董　存

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海　200240)

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TAW2000-18增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)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(dòng)機(jī)為例，介紹了增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)電磁設(shè)計(jì)、tE時(shí)間計(jì)算、絕緣系統(tǒng)、吹掃裝置等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了闡述，同時(shí)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，進(jìn)一步對(duì)該系列電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

增安型；同步電動(dòng)機(jī)；tE時(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)而言，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。本次項(xiàng)目即為某化工單位生產(chǎn)制造的增安型同步電動(dòng)機(jī)，具體規(guī)格如下：

型號(hào)： 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(jí)： F級(jí)(B級(jí)考核)

電動(dòng)機(jī)飛輪力矩： 20 t·m2

防爆級(jí)別： Ex e ⅡC T3 Gc

1　電磁設(shè)計(jì)

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

圖1　電動(dòng)機(jī)tE時(shí)間的最小值與啟動(dòng)電流比IA/IN

要做到以上兩點(diǎn)，必須采用特殊電磁設(shè)計(jì)。增安型同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)必須保證電動(dòng)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(diǎn)燃溫度。不同環(huán)境溫度組別對(duì)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(jì)時(shí)充分考慮每一個(gè)局部發(fā)熱點(diǎn)。為保證可靠性，與普通同步機(jī)相比，增安型同步電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷相應(yīng)降低1～2檔功率。經(jīng)多個(gè)方案對(duì)比，初步電磁設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)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(jì)算溫升： 25 K

轉(zhuǎn)子計(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)型。

確定初步方案后，對(duì)其進(jìn)行tE時(shí)間的驗(yàn)算。

1) 定子繞組的tE時(shí)間可按下式計(jì)算：

式中：tE1為定子繞組的tE時(shí)間，s；θ1為tE時(shí)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(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的穩(wěn)定溫升；α為材料的計(jì)算常數(shù)，對(duì)銅繞組為0.006 5；j為啟動(dòng)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(xiàng)目定子繞組

2) 啟動(dòng)籠tE時(shí)間按下式計(jì)算：

式中：tE2為啟動(dòng)籠的tE時(shí)間，s；θ2為tE時(shí)間內(nèi)的允許溫升，K，其值等于啟動(dòng)籠的極限溫升減去電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)籠的穩(wěn)定溫升(當(dāng)勵(lì)磁繞組的穩(wěn)定溫升高于定子繞組的穩(wěn)定溫升時(shí)，則啟動(dòng)籠的穩(wěn)定溫升取勵(lì)磁繞組的穩(wěn)定溫升，當(dāng)勵(lì)磁繞組的穩(wěn)定溫升低于定子繞組的穩(wěn)定溫升時(shí)，啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)籠的散熱系數(shù)，b2=0.75。

所以本項(xiàng)目啟動(dòng)籠

從上述計(jì)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(shí)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(jì)

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(xiàng)試驗(yàn)：

a) 施加1.5倍額定線電壓，歷時(shí)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(duì)地的10個(gè)電壓脈沖，電壓上升時(shí)間在0.2～0.5 μs，并且幅值在峰值一半以上的時(shí)間至少為20 μs.脈沖應(yīng)施加于相對(duì)相和相對(duì)地之間。

這一點(diǎn)要求是GB 3836.3—2010升版以來最大的改動(dòng)，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(xiàng)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(yàn)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(shí)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(duì)待。

5) 對(duì)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(yàn)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于同步電機(jī)通常是靠啟動(dòng)籠進(jìn)行異步啟動(dòng)，全壓直接啟動(dòng)時(shí)，由于出現(xiàn)強(qiáng)電流，啟動(dòng)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(dòng)，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(xiàng)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(jì)

采用上水冷結(jié)構(gòu)，使冷卻器與電動(dòng)機(jī)聯(lián)成一個(gè)整體，風(fēng)路短，利于散熱，對(duì)低轉(zhuǎn)速電機(jī)尤為明顯。同時(shí)上水冷結(jié)構(gòu)也節(jié)省了安裝空間，減輕拆裝時(shí)部件質(zhì)量，便于吊裝與運(yùn)輸。本次項(xiàng)目為無刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，為了減小機(jī)座長度，將交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流盤設(shè)計(jì)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(lì)磁機(jī)內(nèi)部設(shè)有自冷風(fēng)扇，通過管路將主機(jī)和勵(lì)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(jì)結(jié)構(gòu)和本次設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)需配備吹掃裝置，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前進(jìn)行吹掃，保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)腔體內(nèi)沒有爆炸性氣體的存在。根據(jù)本項(xiàng)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(dòng)元件，無點(diǎn)燃元。在電機(jī)運(yùn)行前，該裝置按照預(yù)設(shè)時(shí)間、壓力進(jìn)行預(yù)吹掃，當(dāng)預(yù)吹掃結(jié)束時(shí)，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(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，內(nèi)部壓力降至500 Pa時(shí)，該系統(tǒng)向電控發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)壓力繼續(xù)下降至250 Pa時(shí)，該系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)，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(dòng)機(jī)的密封工作上，本項(xiàng)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(shí)與軸配車，采用小間隙配合。

經(jīng)最后氣密試驗(yàn)驗(yàn)證，該電動(dòng)機(jī)泄漏量小于3 000 NL/min，滿足技術(shù)要求。

5　主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)

表2　技術(shù)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。但電動(dòng)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(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，借鑒國內(nèi)外同類電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(shí)，盡可能減小電機(jī)質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)性。該項(xiàng)目的研制成功，對(duì)TAW系列電動(dòng)機(jī)提供了具體數(shù)據(jù)和研發(fā)方向。