寶鋼國產(chǎn)化直流電動機的設(shè)計特點

張 鵬

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

對一般精軋機電機來說，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，因此直接采用無特殊設(shè)計及工藝要求的直流電機即可。但對卷取機及開卷機用直流電機來說，其調(diào)速比則需要達到3～3.5倍左右。對于軋制寬帶及薄板而言，電機功率一般均在2×1 500 kW到2×2 500 kW之間(2臺串聯(lián)運行)，且須實行恒張力控制，故電機的制造難度非常大。由于電機體積較大，電機表面線速度較高，調(diào)速比大，由此帶來電機電抗電勢增大、弱磁調(diào)速困難，因而常規(guī)設(shè)計的電機在高速區(qū)域運行時換向火花就會增大甚至容易出現(xiàn)拉弧及環(huán)火，這樣的大型直流電機已遠遠不能適應(yīng)這種運行工況的要求，而只能采用特殊設(shè)計，本項目電機功率達到1 725 kW，調(diào)速比達到了3.1倍，而且電機結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計難度很大。

1 電機工況簡介

本項目電機為寶鋼廠要求我公司設(shè)計的進口電機的備機，該電機體積比我們制造的普通電機小一個機座號，型號如下:電機功率，1 500 kW;轉(zhuǎn)速，290～900 r/min;電壓，938 V。

并且要求滿足1.15倍額定電流長期過載，此時對應(yīng)電機型號如下:電機功率，1 725 kW;轉(zhuǎn)速，290～900 r/min;電壓，954 V。

2 與我公司普通電機對比

表1 同類產(chǎn)品對比

從表1分析，得出以下結(jié)論:

1)本項目電機的轉(zhuǎn)動慣量(J)小，因此傳動指標(biāo)(J/M)比我公司普通電機提高28%，這一指標(biāo)說明了本項目電機具有快速反應(yīng)性。

(3)電機技術(shù)難度指標(biāo)用功率×速比×最高轉(zhuǎn)速(PN·i·nmax)來表達，它表示電機先進性的綜合指標(biāo)。本項目電機有較高的指標(biāo)，從而證實了其先進性。

3 電機的電磁方案特點

表2 電滋參數(shù)

當(dāng)電機在1 725 kW(1.15倍額定負載)功率下運行時，其熱負荷達到5 998/9 051/8 066，普通電機的熱參數(shù)通?？刂圃? 000以下，由于本電機熱參數(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)。從而使本項目電機功率密度較高，具備了較高的技術(shù)先進性。

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

4 提升電機出力措施

4.1 改善通風(fēng)、散熱設(shè)計

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的積累，我們一般認(rèn)為電樞熱負荷(AΔa)應(yīng)在4 000以下是合適的。本電機的發(fā)熱參數(shù)大幅度提高，遠超過溫升的經(jīng)驗數(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，是電機繞組額定溫升不超過溫升限值和電機長期安全運行的根本保障，設(shè)計過程中主要采取了如下的特殊設(shè)計。

1)電樞線圈采用變截面技術(shù)，見圖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)線這一特點適當(dāng)將電樞線圈直線部分電流密度，設(shè)計得比端部的高，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，從而達到改善換向，提高調(diào)速比的目的。

圖1 變截面線圈圖

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

圖2 電機風(fēng)路圖

4.2 改善換向性能

本電機為高熱負荷、高調(diào)速比的直流電機，電機的換向參數(shù)較高，必須采取有力措施改善換向性能。在設(shè)計過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緯帶打箍緊固。

電抗電勢er是電機換向性能的一個重要指標(biāo)。根據(jù)我公司經(jīng)驗，在普通電機過載時，er控制在12 V以下。本電機分別采用槽楔固定和無緯帶固定分別進行電磁計算，采用無緯帶固定的方案A，電機高速過載時er=12.5 V，而采用槽楔固定方案B，電機高速過載時er=14.9 V，對比以上數(shù)據(jù)，方案A與方案B比，電機高速過載時電抗電勢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)，電抗電勢已經(jīng)超出極限值24%。

5 無緯帶綁扎計算與分析

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

無緯帶強度計算按照我公司編制的大中型交直流機械計算公式，本電機鐵心檔打箍厚度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，考慮到電機運行安全性，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)子間隙計算值為6 mm，轉(zhuǎn)子鐵心檔無緯帶厚度為3 mm，所以極限情況時，無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)子不會發(fā)生相擦。

6 電機試驗

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

7 結(jié)語

通過綜合利用設(shè)計經(jīng)驗和工藝技術(shù)，使該臺電機的安裝尺寸和技術(shù)要求都達到了用戶要求。目前電機已經(jīng)在寶鋼正式運行，各項性能達到了與進口電機相同的技術(shù)指標(biāo)，完全能夠替代進口電機使用。