水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的研制

姜輝，滕強(qiáng)，張春紅

(大連日牽電機(jī)有限公司，遼寧大連116036)

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水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的研制

姜輝，滕強(qiáng)，張春紅

(大連日牽電機(jī)有限公司，遼寧大連116036)

摘要地下電動(dòng)輪鉸卡車(chē)用發(fā)電機(jī)安裝空間受限，運(yùn)行環(huán)境惡劣，防護(hù)等級(jí)需求高，這要求開(kāi)發(fā)出較傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)功率密度更高且可靠性更好的產(chǎn)品?，F(xiàn)從電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面介紹了電動(dòng)輪鉸卡車(chē)用水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞水套冷；無(wú)刷勵(lì)磁；同步發(fā)電機(jī)；電磁；結(jié)構(gòu)

0引言

自從世界上第一臺(tái)礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展和不斷完善，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)并投入應(yīng)用了多種規(guī)格型號(hào)、結(jié)構(gòu)形式的車(chē)型。在千萬(wàn)噸級(jí)大型露天礦山的運(yùn)輸設(shè)備中，礦用電動(dòng)輪已占據(jù)近2/3的市場(chǎng)[1]。承擔(dān)著世界上40%的煤，90%的鐵礦的開(kāi)采運(yùn)輸量[2]。

作為電動(dòng)輪自卸車(chē)的關(guān)鍵部件同步發(fā)電機(jī)也受自卸車(chē)的整車(chē)性能、安裝形式、冷卻方式、控制方法等條件的影響而有所不同。我公司在相繼開(kāi)發(fā)出110t、154t、170t、220t、400t等電動(dòng)輪自卸車(chē)主發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)出了電動(dòng)輪鉸卡車(chē)用水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，滿(mǎn)足35t地下鉸卡車(chē)的使用要求，現(xiàn)已投入使用。

1總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)輪鉸卡車(chē)用水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，總體結(jié)構(gòu)分為：主發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。在控制柜上引出直流勵(lì)磁電源供給勵(lì)磁機(jī)定子，勵(lì)磁機(jī)電樞發(fā)出三相交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流模塊整流后供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，主發(fā)電機(jī)定子發(fā)出電最終提供給電動(dòng)機(jī)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2主要參數(shù)

電機(jī)型號(hào)：TQFW340-6

發(fā)電機(jī)類(lèi)型：無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)

相數(shù)：三相

額定功率：340kVA

額定電壓：690V

額定頻率：90Hz

額定定子電流：285A

額定勵(lì)磁電壓：≤24V

額定勵(lì)磁電流：≤10A

額定轉(zhuǎn)速：1800rpm

轉(zhuǎn)速范圍：800~1800rpm

效率：95%

功率因數(shù)：0.95

繞組連接方式：Y

絕緣等級(jí)：200級(jí)

防護(hù)等級(jí)：IP55

冷卻方式：水套冷

3電磁設(shè)計(jì)

礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)運(yùn)行路況較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛所需要的牽引力及速度指令來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸出，這時(shí)就需要發(fā)電機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻的輸入功率要求提供足夠的電能。

在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，要考慮不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下電動(dòng)機(jī)輸入功率的需求，計(jì)算出發(fā)電機(jī)不同時(shí)刻的勵(lì)磁電壓/電流、輸出電壓等參數(shù)，要綜合考慮不同時(shí)刻發(fā)電機(jī)的熱負(fù)荷，磁負(fù)荷，最終選取合理的電磁參數(shù)。

由于該電機(jī)外形要求緊湊，內(nèi)部空間相對(duì)緊張，定子沖片無(wú)法借用傳統(tǒng)電機(jī)的沖片，所以對(duì)定轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。綜合考慮不同工作點(diǎn)的熱負(fù)荷和磁負(fù)荷，選取電機(jī)定子沖片外徑為φ620，內(nèi)徑為φ470，鐵心長(zhǎng)340，定子槽數(shù)為54，定子繞組采用雙層疊繞組。在最高定子頻率為90Hz時(shí)，定子齒/軛磁密分別為1.37T/1.02T,氣隙磁密為0.73T，極身/極軛磁密分別為1.4T/0.7T。定子熱負(fù)荷為1710，略低于傳統(tǒng)的水套冷卻式電機(jī)，定轉(zhuǎn)子繞組電密分別為4.9A/mm2和2.7A/mm2，均處于合理范圍[3]。勵(lì)磁機(jī)的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)也較傳統(tǒng)產(chǎn)品低一個(gè)等級(jí)。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1　冷卻系統(tǒng)

由于發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期在地下使用，且在近海附近，為了確保電機(jī)壽命，外部采用全封閉結(jié)構(gòu)。考慮到主電機(jī)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁機(jī)電樞有效散熱，電機(jī)采用了水套冷與內(nèi)部空氣冷卻相結(jié)合的混合冷卻結(jié)構(gòu)，可有效提升電機(jī)內(nèi)部散熱效果和均勻熱源分布，大幅度降低電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升。該發(fā)電機(jī)體積受到車(chē)體的限制，水路與風(fēng)路整體空間有限，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮水路，風(fēng)路的合理分配。達(dá)到風(fēng)路帶走轉(zhuǎn)子熱量，水路充分冷卻定子鐵心和冷卻內(nèi)部循環(huán)空氣的作用。勵(lì)磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流模塊置于進(jìn)風(fēng)口處優(yōu)先冷卻，出風(fēng)口處隨軸安裝有離心風(fēng)扇帶動(dòng)電機(jī)內(nèi)部冷卻氣流，采用這種方案，可在體積、防護(hù)等級(jí)受限的情況下，最大程度提升功率，解決高功率密度發(fā)電機(jī)散熱難的問(wèn)題。

4.2　整流模塊

旋轉(zhuǎn)整流模塊是無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的重要部件。它將與同步電機(jī)同軸的交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的三相交流電整流成直流，為同步電機(jī)提供勵(lì)磁電源，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的無(wú)刷勵(lì)磁[4]。

旋轉(zhuǎn)整流模塊是無(wú)刷同步電機(jī)內(nèi)部唯一的電子器件，它置于主機(jī)與勵(lì)磁機(jī)中間的轉(zhuǎn)子端板上，處于電機(jī)內(nèi)部主風(fēng)路中，為了提高旋轉(zhuǎn)整流模塊的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮其運(yùn)行時(shí)所必須承受的離心力，熱應(yīng)力和一定的抗機(jī)械振動(dòng)。

4.3　絕緣系統(tǒng)

電機(jī)絕緣系統(tǒng)作為電機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的部分之一需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)。針對(duì)該電機(jī)定轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈絕緣結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)分別采取不同的絕緣方案。定子繞組為成型線(xiàn)圈，導(dǎo)線(xiàn)絕緣為C級(jí)聚酰亞胺氟46復(fù)合薄膜。對(duì)地絕緣采用少膠云母帶配復(fù)合薄膜槽絕緣紙，這種形式具有抗電氣疲勞能力強(qiáng)，厚度薄，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足車(chē)用發(fā)電機(jī)使用要求；轉(zhuǎn)子繞組采用絕緣銅扁線(xiàn)多層繞制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線(xiàn)絕緣為C級(jí)聚酰亞胺氟46復(fù)合薄膜，邊繞邊采用固化工藝，這種結(jié)構(gòu)具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可承受轉(zhuǎn)子在高溫情況下顛簸工作的使用要求。勵(lì)磁機(jī)也在散熱和發(fā)熱良好的情況下采用了高耐熱等級(jí)和機(jī)械強(qiáng)度的絕緣材料和結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多方面的驗(yàn)證此方案可靠、穩(wěn)定。

4.4　機(jī)械結(jié)構(gòu)

電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮強(qiáng)度的要求，并盡可能降低電機(jī)自重，減輕車(chē)體自身?yè)p耗。電機(jī)機(jī)座采用鋼板焊接的筒式結(jié)構(gòu)，保證了電機(jī)的剛性和強(qiáng)度，是大功率電動(dòng)輪發(fā)電機(jī)發(fā)展依托的主要結(jié)構(gòu)。另外，由于該電機(jī)功率遠(yuǎn)大于同等機(jī)座號(hào)的普通電機(jī)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了多處改進(jìn)。在良好的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)作保證的前提下，減少體積，在保證強(qiáng)度剛度的前提下，盡可能降低電機(jī)重量。隨著發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式的多樣化，必須對(duì)電機(jī)大部件進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，保證結(jié)構(gòu)需要。發(fā)電機(jī)定子機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，定子鐵心采用外壓裝結(jié)構(gòu)，即定子沖片疊壓成定子鐵心，再下線(xiàn)并浸漆后裝入機(jī)座，定子沖片外徑與機(jī)殼緊密貼合牢固。

發(fā)電機(jī)采用單軸承結(jié)構(gòu)，并且軸承為高品質(zhì)雙列自動(dòng)調(diào)心滾子軸承，端蓋采用絕緣結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)子軸電流對(duì)軸承的損害。

另外，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件—極端高低溫以及潮氣、鹽霧等對(duì)電機(jī)的危害。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1　空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)是電機(jī)試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)項(xiàng)目之一。通過(guò)對(duì)空載勵(lì)磁電流的測(cè)量可以檢驗(yàn)主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)三相空載電壓的不平衡度判斷三相繞組的平衡情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，可以看出試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值基本吻合。

表1　額定轉(zhuǎn)速時(shí)的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2　噪聲及振動(dòng)試驗(yàn)

噪聲及振動(dòng)的危害眾所周知。電機(jī)的噪聲主要包括電磁噪聲、機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲。電機(jī)的噪聲水平總體地反映了電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、制造工藝，裝配質(zhì)量的好壞。

電機(jī)的振動(dòng)太大不僅會(huì)增大電機(jī)零件的磨損，減少電機(jī)的壽命，而且還會(huì)損壞其他設(shè)備。按照規(guī)定，對(duì)電機(jī)不同位置的噪音、振動(dòng)均進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果均符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水套冷無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)性能的分析，從電機(jī)的電磁、絕緣結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)得出以下結(jié)論：(1)從電磁方面論證了設(shè)計(jì)的合理性；(2)從冷卻系統(tǒng)、整流模塊、絕緣系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)四方面闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性；(3)空載勵(lì)磁電流與設(shè)計(jì)值基本吻合，并通過(guò)空載電壓可以判斷三相繞組平衡；電機(jī)噪聲試驗(yàn)的最大噪聲值小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制；電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)限制。

參考文獻(xiàn)

[1]張強(qiáng).電動(dòng)輪礦用自卸車(chē)節(jié)能技術(shù)研究[J].礦用汽車(chē)，2011.

[2]萬(wàn)海如，唐新蓬，段家典.重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，2001.

[3]陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[4]陳云華,解錦輝,彭冰.無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)用旋轉(zhuǎn)整流器設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2002.

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《防爆電機(jī)》編輯部

Development of Brushless Excitation Synchronous Generator with

Water Jacket Cooling

JiangHui,TengQiang,andZhangChunhong

(Dalian Riqian Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dalian 116036, China)

AbstractBecause of limited installation space, poor operation condition and high protection degree of generator for underground electric wheel hinge truck, it is required to develop the generator with higher power density and better reliability than traditional one. This paper introduces overall design scheme of brushless excitation synchronous generator with water jacket cooling for electric wheel truck from two aspects of electromagnetic design and structure design, and proves rationality of the design scheme based on experimental verification.

Key wordsWater jacket cooling；brushless excitation；synchronous generator；electromagnetism；structure

收稿日期：2015-08-20

作者簡(jiǎn)介：姜輝男1965年生；畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事礦用特種電機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：TM311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2015)06-0007-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.03