14/16極高壓雙速異步電機(jī)研究與開(kāi)發(fā)

(重慶賽力盟電機(jī)有限公司，重慶 401329)

當(dāng)前我國(guó)大部分的工業(yè)拖動(dòng)都是采用交流感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，若采用恒速驅(qū)動(dòng)，會(huì)浪費(fèi)很多能源。因?yàn)檫@類感應(yīng)電機(jī)一般都是按照滿足額度負(fù)載研制的，而在實(shí)際運(yùn)行中常處于空載和輕載的狀態(tài)，產(chǎn)生“大馬拉小車”的現(xiàn)象，嚴(yán)重浪費(fèi)了能源。若采用變速驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)，既能滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，又能大量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的流量，是該類負(fù)載的最佳節(jié)能方法，可以節(jié)約21%以上的能源。調(diào)速技術(shù)中，采用變極調(diào)速電機(jī)對(duì)于有級(jí)調(diào)速，是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種方法。

目前14/16極三相異步電機(jī)并沒(méi)有成熟的槽配合可供選擇，也沒(méi)有相應(yīng)的出線方式，因此有必要開(kāi)發(fā)14/16極三相異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合和出線方式。

本文研發(fā)的變極電機(jī)采用單繞組，在不同極數(shù)下采用同一套繞組，通過(guò)改變繞組的接法來(lái)實(shí)現(xiàn)變極，因此要選擇同一槽配合。槽配合的選擇尤其困難，要保證兩種極數(shù)下普通電機(jī)槽配合選用的原則，還要考慮兩種極數(shù)下繞組磁勢(shì)無(wú)“次諧波”，以防止電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)、電磁噪聲和損耗發(fā)熱等問(wèn)題。

由于同一套繞組要接成兩個(gè)極數(shù)，因此線圈的抽頭數(shù)量較多。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，繞組的接線非常困難，相序清理困難，非常煩瑣，也容易出錯(cuò)，這就需要在研發(fā)之初做更多更細(xì)的分析，選擇更合適的槽配合，并作出變極前、后的接線原理圖，算出繞組分布系數(shù)，再核算電磁方案及各項(xiàng)性能參數(shù)。

1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

1.1 初步選擇定、轉(zhuǎn)子槽配合

為減小電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生徑向振動(dòng)和噪聲，需滿足Z1-Z2≠±1，Z1-Z2≠±p±1，Z1-Z2≠±2p±1；為避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生死點(diǎn)和低速爬行，應(yīng)避免Z1≠Z2，Z1-Z2≠±p，Z1-Z2≠±2p。選擇電機(jī)樣機(jī)的定子槽數(shù)為144，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為108，變極前極對(duì)數(shù)p為7，變極后極對(duì)數(shù)p為8，經(jīng)校核上述關(guān)系式成立，電機(jī)變極前后均可正常運(yùn)行。

1.2 電機(jī)繞組分布系數(shù)的確定

單繞組近極比變極通常有反向變極法和換相變極法。本電機(jī)采用換相法變極，變極前、后繞組具體接法見(jiàn)圖1。

1.3 電磁方案的確定

圖1 變極前、后繞組具體接法

圖2 電機(jī)不同負(fù)荷下的各項(xiàng)性能參數(shù)計(jì)算輸出

1.4 選取合理的定、轉(zhuǎn)子尺寸

選取合理的定、轉(zhuǎn)子尺寸，具有更合理高、寬比的槽形，減小線圈嵌線間隙，提高槽滿率，使電機(jī)的電磁負(fù)荷取值更合理。從樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果可知，程序完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。程序可對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的性能進(jìn)行理論計(jì)算，反之也給電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

1.5 主要零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，著重對(duì)電機(jī)的主要零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。運(yùn)用SOLIDWORKS及UG等三維軟件，采用有限元法對(duì)機(jī)座、端蓋、轉(zhuǎn)軸等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)轉(zhuǎn)子線圈端部、引出銅條和引出電纜的固定進(jìn)行了研究，可有效減少轉(zhuǎn)子故障，大幅度提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性。簡(jiǎn)略分析了該機(jī)座的應(yīng)力、應(yīng)變情況，從應(yīng)力分析圖(見(jiàn)圖3)可以看出：該機(jī)座的最大變形量為7.785e-002，且為局部很小面積，而其他的大面積變形量在3.093e-002以內(nèi)。其屈服應(yīng)力為2.141e+007(許用屈服應(yīng)力2.350e+008)，所以該機(jī)座的剛性和強(qiáng)度完全能滿足使用要求。

1.6 軸承裝配

通過(guò)對(duì)電機(jī)所帶負(fù)載特性的研究，提出了電機(jī)在不同負(fù)載情況下選擇用不同的軸承裝配。該電機(jī)由于要求承受向下的軸向水推力22 t，外加電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量7.4 t，因此其推力軸承選用了軸向推力瓦加導(dǎo)軸承，使電機(jī)在運(yùn)行時(shí)既能滿足負(fù)載能力，又能減小軸承的噪聲和損耗，并在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了有效考慮。

圖3 應(yīng)力分析圖

1.7 絕緣結(jié)構(gòu)

定子采用F級(jí)絕緣，電磁線采用自粘性雙玻薄膜繞包云母帶繞包扁銅線，定轉(zhuǎn)子均采用環(huán)氧酸酐少膠VPI絕緣技術(shù)，可大大降低絕緣厚度，縮短線圈制造和浸烘時(shí)間，緩解生產(chǎn)流程的瓶頸問(wèn)題，產(chǎn)能變成原來(lái)的兩倍；并且在增強(qiáng)繞組整體絕緣性和防潮性能的同時(shí)節(jié)約了能源，降低了對(duì)工人身體的損害，非常有利于環(huán)保。

1.8 繞組的接線圖設(shè)計(jì)

本電機(jī)以14P為基本極，2Y接法，16P時(shí)為△接法，兩種接法下三相磁勢(shì)大小相等且對(duì)稱。繞組端部聯(lián)線共需30個(gè)抽頭，其中24個(gè)抽頭布置在改極接線盒，另6個(gè)抽頭引到定子主接線盒。每次變極前需待電機(jī)完全停下后，進(jìn)行放電安全處理，再采用手動(dòng)調(diào)換連接片實(shí)現(xiàn)變極。

所有抽頭采用新型高安全高壓絕緣子和接線螺栓結(jié)構(gòu)，定子繞組電纜與接線螺栓采用先進(jìn)的冷壓工藝，保證接觸電阻一致，提高可靠性。連接片采用銅質(zhì)鍍銀，保證接觸良好和強(qiáng)耐腐蝕性。

1.9 冷卻器計(jì)算

將高轉(zhuǎn)速電機(jī)變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子圓周速度降低，軸承發(fā)熱現(xiàn)象得到改善。雖然電機(jī)因轉(zhuǎn)速降低造成通風(fēng)條件變差，但因定子電流減小，定子銅耗明顯降低，發(fā)熱量也會(huì)減少，所以不會(huì)造成電機(jī)整體溫度的升高，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇不用變化，冷卻通風(fēng)系統(tǒng)也只須考慮高速時(shí)的情況。圖4是運(yùn)用CAE計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)電機(jī)的風(fēng)路及冷卻器的風(fēng)量、水量，以及管數(shù)所做的精確計(jì)算結(jié)果截圖，這樣使冷卻器的冷卻效果更佳，熱交換效率更高，更節(jié)材。

2 型式試驗(yàn)

變極前、后型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1 變極前(14P時(shí))

參數(shù)設(shè)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)值試驗(yàn)值PCU1/W21 043-21 082PCU2/W9 425-9 457Pfe/W22 427-21 526Ps/W9 355-9 276Pw/W9 000-9 011P總/W71 250-70 352額定轉(zhuǎn)速/(r/min)426-425振動(dòng)/(mm/s)-2.31.0噪聲/dB(A)-10297

空～水冷卻器電機(jī)發(fā)熱量84kW進(jìn)水溫度33℃進(jìn)風(fēng)溫度60℃出水溫度35℃出風(fēng)溫度40℃水密度γ1994.27kg/m3空氣密度γ21.093kg/m3水比熱C10.998kcal/kg.℃空氣比熱C20.24kcal/kg.℃水量Q136.40266m3/h風(fēng)量Q23.82502m3/s進(jìn)水量25m3/h水管有效長(zhǎng)度2100mm水管全長(zhǎng)2138mm水管數(shù)量108根水管直徑14mm翅片長(zhǎng)360mm翅片寬200mm翅片數(shù)量1728片冷卻器有效寬360mm水路數(shù)4換熱面積248.832m2水流通面積0.00416m2水速0.835406m/s迎風(fēng)面積1.512m2迎面風(fēng)速2.483041m/s傳熱系數(shù)42.5329空氣質(zhì)量流量4.129794kg/s水質(zhì)量流量6.94444kg/s傳熱單元數(shù)2.519892兩液體質(zhì)量比0.14445冷卻效率系數(shù)0.940509實(shí)際出風(fēng)溫度34.6063℃實(shí)際換熱功率106.6537kW出水溫度36.6682℃空氣壓降74.42341Pa水壓降6.31688kPa風(fēng)量Q23.754358m3/s

圖4 運(yùn)用CAE計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)電機(jī)所做的精確計(jì)算

表2 (續(xù))

從以上對(duì)比分析可以看成，該電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，全部合格，效率和功率因數(shù)接近設(shè)計(jì)值，轉(zhuǎn)矩均高于設(shè)計(jì)值，各種損耗均接近于設(shè)計(jì)值 ，其中空載電流也與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，占額定電流的36%，比較合理。

電機(jī)試車時(shí)，聲音也比較柔和，電磁噪聲、電磁振動(dòng)很小，可見(jiàn)該電機(jī)的槽配合選擇比較合適，各種磁場(chǎng)密度、氣隙磁密都設(shè)計(jì)得比較合適。

電機(jī)變極前、后的轉(zhuǎn)速分別為425 r/min和375 r/min，可見(jiàn)電機(jī)線圈通過(guò)改變接法，變極前、后達(dá)到了各自的額定轉(zhuǎn)速，線圈的接法正確。

綜上所述，該電機(jī)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證合格，證明該設(shè)計(jì)方案是成功的，產(chǎn)品能滿足用戶要求。

3 電機(jī)使用情況

目前4臺(tái)YLKS900-14/16 1 800 kW/1 200 kW 6 kV IP54電機(jī)產(chǎn)品已全部交付用戶使用了一年時(shí)間，期間用戶未反饋有問(wèn)題發(fā)生，質(zhì)量可靠。

4 結(jié)論

1)該設(shè)計(jì)是成功的。

2)出廠、型式試驗(yàn)和用戶使用均證明本產(chǎn)品是安全可靠的，且性能優(yōu)良。

3)根據(jù)相同理論可在不同極數(shù)間變換，可以大力推廣類似電機(jī)市場(chǎng)，擴(kuò)大該類產(chǎn)品的產(chǎn)量。