軸在交變磁通作用下磁通的透入深度

H630中心高及以下的兩極電機均采用實心軸。為了滿足剛性軸的設(shè)計，軸的尺寸偏大，這樣轉(zhuǎn)子軛部磁密升高，但在電磁計算時考慮了實心軸參與轉(zhuǎn)子軛部導(dǎo)磁的作用，因此計算值在合理范圍內(nèi)。經(jīng)驗證，這在電機正常運行工況時是正確的，但電機在堵轉(zhuǎn)或起動時，轉(zhuǎn)子磁通的變化頻率等于電源頻率，軸處在交變磁場中，相當于一個實心轉(zhuǎn)子電機。高頻磁通的作用只能透入到軸的表層，此時軸已經(jīng)不能像低頻時那樣起到導(dǎo)磁作用，因而使軛部磁密急劇升高，磁路高度飽和、激磁電流大大增加，其結(jié)果使起動電流變大。這一現(xiàn)象在我公司一臺2700kW 10kV的兩極電機中表現(xiàn)得十分明顯，據(jù)用戶反映，電機起動電流達到10倍以上，而起動電流計算值只有6倍。

3.3 降低轉(zhuǎn)子沖片軛部磁密

解決轉(zhuǎn)子鐵心軛部磁路飽和的有效辦法是將沖片內(nèi)徑縮小，軸配合直徑變細，降低轉(zhuǎn)子軛部磁密。但是這樣會降低軸的臨界轉(zhuǎn)速，如何即保證轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速大于3600r/min而又保證軛部磁密在合理范圍內(nèi)呢？根據(jù)汽輪發(fā)電機設(shè)計的經(jīng)驗，熱套轉(zhuǎn)子可以提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，具體體現(xiàn)在熱套后，轉(zhuǎn)子鐵心段的慣性矩增加了，數(shù)值為以轉(zhuǎn)子沖片槽底為外徑，以轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)圓為內(nèi)徑圓柱體的彎曲慣性矩的一半。計算方法如下：

式中：

J1——熱套后增加的慣性矩

D1——轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑

D2——轉(zhuǎn)子沖片槽底節(jié)圓直徑

n——轉(zhuǎn)子沖片軛部通風(fēng)孔數(shù)量

d——轉(zhuǎn)子軛部通風(fēng)孔直徑

DR——轉(zhuǎn)子軛部通風(fēng)孔分布節(jié)圓直徑

按以上方法，對H450-H630中心高兩極電機轉(zhuǎn)子軸與鐵心配合直徑進行調(diào)整，然后分別按不考慮和考慮熱套轉(zhuǎn)子影響對臨界轉(zhuǎn)速進行計算，具體數(shù)據(jù)如表2。

從表2中可見，在疊加一半轉(zhuǎn)子鐵心軛部慣性矩后，軸的一階臨界轉(zhuǎn)速均遠遠大于3600r/min，有很大的裕度，即使考慮到軸承座剛度和油膜剛度的影響，也仍然是剛性軸。

由此可見，采用縮小沖片與軸配合直徑的辦法來降低軛部磁密的做法是可取的。

4.結(jié)語

本文僅是根據(jù)我公司對于兩極異步電機的設(shè)計及制造經(jīng)驗進行的敘述及討論。如何更好地完善兩極電機的設(shè)計問題，我公司還在摸索之中，希望得到大家的評判及指導(dǎo)。

[1]許實章.電機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

[2]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[3]湯蘊璆,史乃.電機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[4]國家機械委哈爾濱大電機研究[Z].美國西屋公司大中型電機技術(shù)資料譯文集,1987.

[5]電指(DZ)21-63大型電機機械計算公式[C].哈爾濱大電機研究所,1963.