驅(qū)動(dòng)進(jìn)口壓縮機(jī)用單支撐同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

歷　銳，喬麗娜

(國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

?

驅(qū)動(dòng)進(jìn)口壓縮機(jī)用單支撐同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

歷銳，喬麗娜

(國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要根據(jù)石油、化工行業(yè)中的核心設(shè)備，加氫裝置中使用的往復(fù)式壓縮機(jī)仍采用進(jìn)口的情況，現(xiàn)根據(jù)該壓縮機(jī)自身的特點(diǎn)及對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，用于驅(qū)動(dòng)美國(guó)DRESSER-RAND往復(fù)式壓縮機(jī)的TZYW/TAW6500-20/3250WTHF1單支撐結(jié)構(gòu)無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞單支撐；無(wú)刷勵(lì)磁；同步電動(dòng)機(jī)

0引言

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，燃油類型的交通工具越來(lái)越多，尾氣排放給環(huán)境帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。隨著國(guó)家的環(huán)保意識(shí)不斷提高，對(duì)油品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，石油精煉是石油、化工企業(yè)現(xiàn)階段必須應(yīng)對(duì)的，在石油精煉的生產(chǎn)工藝流程中，不可絕對(duì)避免易燃、易爆氣體泄漏與環(huán)境大氣混合，而形成爆炸性氣體環(huán)境，若與點(diǎn)燃源同時(shí)存在，將必然產(chǎn)生泄漏氣體被引燃而爆炸。驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)就是重要的點(diǎn)燃源之一，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的安全性，可靠性要求越來(lái)越高，正壓外殼型/增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高的安全性和可靠性，因此被石化行業(yè)廣泛應(yīng)用。

1單支撐同步電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

正壓外殼型/增安型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)安裝方式IM7115, 冷卻方式為IC81W，單支撐結(jié)構(gòu)，法蘭軸伸。產(chǎn)品由定子、轉(zhuǎn)子、交流勵(lì)磁機(jī)、伸端支撐及盤車裝置、軸承、水冷卻器、底架、接線盒、正壓保護(hù)系統(tǒng)等零部件組成，如圖1所示。

圖1電機(jī)主要零部件

定子主要由機(jī)座、定子鐵心、定子線圈等部件組成，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮通風(fēng)和散熱的要求，保證其有足夠的風(fēng)道來(lái)冷卻繞組。定子采用內(nèi)裝壓結(jié)構(gòu)，整體剛性好，防止吊運(yùn)過(guò)程產(chǎn)生對(duì)定子繞組的損傷，采用VPI真空壓力浸漆工藝，定子繞組絕緣性能可靠，符合GB 3836.3—2010增安型新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)絕緣系統(tǒng)的要求，如圖2所示。

圖2定子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁極線圈、磁極鐵心、風(fēng)扇、勵(lì)磁機(jī)電樞、勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇、旋轉(zhuǎn)整流器等零部件組成，磁極與轉(zhuǎn)子支架采用 “T” 尾連接，用楔鍵打緊后焊接牢固，如圖3所示。

圖3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2軸系計(jì)算

單支撐無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)軸伸法蘭與壓縮機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)端與壓縮機(jī)共用一個(gè)軸承，在軸系計(jì)算時(shí)要考慮到壓縮機(jī)端軸承位置，同時(shí)由于其壓縮機(jī)自身特性，在軸系計(jì)算時(shí)電機(jī)供應(yīng)商要考慮使用一個(gè)等于銘牌轉(zhuǎn)矩的平均轉(zhuǎn)矩加上等于200%銘牌轉(zhuǎn)矩的一個(gè)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩去計(jì)算軸的強(qiáng)度，上述方面在軸系計(jì)算時(shí)必須注意考慮，如圖4所示。

圖4單支撐同步電機(jī)軸的撓度分析

(支撐點(diǎn)考慮到壓縮機(jī)軸承中心)

軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核計(jì)算公式如下

彎扭合成安全系數(shù)

(1)

彎曲應(yīng)力安全系數(shù)

(2)

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力安全系數(shù)

(3)

其中電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩

(4)

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算時(shí)按3倍額定轉(zhuǎn)矩

Td=3TN=620750N·m

(5)

軸材質(zhì)選用35CrMo，抗拉強(qiáng)度σb=600MPa,屈服強(qiáng)度σs=400MPa，彎曲疲勞極限σ-1=270MPa，扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1=155MPa ,硬度(HB)207～269。

式中，εσ，ετ—彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)；β—表面質(zhì)量系數(shù)；Kσ，Kτ—彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)；Ψσ，Ψτ—彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的平均應(yīng)力折算系數(shù)；σα，σm—彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力幅；τα，τm—扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力幅。通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四卷第3章26篇查找相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

3壓縮機(jī)系數(shù)計(jì)算

往復(fù)式壓縮機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的線電流中產(chǎn)生脈動(dòng)，為將電流脈動(dòng)限制在要求的數(shù)值內(nèi)，系統(tǒng)必須提供旋轉(zhuǎn)部件正確的Wk2。通過(guò)核算壓縮機(jī)系數(shù)C,判斷是否系統(tǒng)的Wk2滿足要求。

壓縮機(jī)系數(shù)計(jì)算公式

(6)

式中，同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)Pr′

(7)

化簡(jiǎn)得

(8)

式中，Em—?jiǎng)?lì)磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值(標(biāo)幺值)；Um—端電壓幅值(標(biāo)幺值，實(shí)為1)。

圖5矢量關(guān)系圖

為解的Em和δ0，列如下方程式，由圖5得

id=-im×sin(φ+δ0)

(9)

iq=-im×cos(φ+δ0)

(10)

而

(11)

(12)

將Xd、Xq、cosφ、Um代入

解得：Em=2.1δ0=30.24°

代入上式Pr′中得Pr′=1.4339

式中Wk2，W—所有旋轉(zhuǎn)部件重量(磅)；k—旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)半徑(英尺)。

由10可知，在放入時(shí)變控制變量之前，非OECD的多樣性指標(biāo)的顯著性及系數(shù)都比OECD高，進(jìn)口中間產(chǎn)品多樣性指標(biāo)同企業(yè)研發(fā)強(qiáng)度的交互項(xiàng)系數(shù)值都為正。在OECD國(guó)家進(jìn)口指標(biāo)中添加時(shí)空控制變量會(huì)降低其指標(biāo)系數(shù)值，其系數(shù)值均非負(fù)。非OECD國(guó)家進(jìn)口多樣性指標(biāo)間的顯著性特征不明顯。進(jìn)口中間產(chǎn)品多樣性指標(biāo)和企業(yè)研發(fā)強(qiáng)度的交互項(xiàng)系數(shù)不斷較少，二者在顯著性以及方向上并未出現(xiàn)大幅度的變化。以上回歸結(jié)果和預(yù)期的沒(méi)有差異，說(shuō)明擴(kuò)大從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口中間品的范圍是促進(jìn)本土企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新的有效舉措，本文所分析的機(jī)制合理可行。

同步轉(zhuǎn)速n=300r/min

電機(jī)額定功率：PN=6500kW

(13)

頻率f=50

將上述參數(shù)代入壓縮機(jī)系數(shù)計(jì)算公式

(14)

4鍵槽應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算

由于美國(guó)DRESSER-RAND公司以往產(chǎn)品鍵槽部分出現(xiàn)過(guò)疲勞現(xiàn)象，因此與其配套產(chǎn)品還需鍵槽應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算，根據(jù)R E Peterson《應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)》410頁(yè)內(nèi)容，在鍵槽既承受彎矩又承受扭矩的情況下按如下方法進(jìn)行計(jì)算

(15)

(16)

(17)

計(jì)算得

=1.17×10-2

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

軸系剖面如圖6所示。

圖6軸系剖面圖

根據(jù)軸尺寸，代入數(shù)據(jù)：d=680mm；b=80mm；t=22.64mm；鍵槽R角R2.5。

最終計(jì)算結(jié)果

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)口壓縮機(jī)用單支撐同步電機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的介紹，為我國(guó)大型裝備國(guó)產(chǎn)化積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，隨著石化行業(yè)的高速發(fā)展，裝備大型化的需求越來(lái)越多，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的詳細(xì)介紹，將會(huì)為設(shè)計(jì)研發(fā)人員提供大量寶貴的大型防爆同步電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)石油、石化行業(yè)提供了大量技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的大型同步電機(jī)，為行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡黎明，黃開(kāi)勝，陳文敏，等.永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì).防爆電機(jī)，2015.1.

[2]張亞鴿，王肖肖.電機(jī)試驗(yàn)用同步電動(dòng)機(jī)的研制.防爆電機(jī)，2015.2.

[3]蘇國(guó)霞，王立名.三相同步電動(dòng)機(jī)定子接地故障分析.防爆電機(jī)，2015.2.

[4]陳興衛(wèi).單支撐大型同步電動(dòng)機(jī)軸系的設(shè)計(jì).防爆電機(jī)，2014.1.

[5]陳興衛(wèi).無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的防爆技術(shù)特點(diǎn).防爆電機(jī)，2014.3.

Design Keys of Single-Support Synchronous Motor for Driving the Imported Compressor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractFor key devices in petroleum chemical industry, the reciprocating compressors used in hydrogenated unit still are imported. Taking a TZYW/TAW6500-20/3250WTHF1 single-support brushless excitation synchronous motor for driving American DRESSER-RAND reciprocating compressor as an example, this paper detailedly introduces structure and technical keys of the motor based on characteristics of compressor itself and requirements of the driving motor.

Key wordsSingle support；brushless excitation；synchronous motor

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.02

中圖分類號(hào)：TM341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)03-0005-004

作者簡(jiǎn)介：歷銳男1982年生；畢業(yè)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作.

收稿日期：2016-04-18