TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

劉繼國（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

劉繼國（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

本文結(jié)合一臺為國外壓縮機(jī)配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)，研究了正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的防爆優(yōu)勢，單支撐同步電機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，以及與國內(nèi)外電機(jī)相比該電機(jī)的優(yōu)勢。

正壓外殼型/增安型；無刷勵磁；同步電動機(jī)；國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

近年來，石化煤炭行業(yè)對無刷勵磁同步電動機(jī)的需求與日俱增，尤其是近年石化行業(yè)產(chǎn)量不斷提升，大型防爆無刷勵磁同步電動機(jī)功率也隨著越來越大，與國外相比，國內(nèi)大功率無刷勵磁同步電動機(jī)相對市場占有量較小，因此大功率防爆無刷勵磁同步電動機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)已迫在眉睫。

為此，中海石油煉化有限責(zé)任公司、佳木斯電機(jī)股份有限公司（以下簡稱“佳電”）共同合作進(jìn)行惠州煉油二期2200萬噸/年改擴(kuò)建及100萬噸/年乙烯工程項(xiàng)目用正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)，該同步電動機(jī)應(yīng)用在2區(qū)，IIC（氫氣）場所，拖動渣油加氫裝置（133單元）往復(fù)式新氫壓縮機(jī)負(fù)載。

1 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率：10000kW

極 數(shù)：20P

額定電壓：10kV

額定電流：661A

額定頻率：50Hz

相 數(shù)：3相

同步轉(zhuǎn)速：300r/min

絕緣等級：F級

安裝方式：IM7115（單軸承支撐，伸端與壓縮機(jī)共用一個軸承）

冷卻方式：IC81W（上水冷）

旋轉(zhuǎn)方向：逆時針（從電機(jī)軸伸端看）

工作制：S1

功率因數(shù)：0.9（超前）

效 率：97%（保證值）

失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：1.6（保證值）

堵轉(zhuǎn)電流/額定電流：5.0（保證值）

牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：0.6（保證值）

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：0.6（保證值）

飛輪轉(zhuǎn)矩GD2：＞100t·m2

防爆標(biāo)志：ExepzIIT3Gc+ExeIICT3Gc

(取得了安型防爆和正壓外殼型和增合格證)

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

該設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）選擇合適的防爆型式；

（2）設(shè)計(jì)低起動電流；

（3）設(shè)置規(guī)劃結(jié)構(gòu)；

2.1 防爆型式的選擇

該電機(jī)應(yīng)用在2區(qū)，IIC場所，考慮到增安型、隔爆型、正壓外殼型幾種防爆型式的優(yōu)缺點(diǎn)，為保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行，本次電機(jī)設(shè)計(jì)防爆型式選用正壓外殼型/增安型，該型式是佳電2012年研制的一種新型防爆型式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)同時設(shè)有兩套銘牌即增安型防爆電機(jī)銘牌和正壓外殼型防爆電機(jī)銘牌，電機(jī)同時獲得增安型防爆電機(jī)合格證及正壓外殼型防爆電機(jī)合格證，兩種防爆型式同時起作用，當(dāng)一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。即同一設(shè)備設(shè)計(jì)制成不同的防爆型式，符合GB3836.1-29.6多種防爆型式的相關(guān)規(guī)定。

（2）該產(chǎn)品不僅僅通過了嚴(yán)格的防爆檢驗(yàn)，還順利通過了絕緣系統(tǒng)檢測。在此基礎(chǔ)上，還陸續(xù)通過了正壓外殼型防爆試驗(yàn)，但這并沒有丟失其自帶的眾多優(yōu)點(diǎn)，例如：機(jī)電不產(chǎn)生火花、溫度不危險(xiǎn)、電弧、TE時間保護(hù)等。另外，它還具備安全性能更高、可使備用電機(jī)處于保壓狀態(tài)隨時起車的優(yōu)勢，總而言之，該產(chǎn)品有效提高了其原有的安全性和適用性。

（3）正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)克服了單一防爆形式的缺點(diǎn)：

正壓外殼型電機(jī)一旦出現(xiàn)失壓或外部管路故障，電機(jī)就必須停機(jī)進(jìn)行檢查，該產(chǎn)品具備當(dāng)一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，無需停機(jī)。

正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)正壓保護(hù)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行智能化升級，主備機(jī)切換過程中無需等待，克服了增安型電機(jī)每次起動前需重新進(jìn)行吹掃換氣的問題（即由一種防爆型式向另一種防爆型式切換過程順暢，不會出現(xiàn)電機(jī)互鎖停機(jī)問題）。

值得一提的是，經(jīng)過國際的檢驗(yàn)和查新，該產(chǎn)品在技術(shù)上的創(chuàng)新尤其是在防爆技術(shù)上的應(yīng)用，特別是將兩種防爆形式應(yīng)用在同一產(chǎn)品之上，開創(chuàng)了國內(nèi)首例和先河，值得借鑒。

2.2 低起動電流的設(shè)計(jì)

2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電機(jī)安裝方式IM7115,冷卻方式為IC81W，防護(hù)等級IP54，單支撐結(jié)構(gòu)，法蘭軸伸，尾端設(shè)座式滑動軸承,電機(jī)采用徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生軸向力，同時可以有效地保證電機(jī)鐵心溫度場的均勻分布。從軸伸端看，電機(jī)右側(cè)帶一個主接線盒；在電機(jī)的保護(hù)上，電機(jī)帶有以下輔助及保護(hù)措施：

▲加熱器；

▲漏水保護(hù)器；

▲定子測溫裝置；

▲軸承測溫裝置；

▲電機(jī)進(jìn)出風(fēng)測溫裝置；

▲正壓保護(hù)裝置及泄露補(bǔ)償裝置；

▲磁平衡電流互感器；

▲軸振動傳感器；

▲勵磁機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置。

2.3.1 電機(jī)的軸系計(jì)算

本次設(shè)計(jì)的TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)是我公司設(shè)計(jì)的最大功率的單支撐電機(jī)，由于其軸系的特殊性，特對整個軸系進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如下：

軸的撓度為：0.4623mm，撓度占?xì)庀兜陌俜謹(jǐn)?shù)4.17%＜8%（許用值）；

軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值為：1352r/min注：考慮磁拉力

1352r/min＞2.3×300=690r/min，因此軸的臨界轉(zhuǎn)速滿足要求；。

軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)量小值為：2.34＞1.5（許用系數(shù)）；

軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為：2.40＞1.5（許用系數(shù)）；

軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算值為12.97MPa＜[τ]=30MPa注：[τ]為許用剪切力；

軸的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值為：0.038（○/m）＜[φ]=0.25（○/m）注：[φ]為許用扭轉(zhuǎn)角。

另外，通過采用有限元軟件對軸的撓度及軸臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，上述分析結(jié)果與手工計(jì)算相符。

2.3.2 定子電流波動與飛輪力矩的選擇計(jì)算

在保證曲軸轉(zhuǎn)角速度在正常的波動范圍內(nèi)，最重要的就是要選擇合理的飛輪轉(zhuǎn)矩，飛輪轉(zhuǎn)矩是整個系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備，如何選擇就顯得異常關(guān)鍵，因此在本次設(shè)計(jì)中佳電引進(jìn)了定子電流波動與飛輪力矩的選擇計(jì)算。一般同步電動機(jī)的電流波動（振蕩的振幅）要求采用 ΔJ≤66%J額定，振蕩角的電角度Δθ≤20°，經(jīng)計(jì)算，在壓縮機(jī)最高運(yùn)行功率100%負(fù)載額定電壓下，計(jì)算結(jié)果符合上述要求，且電機(jī)自身飛輪力矩滿足主機(jī)廠的要求。

2.3.3 科學(xué)合理的密封技術(shù)

該產(chǎn)品借鑒我公司無刷勵磁同步電動機(jī)的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)，采用新型工藝和材料，不僅可靠性極高，而且機(jī)身含有耐腐蝕和耐高溫的材料，這使得產(chǎn)品不僅僅能夠很好控制電機(jī)泄漏量，還可以在一定程度上提高電機(jī)的密封功能和可靠性，該產(chǎn)品在選取材料時還進(jìn)行了一定數(shù)量上的實(shí)驗(yàn)檢測，具有可行性和實(shí)用性，為產(chǎn)品的使用成功夯實(shí)基礎(chǔ)。

2.3.4 創(chuàng)新的試驗(yàn)方法

由于本次項(xiàng)目用電機(jī)為單支撐結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時難度較大，以往單支撐電機(jī)試驗(yàn)時采用加長軸與電機(jī)軸伸法蘭對接，加長軸上加工有軸承臺，設(shè)置支撐軸承、試驗(yàn)底架與電機(jī)對接后進(jìn)行試驗(yàn)。本次直接采用試驗(yàn)軸承，對電機(jī)軸伸端軸頸部位精加工，在此部位支撐后進(jìn)行試驗(yàn)，與以往相比節(jié)約時間，降低成本，可靠性高。

3 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較優(yōu)勢

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：電機(jī)采用單支撐結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝對中更加方便，降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率，環(huán)保節(jié)能。

防爆優(yōu)勢：采用雙重防爆型式，克服了單一防爆型式的缺點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

技術(shù)優(yōu)勢：采用先進(jìn)的有限元軟件精確設(shè)計(jì)，電機(jī)的電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案更精確合理，采用先進(jìn)的計(jì)算方法及手段，提高了產(chǎn)品的科技含量，使產(chǎn)品性能更佳。

服務(wù)優(yōu)勢：與國內(nèi)外其它企業(yè)相比，佳電通過多年的發(fā)展，在全國各主要城市都設(shè)有銷售及售后服務(wù)機(jī)構(gòu)，在全國范圍內(nèi)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)。

4 結(jié)語

TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機(jī)研制生產(chǎn)成功，將使我國大型防爆電機(jī)的地位得到提升，進(jìn)一步推進(jìn)國內(nèi)三相同步電動機(jī)發(fā)展，填補(bǔ)國內(nèi)空白。同時為我國大型防爆電機(jī)的設(shè)計(jì)制造積累大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為今后大電機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、大型設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010: 26-14～26-32.

［2］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:253-258.