輸油管線用電動機主要設計特點

袁登攀

(1.上海交通大學，上海 200240;2.上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著國內(nèi)輸油管線泵機組所需電動機容量不斷提升，要求電動機的功率已增加至2500 kW，極數(shù)為2極，封閉式異步電動機。輸油管線通常地處偏僻的荒郊野外，壓力循環(huán)油和循環(huán)水很難提供。因此，要求電動機潤滑方式為滑動軸承自潤滑是此類電動機的主要特點，可以節(jié)省油站及其配套的控制、防爆等方面的要求，冷卻方式為空－空冷。為滿足軸承自潤滑要求，可以采用特殊設計的軸承。但這樣既增加了成本，又要求較長的交貨期，這對于目前輸油管線用電動機僅有3個月的交貨期，以及非常低的價格成本是不相符合的。因此，下面主要是講述在使用標準軸承的前提下，為滿足軸承自潤滑要求，結(jié)合普通強迫潤滑電動機的設計、制造經(jīng)驗，經(jīng)過計算分析，對2500 kW高速自潤滑電動機實施方案所提出的幾個措施。

1 轉(zhuǎn)子設計

軸承的溫升與軸承產(chǎn)生的摩擦損耗成正比關系，其中軸承摩擦損耗與軸頸載荷成正比關系。同一軸承結(jié)構(gòu)在相同的轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)子越重，軸承檔載荷越重，旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦損耗將越多，會有更多的熱量需要軸承依靠自身散熱結(jié)構(gòu)冷卻，這會給軸承冷卻帶來很大困難。為滿足軸承自潤滑的要求，降低轉(zhuǎn)子重量，減少摩擦損耗，是滿足軸承自潤滑的重要措施之一。例如，普通H500－2電動機轉(zhuǎn)子沖片三圓尺寸為φ515/505/280。根據(jù)電磁計算結(jié)果，轉(zhuǎn)子較重，摩擦損耗較大，無法滿足自潤滑要求。為了降低轉(zhuǎn)子重量，在普通方案基礎上縮小定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑，擬定三圓尺寸為φ455/445/240，轉(zhuǎn)子采用撓性設計。經(jīng)計算，鐵心長度相同，轉(zhuǎn)子較輕，可以滿足自潤滑要求。兩種方案對比見表1。

表1 兩種方案轉(zhuǎn)子重和單邊磁拉力對比 kg

特殊設計的方案，增加了定子軛部高度。因此，定子槽型可以設計為深槽結(jié)構(gòu)，相同鐵心長度情況下，電動機功率也可以到2500 kW。另外，因轉(zhuǎn)子比普通轉(zhuǎn)子細，撓度會增加，可以適當增大氣隙以降低撓度與氣隙的比值，經(jīng)計算撓度小于氣隙值的4%，滿足要求。

2 內(nèi)部風路設計

兩端軸承內(nèi)部均與電動機內(nèi)風路循環(huán)風直接接觸。若電動機內(nèi)部直接與軸承接觸的是冷風而不是熱風，將對軸承自潤滑有很大好處。因此，內(nèi)部設計采用對稱雙循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，由冷卻器進入機座內(nèi)的冷風正好吹至軸承內(nèi)測，有利于降低軸承溫度，見圖1。內(nèi)風路若為單循環(huán)混合通風，將會有一端軸承內(nèi)側(cè)直接與熱風相接觸，對軸承散熱不利。此外，軸承內(nèi)側(cè)增加一道擋油圈，既可以減少風扇后端負壓造成軸承油霧進入電機里面，又可以減少內(nèi)部風溫對軸承溫度的影響。

圖1 電動機冷卻風路圖

3 冷卻器設計

3.1 冷卻管設計

自潤滑電動機為了滿足軸承自潤滑要求，通常會將轉(zhuǎn)子設計得較輕。因此，轉(zhuǎn)子部分無論是導條或是鐵心，熱負荷參數(shù)會取得較高，并且要求由冷卻器回到電動機的冷風溫度盡可能低。這就要求冷卻器有比較好的散熱能力。其中一種方式為改變冷卻管結(jié)構(gòu)，如:采用橢圓管，既可以增加冷卻面積，又可以降低風阻，有利于冷卻，見圖2。

3.2 外部冷卻風路設計

對空空冷卻的電動機，最高環(huán)境溫度按40℃考慮。通常情況下，內(nèi)風路冷卻風經(jīng)冷卻器后進入電動機的冷風溫度不允許超過60℃，那么外風路冷卻風最高溫度約為50℃。對大容量高轉(zhuǎn)速自潤滑電動機而言，軸瓦溫度往往會升高至八十多度(注:報警90℃，停機95℃)。考慮到軸瓦與軸承座之間的溫差約10℃，因此，將外風路冷卻風引致軸伸端用于冷卻軸伸端軸承，可以增加此處空氣流動，對軸承冷卻有較大好處，見圖1。

圖2 冷卻管形狀對比

4 軸承及潤滑油選擇

4.1 軸承結(jié)構(gòu)選擇

通常端蓋式滑動軸承分兩種型式，法蘭偏置式(圖3)和法蘭居中式(圖4)。對于相同規(guī)格的滑動軸承而言，法蘭偏置式軸承整個油室都在電動機外部，潤滑油的熱量直接通過軸承座表面散熱筋將熱量傳遞出去，而法蘭居中式滑動軸承油室有一半在電機外部，另一半在電動機內(nèi)部，電動機內(nèi)部溫度相對較高，不利于軸承散熱。此外，對于同一軸承座號的兩種軸承而言，法蘭偏置式外部散熱表面積大，如11號瓦座軸承，法蘭偏置式比法蘭居中式軸承座外露部分體積大，對比值見表2，較大的儲油體積和散熱面積將有利于軸承散熱。法蘭偏置式軸承油室較大，并且外部冷卻散熱筋較多，對自潤滑軸承靠內(nèi)部油環(huán)帶動油冷卻轉(zhuǎn)軸和軸承的電動機而言，選擇法蘭偏置式軸承散熱效果將優(yōu)于法蘭居中式軸承。

圖3 法蘭偏置式滑動軸承

表2 法蘭偏置式和法蘭居中式軸承油室尺寸對比 mm

4.2 潤滑油的選擇

在可以形成油膜的情況下，軸承摩擦損耗與潤滑油粘度成正比例關系。通常情況下，滑動軸承結(jié)構(gòu)2極電動機，壓力油供油情況下，經(jīng)常采用32號汽輪機油。潤滑油的牌號越高，運動粘度將越大，對高轉(zhuǎn)速軸承而言，在轉(zhuǎn)軸和軸承間會產(chǎn)生較大的摩擦損耗。對2500 kW自潤滑2極電動機而言，選擇22號汽輪機油，將會減少軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的損耗，進而降低軸承溫度。經(jīng)過計算，在兩種潤滑油潤滑的情況下，軸承溫度值相差近4℃，見表3。

表3 軸瓦溫度計算值對比 ℃

4.3 絕緣結(jié)構(gòu)選擇

對于采用壓力油循環(huán)供油的電動機而言，軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量直接由外部循環(huán)油帶走。在軸承座與軸瓦之間增加一層0.5 mm厚聚四氟乙烯絕緣層，對軸承溫度影響較小，通常在2～3℃。但對于自潤滑軸承而言，如果增加一層絕緣，將直接影響軸瓦和軸承座間熱量傳遞，對軸承散熱有很大影響。如上例中2500 kW電動機，經(jīng)計算，軸承若采用絕緣軸承將無法滿足自潤滑要求。如果是變頻器供電或是電動機需采取防止軸電流措施，可以在端蓋處采取絕緣措施。

4.4 軸承檔加工精度要求

軸承所產(chǎn)生的熱量主要是由軸旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦損耗。對于壓力油循環(huán)冷卻的軸承，軸承檔表面粗糙度通常在0.63～0.8之間均可滿足要求。但對自潤滑軸承軸承檔表面粗糙度應達到0.4，較高的加工精度可以減少軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦損耗，降低軸承溫度。

5 結(jié)語

隨著輸油管線項目的國產(chǎn)化，對此類高轉(zhuǎn)速自潤滑電動機的需求將越來越多。根據(jù)日常電機設計經(jīng)驗，分析了滿足高速自潤滑軸承要求的幾種設計要點，希望對有設計此類要求電動機的設計提供一些經(jīng)驗。