YKS800-2 10 kV 4 000 kW大型高壓電動機的研究與設(shè)計

李培德，李賢明，張福東，王 松，林洪濤，劉文超，陳 鯤

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南 250100)

0 引言

近年來，經(jīng)過深入的研究和創(chuàng)新設(shè)計，我們已經(jīng)解決了電動機的振動和軸承漏油問題，開發(fā)試制出了顧客滿意的優(yōu)良的產(chǎn)品。

1 電磁設(shè)計

1.1 基本技術(shù)參數(shù)

額定功率:4 000 kW 額定電壓:10 kV

額定轉(zhuǎn)速:2 992 r/min 額定頻率:50 Hz

額定電流:263 A 極 數(shù):2

相 數(shù):3 定子接法:Y

絕緣等級:F級 結(jié)構(gòu)形式:IMB3

防護等級:IP54 定額類型:S1

效 率:96.8% 功率因數(shù):0.90

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù):2.67 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù):0.84

堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù):6.74 冷卻方式:IC81W

1.2 設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)

定子槽數(shù):48，外徑:1 300 mm，內(nèi)徑:640 mm，凈鐵心長:682 mm，定子通風(fēng)道數(shù):20(寬6);

轉(zhuǎn)子槽數(shù):40，氣隙:5.5 mm，內(nèi)徑:340 mm，凈鐵心長:682 mm，轉(zhuǎn)子通風(fēng)道數(shù):10(寬12)，端環(huán)截面面積:40×100。

2 鐵心及風(fēng)路設(shè)計

該型號的電機由于采用水冷結(jié)構(gòu)，密封較好，噪聲一般不會超標(biāo)，重點應(yīng)該考慮的是在保證電機效率的前提下，采用合理的內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)和大小適中的風(fēng)扇。

電磁計算程序計算結(jié)果顯示，風(fēng)道是否對齊對該型號電機的性能幾乎沒有影響。根據(jù)西屋公司的研究結(jié)果，轉(zhuǎn)子風(fēng)道寬12 mm，定子風(fēng)道寬6 mm，風(fēng)道之間寬窄兩種疊片厚度間隔排列，由于定子風(fēng)道數(shù)增加導(dǎo)致散熱面積增加，加上采用風(fēng)道不對齊結(jié)構(gòu)，可以有效地降低通風(fēng)噪聲和定子溫升，見圖1。

圖1 定轉(zhuǎn)子鐵心風(fēng)道排列

有的資料上建議大型箱式結(jié)構(gòu)電動機特別是低速電機采用軸向通風(fēng)比較好，認為軸向通風(fēng)可以在電機一端采用足夠大的離心風(fēng)扇，以增加通風(fēng)量。我們認為軸向通風(fēng)風(fēng)路長，風(fēng)阻大，如果采用徑向通風(fēng)相當(dāng)于把同樣長的風(fēng)路掐斷后并聯(lián)。風(fēng)路變短，通風(fēng)面積成倍增大，再把電機一端的大風(fēng)扇改成兩個小風(fēng)扇裝在電機兩端，避免了窩風(fēng)，通風(fēng)效果大大改觀。由于該電機是2極高轉(zhuǎn)速電機，電機兩端的風(fēng)扇設(shè)計成鋼板焊接結(jié)構(gòu)的軸流風(fēng)扇，實踐證明:如果將風(fēng)扇設(shè)計成后傾式離心風(fēng)扇，電機反方向旋轉(zhuǎn)時對冷卻效果的影響不大。

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

如果轉(zhuǎn)子在運行過程中有易松動件，勢必引起電機振動，高速電機尤其嚴(yán)重。應(yīng)該引起高度重視。

由于離心力的作用，電機高速旋轉(zhuǎn)時可能引起轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在槽內(nèi)松動，因此設(shè)計時在槽底增加了楔鍵槽，穿入導(dǎo)條后打入楔鍵楔緊并在兩端焊死。

軸由一整根35CrMo鍛鋼加工而成，轉(zhuǎn)子鐵心和軸之間采用過盈30絲配合加25 mm寬的鍵的連接方式，既避免了純過盈配合時對鐵心的過度加熱，降低了加熱溫度，又防止了純鍵連接的易松動現(xiàn)象。工藝性和可靠性都很好。

端環(huán)為鍛紫銅材料，計算證明電機高速旋轉(zhuǎn)時離心力將導(dǎo)致端環(huán)發(fā)生變形，因此在端環(huán)外面加裝了護環(huán)，護環(huán)材料為50Mn18Cr5。護環(huán)外端加裝平衡環(huán)，平衡環(huán)熱套在軸上用以防止互環(huán)發(fā)生軸向位移，裝配時護環(huán)和平衡環(huán)之間留有1 mm的間隙作為導(dǎo)條受熱時的伸縮空間;平衡環(huán)上開有環(huán)狀通風(fēng)孔，以保證足夠的軸向風(fēng)量，轉(zhuǎn)子沖片和轉(zhuǎn)子壓圈都留有軸向通風(fēng)孔。見圖2。

圖2 端環(huán)固定結(jié)構(gòu)

另外，為了保證壓指有足夠的壓力并避免壓指松動，轉(zhuǎn)子壓圈采用整塊鋼板(16Mn)線切割而成，周邊帶壓指結(jié)構(gòu)。

4 端蓋防漏油結(jié)構(gòu)設(shè)計

該電機采用的是端蓋式滑動軸承:DQY18-200B/BJ端蓋式滑動軸承，復(fù)合潤滑。雖然軸承本身有兩道密封結(jié)構(gòu)，但是，面對大功率兩極高速電機內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的負壓，電機運行時會不斷有油霧被吸到電機內(nèi)部，即所謂的軸承漏油。軸承漏油對電機本身特別是電機絕緣不會產(chǎn)生有害的影響，但清理起來非常麻煩，會造成潤滑油不必要的浪費和環(huán)境污染，為此，該電機在端蓋的外側(cè)上方增加了一道扇形百葉窗蓋板，在端蓋內(nèi)側(cè)增加了一道分半式漏斗形擋風(fēng)扳，見圖3。這樣，擋風(fēng)扳3就將軸承1和負壓區(qū)隔離開來，擋風(fēng)扳3內(nèi)側(cè)的負壓可以將外側(cè)的空氣通過擋風(fēng)扳3和軸之間的很小間隙吸到電機內(nèi)部，擋風(fēng)扳3外側(cè)的空氣又和百葉窗外面的空氣相通，大大減小了電機內(nèi)部負壓對軸承內(nèi)潤滑油的吸力，擋風(fēng)扳3內(nèi)圓車環(huán)形密封槽和軸之間留有間隙，加上其它密封措施防護等級可以達到IP54?；旧峡梢员苊庥挽F進入到電機內(nèi)部。

圖3 防漏油端蓋結(jié)構(gòu)

5 機座結(jié)構(gòu)設(shè)計

為避免因機座剛度不夠引起的電機振動，在機座的側(cè)板和底板上焊接“井”字形分布的加強筋，軸向在四個角上焊接4根直徑φ120 mm鋼管，機座軸向包括端板在內(nèi)共分布了7個環(huán)筋板，其中兩個用來固定檔風(fēng)板的厚度為12 mm，其余5個厚度為45 mm，鐵心中部的環(huán)筋板也可以采用20 mm厚的。側(cè)板和底板的兩端中間開口，用以安裝圖3中的擋風(fēng)板3。

6 安裝調(diào)試與試驗

該3臺電機的試制過程非常順利，只是由于電機轉(zhuǎn)速高，功率大，動平衡要求較高，很小的不平衡量就會導(dǎo)致電機振動，電動機實驗站借用了我公司汽輪發(fā)電機專用的八通道平衡儀經(jīng)過15天的認真調(diào)試才解決了振動問題。

7 結(jié)論與探討

型式試驗表明:該電機的溫升70 K，噪聲、額定電流、效率、功率因數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計值一致并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，軸承基本不存在漏油現(xiàn)象，說明各項設(shè)計數(shù)據(jù)和技術(shù)措施是很成功和有效的。電機外形圖見圖4。

另外，定子鐵心分成20個6 mm寬的通風(fēng)道，雖然通風(fēng)面積增加了噪聲變小，但是風(fēng)阻變大了，冷卻效果改善應(yīng)該不會太明顯，對于水冷式封閉電機降低噪聲的效果也不是很明顯。完全可以定轉(zhuǎn)子都采用10個10 mm寬的通風(fēng)道，不對齊分布。

2極高速電機也可以采用后傾式離心風(fēng)扇，這樣電機反轉(zhuǎn)時對冷卻效果的影響不大。

圖4 電機外形軸伸端視圖