大型同步電機轉(zhuǎn)子實心磁極的改進

安震東， 徐興兵

(蘭州電機股份有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

2017年10月，蘭州電機股份有限公司為馬鞍山鋼鐵集團研制提供TSK6500-6型6 500 kW、10 kV大型三相同步電動機。電機轉(zhuǎn)子為實心磁極結構，實心磁極極身與磁軛之間用“T尾”連接，采用斜鍵方式打緊固定[1]。當電機頻繁起動或長時間運行時，斜鍵會逐漸產(chǎn)生松動，從而造成斜鍵甩出、線圈絕緣破壞等電機故障。據(jù)統(tǒng)計，此類轉(zhuǎn)子實心磁極結構發(fā)生故障的頻率較高，對電機有很大的安全隱患，嚴重影響電機運行的可靠性。

本文以TSK6500-6型6 500 kW、10 kV大型三相同步電動機為例，研究改進轉(zhuǎn)子實心磁極結構，改變轉(zhuǎn)子實心磁極與磁軛的連接方式，取消磁極與磁軛之間的“T尾”連接方式。通過改進，徹底解決由磁極與磁軛之間“T尾”連接結構所造成的電機故障隱患，提高電機運行的可靠性和安全性。同時，通過改變轉(zhuǎn)子實心磁極結構降低工藝加工難度，便于磁極線圈后期維護修理。

1 大型同步電機轉(zhuǎn)子實心磁極結構分析

中國國內(nèi)現(xiàn)有的大型三相同步電動機轉(zhuǎn)子實心磁極結構主要為以下結構型式：軸與磁軛用整塊毛坯鍛料加工，為一整體；磁極的極靴與極身用整塊毛坯鍛料加工，為一整體；磁軛與極身之間用“T尾”連接，“T尾”與“T尾”槽之間采用斜鍵方式打緊固定[2]。轉(zhuǎn)子實心磁極結構如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子實心磁極結構

經(jīng)過多年使用，該實心磁極結構逐漸暴露出以下問題：

(1) 當電機頻繁起動或長時間運行時，斜鍵會逐漸產(chǎn)生松動，使磁極與磁軛之間產(chǎn)生晃動，長期如此會造成磁極線圈的絕緣層破損，最終燒毀線圈。

(2) 斜鍵松動后，如果不及時采取措施，斜鍵還有可能甩出，對電機造成嚴重的破壞，甚至引起較大的安全事故。

(3) 可維修性差，當需要更換磁極線圈時，需要將磁極拆下，拆裝過程繁瑣、困難，受施工人員操作技術的影響，還會造成磁極和磁軛受到不同程度的破壞。

(4) 工藝加工難度大，尤其是磁軛“T尾”槽和磁極“T尾”的加工，不僅生產(chǎn)周期長，而且尺寸精度很難保證。

2 改變轉(zhuǎn)子實心磁極結構的技術難點

要提高電機運行的可靠性和安全性，就要徹底改變磁軛與極身之間的“T尾”連接結構。將軸、磁軛、極身設計為一體式結構，其結構設計、工藝方案與傳統(tǒng)結構方案(軸與磁軛為一整體，極靴與極身為一整體)相比，難度較大。

將軸、磁軛、極身設計為一體式結構，則極靴與極身必須分開，否則磁極線圈無法裝配施工。因此，如何固定、把合極靴與極身，需要嚴謹?shù)胤治稣撟C，并在運行過程中驗證電機極靴與極身連接的可靠性。

3 電機技術參數(shù)

根據(jù)技術要求(電機額定輸出功率6 500 kW、電壓等級10 kV、轉(zhuǎn)速1 000 r/min)及工況條件，將電機機座號設計為1 730，確定定子沖片的內(nèi)、外徑及沖片開槽的寬高，依據(jù)沖片開槽尺寸和10 kV電機絕緣規(guī)范確定定子線圈線規(guī)，結合外拓燒結風機技術要求通過電磁計算確定鐵心長，在保證定、轉(zhuǎn)子溫升的基礎上調(diào)整其定子線圈匝數(shù)及并聯(lián)路數(shù)。最終確定的電機技術參數(shù)如表1所示。

表1 電機技術參數(shù)設計值

4 電機結構設計方案

電機為臥式結構安裝，由定子、轉(zhuǎn)子、座式滑動軸承、底板、空-水冷卻器(電機底部地坑)、空間加熱器、集電環(huán)及輔助接線盒等部件組成。電機冷卻方式為IC91W，整體防護等級為IP44。電機整體結構如圖2所示。

圖2 電機整體結構(mm)

電機本體與基坑形成一個封閉空間，空-水冷卻器放置在電機定子正下方，地坑內(nèi)采用兩端對稱進風的徑向通風系統(tǒng)，電機內(nèi)排出的熱空氣經(jīng)過空-水冷卻器后變成冷空氣排到基坑內(nèi)，再次被電機兩側的風扇吸入電機內(nèi)，從而完成一次冷卻循環(huán)。

4.1 定子結構

電機的定子主要由機座、定子鐵心、定子繞組等部件組成，具體結構如圖3所示。

圖3 定子結構

機座為臥式兩側帶底腳板結構，采用鋼板焊接而成。為保證機座有足夠的剛度，減小振動和噪聲，機座內(nèi)部鐵心檔處設置四道環(huán)板，環(huán)板之間用圓周均布的筋板支撐加固。

定子鐵心采用以定位筋內(nèi)圓定位、用拉緊螺桿固定的內(nèi)壓裝結構。用0.5 mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊壓而成。鐵心外圓與機座定位筋之間焊接一定數(shù)量的固定片進行固定，保證定子鐵心的剛度滿足要求。在鐵心的徑向合理布置通風溝的數(shù)量，確保鐵心的通風散熱。

定子繞組采用優(yōu)質(zhì)電磁導線繞制，繞組絕緣采用F級少膠絕緣結構，絕緣結構可靠性高。繞組嵌線完成后，采用真空壓力浸漬(VIP)完成高性能改性環(huán)氧耐高溫樹脂絕緣處理并烘焙固化，整體性好，介質(zhì)損耗低，電機耐電、熱老化性能好。最后在電機鐵心及繞組表面噴涂防霉瓷漆，進一步提高電機耐環(huán)境性能。

4.2 轉(zhuǎn)子結構

電機的轉(zhuǎn)子主要由軸、磁軛、磁極、磁極線圈組成，具體結構如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子結構

4.2.1 軸、磁軛、極身結構設計

改變磁極和磁軛的連接方式，將軸、磁軛、極身設計為一體式結構，用整塊35CrMo鍛料加工而成。具體結構如圖5所示。

圖5 軸、磁軛、極身結構

4.2.2 極靴與極身連接結構設計

極身與磁軛設計成一個整體，則極靴與極身必須設計成可分離結構。當磁極線圈套在極身之后，再將極靴與極身固定。因此，要對極靴與極身的連接結構進行設計，保證連接的可靠[3]。

極靴與極身用18個材質(zhì)為35CrMo的M48螺釘固定，在極靴加工沉頭孔，如圖6所示。在極身表面加工螺孔，如圖7所示。

圖6 極靴結構(mm)

圖7 極身表面(mm)

通過設計新結構的軸、磁軛、極身、極靴，組成了轉(zhuǎn)子的新結構，如圖8所示。該結構取消了斜鍵、“T尾”及“T尾”槽，徹底解決了斜鍵松動引起的安全問題，并且工藝加工難度也得到有效降低。極靴與極身為可拆裝結構，在需要更換磁極線圈時，只需將極靴拆下，即可完成線圈的更換，轉(zhuǎn)子的可維修性大幅提高[4]。

圖8 新設計的轉(zhuǎn)子結構

5 工藝方案

工藝方案主要內(nèi)容有：總裝配工藝、定子鐵心疊壓及加工工藝、轉(zhuǎn)子加工工藝、機座焊接及加工工藝[5]。總裝配圖如圖9所示。

圖9 總裝配圖(mm)

5.1 總裝配工藝

清理干凈底板加工面，將底板吊到準備好的墊塊上，墊實并調(diào)平底板。

軸承裝配時在底板上放好墊片，然后將軸承座吊到底板上，軸承座孔與底板螺孔對正，調(diào)節(jié)墊片，使軸承座中心高度滿足要求。

插入轉(zhuǎn)子時將轉(zhuǎn)子用木塊支撐，調(diào)整高度，使定、轉(zhuǎn)子軸線基本重合，從定子的一端插入一鋼套管，套入轉(zhuǎn)子的另一端，然后用吊車從軸的兩端同時起吊，保持轉(zhuǎn)子水平，將轉(zhuǎn)子慢慢插入定子中。在底板的機座底腳處放適當?shù)膲|片，將定、轉(zhuǎn)子一起吊到底板上，調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心，使之一致。

裝配軸承蓋時旋入把合螺栓擰緊，盤車檢查氣隙是否均勻、有無刮擦現(xiàn)象，把緊各零部件螺栓。最后裝配兩側端罩、出線盒、蓋板，并進行試驗，噴漆。

5.2 定子鐵心疊壓及加工工藝

定子鐵心為扇形片內(nèi)壓裝結構。定子扇形片采用50W470冷軋硅鋼片沖制而成，疊片時要求沖片標記孔對齊，毛刺方向一致。鐵心預壓，按片間單位壓力1.5～1.8 MPa壓緊力預壓。

為了保證槽形疊壓公差0.3 mm，疊壓定位槽樣棒按槽形名義尺寸減0.1 mm設計。疊壓時每個扇形沖片用2根槽樣棒定位，這樣既能保證槽形公差，又能保證槽形整齊度，而且能降低嵌線后破壓率。

定子鐵心疊壓至總長，放定子壓圈，把緊拉緊螺桿，要求分多次均勻、對稱、循環(huán)把緊螺桿，直到鐵心緊度合格為止。割去螺桿多余部分，焊接螺母、固定片；用通槽棒檢查槽形，并修銼尖點及毛刺，用壓縮空氣將鐵心清理干凈。

5.3 轉(zhuǎn)子加工工藝

5.3.1 軸、磁軛、極身、極靴加工

材料為35鍛鋼，極身上表面到軸中心距離為(523±0.1) mm，極身長度為1 190 mm，軸總長度為4 145 mm。

5.3.2 磁極線圈安裝

轉(zhuǎn)軸極身包絕緣后，將配重好的磁極編號，放磁極托板，套磁極線圈，放磁極托板，最后用螺釘把合極靴。

磁極線圈由銅扁線繞成，采用F級絕緣，匝間墊有環(huán)氧玻璃坯布，絕緣后熱壓成堅固的整體。極身絕緣用云母箔及無堿布包繞而成。

5.3.3 轉(zhuǎn)子后處理

轉(zhuǎn)子裝配磁極線圈、極靴完畢后，通過環(huán)氧布板調(diào)整外圓尺寸，保證其符合圖樣要求，最后進行沉浸浸漆→接線后接頭處刷膠→安裝風扇、集電環(huán)、線夾等→轉(zhuǎn)子動平衡(在20 t高速動平衡機HM7VS上進行動平衡試驗)，平衡精度按G2.5執(zhí)行。

6 結果驗證

6.1 磁極固定的計算驗證

實心磁極結構的同步電機轉(zhuǎn)子，即磁極、磁軛、轉(zhuǎn)軸由鍛件整體加工而成，極靴通過把合螺栓固定在極身上。通過鍛軸許用應力和線圈、極靴離心力的機械計算[6]，驗證整體承載能力和剛度，判斷固定極靴螺桿是否能夠承受線圈、極靴離心力，或者在線圈、極靴離心力作用下，固定極靴螺桿的選擇、數(shù)量是否匹配，安全可靠性能否滿足要求。具體計算數(shù)據(jù)如下。

過速np=1 200 r/min。

極靴和磁極線圈質(zhì)量Gj=G1+G2=396 kg，其中磁極線圈質(zhì)量G1=183 kg，極靴質(zhì)量G2=213 kg。

利用BIM技術對4棟電梯前室進行裝飾排布，將材質(zhì)及設備信息掛接于裝飾模型上，不僅可以直觀地看到排布的裝修效果，還能精確地計算面磚的用量及需要切割的用量，提高物資管理效率，減少材料浪費。電梯前室裝飾模型如圖4所示。

線圈重心半徑Rj1=523 mm。

極靴重心半徑Rj2=592 mm。

每極螺桿數(shù)m=18。

每個M48螺桿最小斷面積F=1 424.5 mm2。

許用應力(鋼35GrMo)[σL]=225 MPa。

計算結果表明，固定極靴螺桿拉應力遠小于轉(zhuǎn)軸許用應力，滿足電機運行要求。

6.2 電機的運行數(shù)據(jù)驗證

為驗證電機轉(zhuǎn)子實心磁極結構改進的有效性和工藝方案實施的合理性，在電機進行溫升試驗和超速試驗時，對電機進行振動測試[7]，結果如表2所示。振動測試結果滿足GB/T 10068—2020《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量評定及限值》[8]。同時電機性能數(shù)據(jù)均滿足設計要求，試驗后拆機檢查轉(zhuǎn)子結構完好。

表2 同步電機振動測試

7 社會效益和經(jīng)濟效益分析

大型三相同步電動機轉(zhuǎn)子實心磁極結構的成功改進，提高了電機運行的可靠性和安全性。一方面使該類電機的質(zhì)量得到了很大的提升，贏得了用戶的信任和好評，提升了品牌價值及核心競爭力；另一方面為后期研制更大容量、更高轉(zhuǎn)速的大型三相同步電動機奠定了技術基礎，促進使用該類電機的水泵、風機等行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，對提高國民經(jīng)濟發(fā)展有很重要的意義。

改進后的大型三相同步電動機，目前已完成訂貨合同4臺(套)，已實現(xiàn)銷售收入411萬元。該產(chǎn)品立足于國產(chǎn)，同時具有與進口同類產(chǎn)品相同的性能，而市場售價比進口同類產(chǎn)品低了40%左右。該產(chǎn)品能夠確保生產(chǎn)安全，減少了事故停產(chǎn)，可為用戶創(chuàng)造間接經(jīng)濟效益。隨著鋼鐵、水利行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，預計訂貨量還會不斷增加。

8 結 語

TSK6500-6型6 500 kW、10 kV三相同步電動機轉(zhuǎn)子實心磁極結構的研制改進完成，達到了預期目標。計算和運行驗證結果證明了研制改進方向的正確性和研制方法的有效性。希望通過此次研制改進，為同步電機轉(zhuǎn)子結構的設計提供參考和借鑒。