YKS1000-4高速高壓三相異步電動機(jī)的研制

黃旭烽

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上?！?00240)

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YKS1000-4高速高壓三相異步電動機(jī)的研制

黃旭烽

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海200240)

介紹了YKS1000-4 14 500 kW 11 kV 50 Hz 4極三相異步給水泵電動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要介紹該電機(jī)的冷卻器、定子、轉(zhuǎn)子及軸承等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。指出電機(jī)具有低起動電流、效率高的突出特點(diǎn)，給出了試驗數(shù)據(jù)，表明該電機(jī)溫升低、振動小。

高速；大功率；異步電動機(jī)；電機(jī)設(shè)計

0　引言

發(fā)展大容量、高性能參數(shù)的超超臨界燃煤機(jī)組，可以降低火電機(jī)組的平均煤耗，提高火電機(jī)組的效率，減少對自然環(huán)境的污染，是電力系統(tǒng)能源建設(shè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的戰(zhàn)略選擇。在此形勢下，YKS1000-4三相異步電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，配套于超超臨界火電機(jī)組鍋爐給水泵。該電機(jī)具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

1　電機(jī)規(guī)格型式及電磁設(shè)計特點(diǎn)

異步電動機(jī)型號為YKS1000-4、功率為14 500 kW、電壓11 kV、4極。性能參數(shù)如下(設(shè)計值)：

額定轉(zhuǎn)速：1 496 r/min 最大轉(zhuǎn)矩TM/TN：1.87

效率：97.3%冷卻方式：IC81W

功率因數(shù)：0.914安裝形式：IMB3

起動轉(zhuǎn)矩TST/TN：0.33防護(hù)等級：IP54

電機(jī)負(fù)載性質(zhì)為給水泵，電機(jī)通過液力耦合器與負(fù)載相連，電磁設(shè)計方面主要考慮在滿足定子溫升的前提下，盡可能得到較高的效率、功率因數(shù)。

在極數(shù)、相數(shù)既定的情況下，定子槽數(shù)決定于每極每相槽數(shù)q。選取較大的q時，一方面會減小電機(jī)的諧波漏抗，另一方面會降低槽利用率，增加絕緣材料的消耗。q一般在2～7之間選取，對于極數(shù)少的電機(jī)，q需取得大些。故取q=7，定子槽數(shù)為Z=q×3×4=84。

轉(zhuǎn)子槽數(shù)必須與定子槽數(shù)有恰當(dāng)?shù)呐浜希叟浜蠒﹄姍C(jī)的附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、振動和噪聲有影響。一般轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇應(yīng)滿足：

Z2≤1.25(Z1+P)

式中：Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)；Z1為定子槽數(shù)；P為電機(jī)極對數(shù)。

由于要求電機(jī)空載時距電機(jī)外殼1 m處的噪聲小于85 dB(A)，查閱國內(nèi)外的許多推薦槽配合資料[1]， 并通過比較各種電磁計算結(jié)果，最終選取定子轉(zhuǎn)子槽配合84/105，計算得1 m處噪聲值為61.4 dB(A)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

用戶要求該產(chǎn)品符合IEC60034-1標(biāo)準(zhǔn)要求，且電壓等級比較高，因此在絕緣結(jié)構(gòu)上與常規(guī)產(chǎn)品有所不同。大功率、高轉(zhuǎn)速電機(jī)，振動和噪聲一直是困擾電機(jī)制造廠的疑難問題。因此，機(jī)殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速及通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)都必須重點(diǎn)關(guān)注。電動機(jī)采取臥式安裝，定子主出線盒在電動機(jī)側(cè)面，同側(cè)還有測量出線盒及加熱器出線盒，分別提供了電機(jī)內(nèi)部測溫元件及加熱器的接口。電機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子，冷卻器及軸承等組成，見圖1。

2.1冷卻器設(shè)計

該電機(jī)的設(shè)計環(huán)境溫度為50 ℃，電動機(jī)需考慮高溫，潮濕，熱帶氣候環(huán)境的影響。電動機(jī)的冷卻方式為IC81W， 采用全封閉水對空氣冷卻結(jié)構(gòu)。冷卻

圖1　給水泵電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

器的設(shè)計滿足所有管路易于定期清掃和插入，并采用可拆卸水室和可單獨(dú)清掃的管路。電機(jī)機(jī)座安裝部分采用翻邊設(shè)計，可有效阻止水和塵埃進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。電動機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)能保證在管道泄漏時，漏出的水能避開一切電氣元件，而直接流向電動機(jī)的底部，從排放口無害排出。該電機(jī)的冷卻水源為海水，海水腐蝕性較強(qiáng)，這就要求冷卻器在材質(zhì)選擇上要考慮耐腐蝕的材料，最終冷卻器管材采用能滿足要求的不銹鋼TP316L。

2.2定子設(shè)計

定子主要包括機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等，定子鐵心采用外壓裝結(jié)構(gòu)，鐵心壓裝好VPI整浸后再壓入機(jī)座。定子鐵心兩端的壓圈厚度為47 mm，鐵心中間等分圓周長度焊12塊厚90 mm的弧形板。定子每相繞組個埋置2個Pt100鉑電阻測溫元件，方便用戶對繞組溫度進(jìn)行實時檢測。定子鐵心壓裝見圖2所示。

圖2　定子鐵心壓裝實物圖

考慮到電機(jī)端電壓為11 000 V，定子繞組采用F級防電暈云母絕緣材料，整個定子采用真空壓力浸漬無溶劑漆工藝(VPI)處理，繞組和鐵心固化成為一個整體，因此電動機(jī)的絕緣性能優(yōu)良可靠，機(jī)械強(qiáng)度好，防潮能力強(qiáng)。由于電機(jī)功率較大，因此繞組端部在電機(jī)起動時要承受非常大的電磁力。如果不采取有效的緊固措施，電機(jī)繞組端部不斷受到?jīng)_擊振動，將導(dǎo)致絕緣受傷、脫落、甚至破裂，進(jìn)而造成高壓擊穿事故[2]。因此，繞組的槽部和端部都必須得到可靠的緊固，端部借助并聯(lián)環(huán)、絕緣支架、端箍及滌玻繩的綁扎固定，間隙充以滌綸氈及熱固性膨脹材料。通過熱膨脹玻璃氈、適形氈組成的“間隔墊塊”以及綁扎固定繩的使用，將線圈端部之間墊實、墊緊，經(jīng)過VPI 浸漆處理后整個線圈端部形成一個整體，見圖3。

圖3　線圈端部綁扎圖

電纜引出方式采用并聯(lián)環(huán)和導(dǎo)電排，所有并聯(lián)環(huán)與定子線圈連接線及導(dǎo)電排連線均采用銀銅焊，焊后包絕緣。

電動機(jī)機(jī)座用鋼板焊成箱形結(jié)構(gòu)，焊接后進(jìn)行退火處理，質(zhì)量輕，剛度好。機(jī)座兩端面機(jī)壁的厚度為60 mm，兩者之間再加三道厚60 mm的中壁，機(jī)座軸向有焊筋及鋼管，加強(qiáng)機(jī)座的整體強(qiáng)度。機(jī)座兩側(cè)面開有窗口，用蓋板封住，拆下蓋板后可以觀察并觸及電動機(jī)內(nèi)部，便利電動機(jī)的維護(hù)和修理。

2.3轉(zhuǎn)子設(shè)計

電動機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、風(fēng)扇及端環(huán)等組成。轉(zhuǎn)子采用鼠籠式銅排結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)采用可靠的中頻感應(yīng)焊接技術(shù)。為防止銅排在槽內(nèi)的松動移位，轉(zhuǎn)子銅排在槽內(nèi)用脹緊工藝進(jìn)行緊固處理[3]。轉(zhuǎn)子按1.2倍額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行超速計算，線速度大于100 m/s， 超出了常規(guī)控制值， 因此，轉(zhuǎn)子端環(huán)需要由非磁性鋼材料的護(hù)環(huán)來支撐。護(hù)環(huán)由螺栓固定在端環(huán)端面上，并采取防松措施。

轉(zhuǎn)子兩側(cè)靠近定子線圈端部各固定有一個后傾離心式風(fēng)扇，定子線圈端部的熱空氣由離心式風(fēng)扇鼓進(jìn)機(jī)座上方的冷卻器后得到有效的冷卻。轉(zhuǎn)子裝配示意圖如圖4所示。

圖4　轉(zhuǎn)子裝配示意圖

軸采用剛性軸設(shè)計，考慮到軸伸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和鍵的擠壓應(yīng)力過大，軸的材料采用鋼16MnMoV，鍵采用鋼40Cr。軸上加焊筋，焊筋厚度為60 mm，高110 mm。軸的撓度計算，使用solidworks建模，采用ANSYS進(jìn)行了受力分析，計算撓度值小于氣隙0.1倍的要求，見圖5。

2.4絕緣措施

電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)采用11 kV F級性能優(yōu)良的絕緣系統(tǒng)。該絕緣系統(tǒng)的定子線圈及極相間連接線絕緣均采用厚度很薄的粉云母帶及無堿玻璃絲帶，有效減少絕緣厚度。減小絕緣厚度的好處是可以在定子槽里增加定子銅線截面積，從而有效降低電機(jī)的熱負(fù)荷，保證電機(jī)的帶負(fù)載能力。在定子線圈外部，直線部分用低阻帶，端部用高阻帶， 兩者相互搭接20 mm， 以防止電暈的產(chǎn)生。定

圖5　撓度計算

子線圈和鐵心經(jīng)VPI整浸后成為一個整體，使銅線和鐵心之間充滿絕緣漆，提高定子的強(qiáng)度及電動機(jī)的散熱能力。

2.5軸承設(shè)計

電機(jī)選用進(jìn)口RENK端蓋式滑動軸承，軸承防護(hù)等級達(dá)到IP54，能防止?jié)櫥瑒┑竭_(dá)電動機(jī)繞組。軸瓦采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的巴氏合金，軸瓦上設(shè)有接地螺釘，便于電機(jī)出廠前將軸伸端軸承接地。軸承帶有輸油節(jié)流裝置，可調(diào)節(jié)油壓和流量，避免壓力過大導(dǎo)致潤滑油進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。電機(jī)軸承裝設(shè)雙支熱電阻Pt100， 方便用戶對軸承溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。

2.6防止軸電流措施

大型交流異步電動機(jī)在使用過程中會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子軸電壓，這主要是由于電機(jī)在運(yùn)行過程中定轉(zhuǎn)子之間磁路不對稱產(chǎn)生的。當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時，會擊穿油膜，在轉(zhuǎn)軸、軸承和聯(lián)軸器構(gòu)成的回路中引起軸電流[4]。軸電流會在軸瓦及聯(lián)軸器上造成電弧灼點(diǎn)，燒傷等。因此本電動機(jī)軸伸端加裝接地碳刷，非軸伸端采用絕緣軸承來防止軸電流的產(chǎn)生。

3　電機(jī)試驗數(shù)據(jù)(見表1)

表1　電機(jī)試驗數(shù)據(jù)

電機(jī)各項性能均滿足與用戶簽訂的技術(shù)規(guī)格書的要求，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目的，最關(guān)鍵的是電機(jī)在額定運(yùn)行條件下振動性能非常良好。

4　結(jié)語

大功率給水泵電機(jī)作為電力行業(yè)發(fā)電系統(tǒng)的重要一部分，其整體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)的好壞直接影響到電廠整套鍋爐主給水系統(tǒng)的運(yùn)行，該電動機(jī)在實際使用中運(yùn)行情況穩(wěn)定，用戶反映良好，性能滿足熱電廠大功率給水泵系統(tǒng)的要求。通過驗證，該電動機(jī)完全實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo):電機(jī)振動小、起動電流低、效率高等指標(biāo)優(yōu)越，提高了整個機(jī)組的產(chǎn)品品質(zhì)。同時，該電機(jī)的研制成功，為我公司設(shè)計和制造更大功率的電廠給水泵電機(jī)積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[2]徐剛. 最新國內(nèi)外電機(jī)設(shè)計制造新工藝新技術(shù)與檢修及質(zhì)量檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M]. 長春：銀聲音像出版社，1994.

[3]傅豐禮，唐孝鎬. 異步電動機(jī)設(shè)計手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]王益全，劉軍，秦曉平，等. 電動機(jī)技術(shù)實用手冊[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.