大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)的研制

喬建偉，李洪森，李小麗

(臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng)473008)

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大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)的研制

喬建偉，李洪森，李小麗

(臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng)473008)

摘要介紹了YZYKS1120-4大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)的研制，以及電動(dòng)機(jī)電氣性能、結(jié)構(gòu)、防爆性能設(shè)計(jì)方案，并著重對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)、防爆檢驗(yàn)進(jìn)行了分析和詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞正壓型；三相異步電動(dòng)機(jī)；換氣吹掃裝置

0引言

隨著我國(guó)石油、采礦等行業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，所配套的防爆高壓電動(dòng)機(jī)的容量也不斷增大。由于國(guó)內(nèi)技術(shù)及生產(chǎn)能力等因素，大容量正壓型防爆電動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本被國(guó)外品牌壟斷。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，并響應(yīng)國(guó)家大型設(shè)備國(guó)產(chǎn)化口號(hào)，我公司不斷加大軟件和硬件的投入，對(duì)大容量正壓型電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研發(fā)和制造。

2011年3月我公司成功研制了YZYKS1120-4

22400kW 10kV大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)，并獲得國(guó)家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心頒發(fā)的防爆合格證，該電動(dòng)機(jī)也是我公司自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)容量最大的正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)[1、2]。

1電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)

型號(hào)：YZYKS1120-4；額定功率：22 400kW；額定電壓：10 000V；效率：98.1%；功率因數(shù)：0.91；堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：4.0；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.8；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.6；額定頻率：50Hz；額定轉(zhuǎn)速：1495r/min；振動(dòng)：0.065mm；噪聲(Lp)：85dB(A)；相數(shù)：3相；絕緣等級(jí)：F級(jí)；定額：S1(連續(xù))工作制；防護(hù)等級(jí)：IP55；冷卻方式：IC81W；防爆等級(jí)：ExpxdeⅡCT3 Gc；安裝方式：IMB3；環(huán)境溫度：≤40°C；海拔高度：≤1000m。

2設(shè)計(jì)方案

2.1電氣設(shè)計(jì)

2.1.1電磁設(shè)計(jì)

對(duì)于YZYKS 1120-4 22400kW三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，除了滿(mǎn)足電機(jī)基本性能指標(biāo)外，還要重點(diǎn)分析電機(jī)效率和起動(dòng)性能。為了達(dá)到性能要求，我們分別采用了與華北電力大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)步有限元計(jì)算軟件和哈爾濱理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的“異步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算程序”進(jìn)行了計(jì)算。并利用鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)步有限元計(jì)算軟件對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了磁路分析，分析所做的網(wǎng)格剖分圖、磁密云圖、磁力線分布圖見(jiàn)圖1、圖2、圖3。通過(guò)電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)仿真模擬，分析電動(dòng)機(jī)在空載起動(dòng)、轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)、滿(mǎn)載運(yùn)行等不同工作狀態(tài)磁路分布情況,能夠直觀、量化分析出各部分磁路分布是否合理[3、4]。

圖1網(wǎng)格剖分圖

圖2磁密云圖

圖3磁力線分布圖

2.1.2起動(dòng)性能

該電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)要求不大于4.0，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)0.6，并且負(fù)載飛輪轉(zhuǎn)矩很大，在電動(dòng)機(jī)端電壓不大于65%額定電壓時(shí)能正常起動(dòng)。對(duì)大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算，主要設(shè)計(jì)思路有以下幾點(diǎn)。

(1)選取合理的轉(zhuǎn)子槽形和轉(zhuǎn)子槽口寬高比，從而降低起動(dòng)電流，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)時(shí)間。

(2)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用合金銅，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)條的電阻率與截面積的比例，在不改變轉(zhuǎn)子電阻的情況下，加大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的截面積，來(lái)保證轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的溫升不會(huì)過(guò)高。

利用電磁計(jì)算和電機(jī)起動(dòng)軟件，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)3.98倍；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)0.65倍；電動(dòng)機(jī)在100%額定電壓下起動(dòng)時(shí)導(dǎo)條溫升161K；在80%額定電壓下起動(dòng)時(shí)導(dǎo)條溫升168K；在65%額定電壓下起動(dòng)時(shí)導(dǎo)條溫升179K，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)起動(dòng)要求[5、6]。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

YZYKS 1120-4大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)為鋼板結(jié)構(gòu)、空水冷卻型。整機(jī)總長(zhǎng)5.32m，寬5.22m(雙接線盒)，高4.123m(包括底座高)。

2.2.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子由兩個(gè)軸流式內(nèi)風(fēng)扇、端環(huán)、護(hù)環(huán)、中性環(huán)、導(dǎo)條、轉(zhuǎn)子鐵心和抱筋軸組成。轉(zhuǎn)軸材料為45#鍛鋼，采用刨筋軸，軸上的筋直接與軸整體加工出來(lái)，筋寬100mm。轉(zhuǎn)子沖片采用50W350，沖成整圓后，先用拉緊螺桿把沖片通過(guò)兩端的轉(zhuǎn)子壓圈迭壓好，然后把鐵心熱套軸上，鐵心與軸之間打斜鍵固定牢。轉(zhuǎn)子中心環(huán)材料用鑄鋁青銅加工成，中心環(huán)的作用是轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，護(hù)環(huán)不對(duì)稱(chēng)受力變形時(shí)，起支撐作用。轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)用40Mn18Cr3鋼加工成，轉(zhuǎn)子端環(huán)加工后熱套護(hù)環(huán)，在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)、端環(huán)受熱的情況下。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和斷環(huán)采用硅青銅鍛制成形。轉(zhuǎn)子兩端各裝一個(gè)離心式內(nèi)風(fēng)扇，每個(gè)內(nèi)風(fēng)扇19個(gè)扇葉，離心扇對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組端部有很好的冷卻效果。

2.2.2定子結(jié)構(gòu)

定子主要有加熱器、有繞組定子鐵心、線圈、機(jī)座等組成。機(jī)座采用優(yōu)質(zhì)鋼板焊接成一個(gè)牢固整體，側(cè)板采用折彎結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)強(qiáng)度、減少焊接量。定子鐵心利用通風(fēng)槽板形成徑向通風(fēng)道，用28個(gè)鴿尾筋拉緊扇形片，定子壓圈和鴿尾筋在鐵心保壓狀態(tài)下焊接。鐵心兩端內(nèi)徑設(shè)階梯狀長(zhǎng)5mm，階梯高5mm，可以減少漏磁，加大氣隙通風(fēng)，提高效率、降低溫升。定子沖片選用優(yōu)質(zhì)50W350材料，沖成扇形片，每圓由14個(gè)扇形片組成，每個(gè)扇形片帶兩個(gè)鴿尾槽。

定子繞組采用4Y接法，4Y接法分別采用6個(gè)同心并聯(lián)銅環(huán)短接，再用銅排引入主接線盒。引出接線盒部分為方便拆卸，先用螺栓固定、外包云母帶。繞著端部采用內(nèi)外端箍固定，外端箍用3240墊板固定并支撐在鐵心端部線圈支架上，內(nèi)端箍用玻璃繩直接綁牢在線圈上，同時(shí)，在端部加墊塊處均用滌玻繩把線圈和墊塊綁牢，經(jīng)VPI整浸后，線圈成一整體，牢固可靠，有較高的機(jī)械強(qiáng)度，線圈支架每端采用18組30厚的3240板，出線端還可以支撐并聯(lián)環(huán)。機(jī)座兩側(cè)板裝有防潮加熱器，電源380V、50Hz，功率3kW。

2.2.3主接線盒

電動(dòng)機(jī)主接線盒和中性電動(dòng)機(jī)接線盒各一個(gè)，從電動(dòng)機(jī)軸伸端看，主接線盒在右側(cè)，中性點(diǎn)接線盒在左側(cè)。接線盒內(nèi)腔空間大，方便接線，帶電纜固定裝置，每相設(shè)4個(gè)接線螺栓，每個(gè)接點(diǎn)可以滿(mǎn)足4根電纜的連接，出線口為盲板。

2.2.4滑動(dòng)軸承

該電動(dòng)機(jī)軸承選型為端蓋式滑動(dòng)軸承，潤(rùn)滑方式為外循環(huán)供油，潤(rùn)滑油的粘度為ISOVG46，軸承預(yù)留外循環(huán)油接口，帶進(jìn)回油配對(duì)法蘭，進(jìn)油管增設(shè)針閥和進(jìn)口管式流量計(jì)，以調(diào)節(jié)和顯示滑動(dòng)軸承的進(jìn)油量。從軸伸端看軸承進(jìn)油口位置在左側(cè)，出油口位置在右側(cè)，法蘭及接管均為不銹鋼材質(zhì)，軸承采用端蓋式球面滑動(dòng)軸承，潤(rùn)滑方式為強(qiáng)制潤(rùn)滑，進(jìn)油口位置在左側(cè)，出油口位置在右側(cè)，法蘭及接管均為不銹鋼材質(zhì)，軸承型號(hào)DQ35-375BJ，潤(rùn)滑油類(lèi)型ISOVG46，進(jìn)油壓力0.01～0.03MPa，每個(gè)軸承供油量42L/min，進(jìn)油溫度不超過(guò)33℃。

頂升油系統(tǒng)，泵出口壓力31.5MPa，運(yùn)行壓力5MPa，整機(jī)供油量12L/min，油泵電動(dòng)機(jī)功率4kW、電壓380V。

2.2.5通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)采用了數(shù)學(xué)建模、流場(chǎng)分析的方法如圖4、圖5、圖6、圖7所示，通過(guò)不斷對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化，最終選取最合理的風(fēng)路冷卻方案。

圖4風(fēng)路結(jié)構(gòu)圖

圖5軸截面靜壓分布圖

圖6軸截面局部速度矢量圖

圖7橫切軸截面速度矢量圖

冷卻器采用空氣-水冷卻方式，兩組并聯(lián)，運(yùn)行水量160t/h，運(yùn)行水壓0.25～0.4MPa，進(jìn)水溫度不大于33°C。

電動(dòng)機(jī)空水冷卻器帶有漏水監(jiān)控儀，運(yùn)行時(shí)若冷卻器漏水立即可以發(fā)出警報(bào)，漏水監(jiān)控儀設(shè)有兩組輸出，每組有常開(kāi)常閉觸點(diǎn)。

2.3正壓設(shè)計(jì)

電機(jī)帶正壓吹掃裝置，內(nèi)部布設(shè)吹掃管道 ，正壓外殼型電機(jī)要求起動(dòng)前能對(duì)電機(jī)內(nèi)部吹掃干凈，不留死角，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)部最小壓力差大于50Pa(標(biāo)準(zhǔn)考核值)、150Pa(控制裝置高高報(bào)警或連鎖停機(jī)值)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，合理布置吹掃管道，保證吹掃時(shí)無(wú)死角，并找到電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小壓力點(diǎn)，確保電機(jī)的防爆性能。

在電機(jī)運(yùn)行前，為了防止電機(jī)內(nèi)部存在可燃?xì)怏w，需要換氣吹掃, 該系統(tǒng)由排氣閥和控制單元組成，通過(guò)氣壓控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。排氣閥設(shè)在冷卻器上部，控制單元安裝在機(jī)座側(cè)板上，干燥清潔的儀表風(fēng)通過(guò)控制單元，進(jìn)入機(jī)座底板上的兩條管道，管道上分布有排氣孔，儀表風(fēng)從排氣孔排出后均勻地分布在電機(jī)下部，這樣就避免了電機(jī)內(nèi)部留有死角，防止危險(xiǎn)氣體的殘留。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部氣壓達(dá)到一定壓力后，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)開(kāi)始排氣，逐漸達(dá)到進(jìn)排氣平衡，當(dāng)換氣量達(dá)到電機(jī)內(nèi)腔體積的5倍左右時(shí)，關(guān)閉氣源換氣結(jié)束。 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)換氣裝置進(jìn)行通風(fēng)補(bǔ)償，使電機(jī)內(nèi)部氣壓大于外部氣壓，有效防止可燃性氣體的進(jìn)入。

YZYKS1120-4大容量正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)換氣總體積和換氣流速，選用D808正壓吹掃控制系統(tǒng)。

本電動(dòng)機(jī)吹掃、正壓參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)為

(1) 電動(dòng)機(jī)吹掃數(shù)據(jù)

吹掃氣體：惰性氣體、干燥空氣

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部?jī)趔w積：25m3

吹掃時(shí)間：30min

吹掃流量：2000NL/min

(2) 電動(dòng)機(jī)正壓運(yùn)行參數(shù)

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力為200～000Pa

電動(dòng)機(jī)低壓報(bào)警值：80Pa

電動(dòng)機(jī)低壓停機(jī)值：50Pa

電動(dòng)機(jī)高壓報(bào)警值：2500Pa

電動(dòng)機(jī)高壓停機(jī)值：3000Pa

最大正壓泄露流速：1000NL/min

3產(chǎn)品性能測(cè)試、防爆檢驗(yàn)

3.1產(chǎn)品性能測(cè)試

YZYKS1120-4 22400kW大容量正壓型電動(dòng)機(jī)的主要性能見(jiàn)表1。

表1　大容量正壓型電動(dòng)機(jī)的主要性能

從試驗(yàn)性能可以得出，該電動(dòng)機(jī)具備效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)電流低、振動(dòng)小、噪聲低等各項(xiàng)性能優(yōu)良。

3.2防爆檢驗(yàn)

防爆電機(jī)在性能合格的同時(shí)，防爆安全檢查也是關(guān)鍵部分。我們委托國(guó)家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了防爆安全檢查。通過(guò)產(chǎn)品圖紙、技術(shù)文件審查，并對(duì)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了最高正壓、最低正壓檢查，以及泄漏試驗(yàn)、換氣和稀釋試驗(yàn)、控制裝置可靠性試驗(yàn)等全面檢測(cè)[710]。結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)全部合格，并取得了防爆合格證，證號(hào)CNEx11.1667X，防爆標(biāo)志ExpxdeⅡCT3 Gc。

4結(jié)語(yǔ)

我公司在YZYKS 1120-4 22400kW電動(dòng)機(jī)試制成功的基礎(chǔ)上，系列研發(fā)了YZYKK、YZYKS，355-31500kW正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)。由于該系列產(chǎn)品性能好、品質(zhì)高，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，目前，該系列產(chǎn)品正逐漸替代進(jìn)口產(chǎn)品，已批量投入市場(chǎng)。

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Development of Large-Capacity Pressurized Three-phase Induction Motor

QiaoJianwei,LiHongsen,andLiXiaoli

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd.,Nanyang 473008, China)

AbstractThis paper introduces development of YZYKS1120-4 large-capacity pressurized three-phase induction motor, and introduces emphatically design scheme of electrical performance, structure and explosion-proof performance for the motor. Performance index and explosion-proof test for the motor are analyzed and introduced in detail.

Key wordsPressurized type；three-phase induction motor；purging device

收稿日期：2015-10-28

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)探▊ツ?975年生；畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院電動(dòng)機(jī)電器及其控制專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事高壓電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：TM357

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)02-0026-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.07