TAW2000-18增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的研制

董　存

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上?！?00240)

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TAW2000-18增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的研制

董存

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海200240)

以研發(fā)TAW2000-18同步電動機(jī)為例，介紹了增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的設(shè)計要點，對電磁設(shè)計、tE時間計算、絕緣系統(tǒng)、吹掃裝置等關(guān)鍵點進(jìn)行了闡述，同時通過試驗數(shù)據(jù)的驗證，進(jìn)一步對該系列電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

增安型；同步電動機(jī)；tE時間

0　引言

在爆炸性氣體環(huán)境中使用的電氣設(shè)備具有防止引燃爆炸的特殊性能要求，以防止因電氣設(shè)備的原因造成爆炸性安全事故。所謂爆炸性氣體環(huán)境是指具有爆炸性氣體混合物的環(huán)境，石油、化工等企業(yè)均存在爆炸性氣體的混合物的可能。因此，在這些工廠企業(yè)某些場合所使用的電氣設(shè)備均應(yīng)具有防爆性能的要求。增安型電氣設(shè)備作為最重要和最常見的一種防爆形式，尤其對電動機(jī)而言，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。本次項目即為某化工單位生產(chǎn)制造的增安型同步電動機(jī)，具體規(guī)格如下：

型號： TAW2000-18

額定功率： 2 000 kW

額定電壓： 6 000 V

額定電流： 223 A

額定頻率： 50 Hz

額定轉(zhuǎn)速： 333.3 r/min

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥0.6

牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥1.0

失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩≥1.8

堵轉(zhuǎn)電流/額定電流≤6.5

功率因數(shù)： 0.9(越前)

絕緣等級： F級(B級考核)

電動機(jī)飛輪力矩： 20 t·m2

防爆級別： Ex e ⅡC T3 Gc

1　電磁設(shè)計

增安型防爆電機(jī)的主要特點有兩個：一是需要在正?；蛟试S過載的條件下不會產(chǎn)生電弧、火花或點燃爆炸性氣體混合物的危險溫度，以避免產(chǎn)生爆炸安全事故；二是tE時間應(yīng)不小于當(dāng)專職堵轉(zhuǎn)時熱過載保護(hù)裝置能夠切斷電動機(jī)電源所需要的時間。而所謂tE時間就是當(dāng)電動機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，其發(fā)熱部件(主要是定、轉(zhuǎn)子繞組)的溫度上升至最低危險溫度的時間，如果電動機(jī)的tE時間大于圖1中按電流比IA/IN確定的tE時間最小值，則一般可以滿足上述要求。

圖1　電動機(jī)tE時間的最小值與啟動電流比IA/IN

要做到以上兩點，必須采用特殊電磁設(shè)計。增安型同步電動機(jī)的電磁設(shè)計必須保證電動機(jī)任何部位的溫度都不能達(dá)到與其接觸的爆炸性氣體混合物的最低點燃溫度。不同環(huán)境溫度組別對應(yīng)的最高溫度限制見表1。

表1?、螂姎庠O(shè)備最高表面溫度分組　℃

這就要求在進(jìn)行電磁設(shè)計時充分考慮每一個局部發(fā)熱點。為保證可靠性，與普通同步機(jī)相比，增安型同步電動機(jī)的電磁負(fù)荷相應(yīng)降低1～2檔功率。經(jīng)多個方案對比，初步電磁設(shè)計相關(guān)計算參數(shù)如下。

定子沖片外徑：φ2 600 mm

定子鐵心長： 370 mm

定子計算溫升： 25 K

轉(zhuǎn)子計算溫升： 48.7 K

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩： 0.7

牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩： 1.43

失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩： 2.0

堵轉(zhuǎn)電流/額定電流： 6.0

效率： 95.8%

上述方案考慮借用原有中膠系統(tǒng)沖片結(jié)構(gòu)，從而使電動機(jī)定子溫升余量很大。但此方案節(jié)約了沖片模具費(fèi)用，提高了電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)型。

確定初步方案后，對其進(jìn)行tE時間的驗算。

1) 定子繞組的tE時間可按下式計算：

式中：tE1為定子繞組的tE時間，s；θ1為tE時間內(nèi)的允許溫升，K，其值等于定子繞組的極限溫升減去電動機(jī)額定運(yùn)行時定子繞組的穩(wěn)定溫升；α為材料的計算常數(shù)，對銅繞組為0.006 5；j為啟動電流密度，A/mm2；b1為定子繞組的散熱系數(shù)，取b1=0.85；環(huán)境溫度為40 ℃。

所以本項目定子繞組

2) 啟動籠tE時間按下式計算：

式中：tE2為啟動籠的tE時間，s；θ2為tE時間內(nèi)的允許溫升，K，其值等于啟動籠的極限溫升減去電動機(jī)額定運(yùn)行時啟動籠的穩(wěn)定溫升(當(dāng)勵磁繞組的穩(wěn)定溫升高于定子繞組的穩(wěn)定溫升時，則啟動籠的穩(wěn)定溫升取勵磁繞組的穩(wěn)定溫升，當(dāng)勵磁繞組的穩(wěn)定溫升低于定子繞組的穩(wěn)定溫升時，啟動籠的穩(wěn)定溫升取兩者的平均值)；C為系數(shù)，黃銅：0.38kW·S/(kg·℃)；G為啟動籠質(zhì)量，kg；Tst為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，N·m；TN為額定轉(zhuǎn)矩，N·m；P為額定功率，kW；b2為啟動籠的散熱系數(shù)，b2=0.75。

所以本項目啟動籠

從上述計算可以看出，此電磁方案滿足增安型電機(jī)的特殊要求，tE時間遠(yuǎn)大于防爆規(guī)程和技術(shù)要求允許的數(shù)值秒，其他參數(shù)也滿足技術(shù)要求，方案完全可行。

2　絕緣設(shè)計

根據(jù)GB 3836.3—2010要求，絕緣系統(tǒng)需要在爆炸性氣體混合物中做如下兩項試驗：

a) 施加1.5倍額定線電壓，歷時3 min。電壓最大上升率為0.5 kV/s。電壓應(yīng)施加在一相和地之間，其他相接地。

b) 絕緣系統(tǒng)還應(yīng)承受3倍于峰值相對地的10個電壓脈沖，電壓上升時間在0.2～0.5 μs，并且幅值在峰值一半以上的時間至少為20 μs.脈沖應(yīng)施加于相對相和相對地之間。

這一點要求是GB 3836.3—2010升版以來最大的改動，直接否定原有的定子繞組絕緣規(guī)范。為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，在本項目中絕緣系統(tǒng)做了如下改進(jìn)：

1) 放棄原中膠絕緣系統(tǒng)，采用全新少膠絕緣系統(tǒng)。少膠系統(tǒng)屬于廣泛推廣的絕緣系統(tǒng)，該系統(tǒng)絕緣性能好，厚度薄，屬于先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)。在原有少膠絕緣基礎(chǔ)上進(jìn)行加包，使絕緣性能得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。

2) 絕緣增加高、低阻帶。低阻帶包出鐵心一定長度，與低阻帶搭接，在繞組出鐵心位置形成完整的防暈層。

3) 經(jīng)過多次暗室試驗發(fā)現(xiàn)，槽楔及定子鐵心出槽口位置極易產(chǎn)生電暈。為此工藝規(guī)范要求嚴(yán)格控制定子沖片及槽楔的毛刺，同時槽楔長度應(yīng)短于定子鐵心長，不得伸出定子鐵心。

4) 繞組端部間隙足夠的空間，避免電暈的產(chǎn)生。同相線圈和異相線圈端部間隙不同，需區(qū)別對待。

5) 對絕緣與接地部件之間的距離有明確規(guī)定。如定子壓圈距離繞組絕緣在20 mm以上，引線電纜距離金屬部件50 mm以上等。

通過上述措施的采取，定子絕緣系統(tǒng)順利通過檢驗機(jī)構(gòu)的試驗驗證。

對于同步電機(jī)通常是靠啟動籠進(jìn)行異步啟動，全壓直接啟動時，由于出現(xiàn)強(qiáng)電流，啟動籠要承受瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩、熱膨脹和離心力的作用，籠條在高磁場強(qiáng)度的作用下將產(chǎn)生兩倍于轉(zhuǎn)差頻率的震動，可能引起電流斷續(xù)，并在不利的條件下，在籠條和貼心的間隙中產(chǎn)生火花。為了避免此問題，本項目中將籠條包絕緣帶，將籠條和鐵心絕緣開，避免二者產(chǎn)生火花。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用上水冷結(jié)構(gòu)，使冷卻器與電動機(jī)聯(lián)成一個整體，風(fēng)路短，利于散熱，對低轉(zhuǎn)速電機(jī)尤為明顯。同時上水冷結(jié)構(gòu)也節(jié)省了安裝空間，減輕拆裝時部件質(zhì)量，便于吊裝與運(yùn)輸。本次項目為無刷勵磁結(jié)構(gòu)，為了減小機(jī)座長度，將交流勵磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流盤設(shè)計成在軸承外側(cè)，減小了整機(jī)的外形尺寸和質(zhì)量。通風(fēng)采用IC81W冷卻方式，轉(zhuǎn)子自帶風(fēng)扇，利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓差形成內(nèi)風(fēng)路。勵磁機(jī)內(nèi)部設(shè)有自冷風(fēng)扇，通過管路將主機(jī)和勵磁機(jī)連接形成風(fēng)路回路，簡化結(jié)構(gòu)，滿足冷卻需求。原設(shè)計結(jié)構(gòu)和本次設(shè)計結(jié)構(gòu)分別見圖2和圖3。

圖2　長端罩結(jié)構(gòu)圖

圖3　短端罩結(jié)構(gòu)圖

4　吹掃系統(tǒng)

根據(jù)GB 3836.3—2010的規(guī)定，增安型防爆電動機(jī)需配備吹掃裝置，在電動機(jī)起動前進(jìn)行吹掃，保證電機(jī)啟動時腔體內(nèi)沒有爆炸性氣體的存在。根據(jù)本項目協(xié)議要求，需要配備EXPO D888吹掃系統(tǒng)。EXPO系列吹掃系統(tǒng)屬于廣泛應(yīng)用于防爆行業(yè)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品全部為氣動元件，無點燃元。在電機(jī)運(yùn)行前，該裝置按照預(yù)設(shè)時間、壓力進(jìn)行預(yù)吹掃，當(dāng)預(yù)吹掃結(jié)束時，該裝置進(jìn)入保壓狀態(tài)，保證電機(jī)腔體內(nèi)壓力高于外界環(huán)境壓力，使爆炸性氣體無法進(jìn)入腔體內(nèi)部。當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)故障，內(nèi)部壓力降至500 Pa時，該系統(tǒng)向電控發(fā)出報警信號，當(dāng)壓力繼續(xù)下降至250 Pa時，該系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號，在外接爆炸性氣體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部之前停機(jī)，避免事故的發(fā)生。

在電動機(jī)的密封工作上，本項目進(jìn)行了如下改進(jìn)：

1) 采用整體式機(jī)座，焊接處采用連續(xù)焊；

2) 冷卻器與機(jī)座，端蓋與機(jī)座等結(jié)合處采用嵌入式密封橡膠條；

3) 軸貫通位置采用多道連續(xù)銅帶，安裝時與軸配車，采用小間隙配合。

經(jīng)最后氣密試驗驗證，該電動機(jī)泄漏量小于3 000 NL/min，滿足技術(shù)要求。

5　主要試驗數(shù)據(jù)(見表2)

表2　技術(shù)參數(shù)對比

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，各項指標(biāo)滿足技術(shù)要求。但電動機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)偏差較大，需進(jìn)一步進(jìn)行分析。

6　結(jié)語

本次研制總結(jié)了以往增安型同步電動機(jī)的經(jīng)驗，借鑒國內(nèi)外同類電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時大膽創(chuàng)新，研制開發(fā)先進(jìn)的絕緣系統(tǒng)，采用新的結(jié)構(gòu)形式，在滿足安全使用的同時，盡可能減小電機(jī)質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)性。該項目的研制成功，對TAW系列電動機(jī)提供了具體數(shù)據(jù)和研發(fā)方向。