陳 英

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

長(zhǎng)期以來，30 MW以上的大容量高速同步電動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)一直無(wú)法供貨，基本依賴于進(jìn)口產(chǎn)品。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的發(fā)展，特別是冶金工業(yè)的高爐風(fēng)機(jī)、石化行業(yè)的氣體壓縮機(jī)以及航空航天領(lǐng)域的風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)組等需求量的增加，需要越來越多的大容量高速同步電動(dòng)機(jī)與之配套。為此，開發(fā)這類國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品顯得尤為重要與迫切。2010年7月柳州鋼鐵股份有限公司AV80-16 4號(hào)高爐大修改造工程，就需與鼓風(fēng)機(jī)配套用36 MW 4 P 10 kV無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，最終，我公司取得了產(chǎn)品的研制。

1 規(guī)格和型式

產(chǎn)品名稱：TWS36 MW 4 P 10 kV無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)

電機(jī)型號(hào) TWS36 000-4

電機(jī)容量/kW 36 000

額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1) 1 500

額定電壓/kV 10

額定電流/A 2 348

功率因數(shù)cosφ0.9(越前)

極數(shù) 4

額定頻率/Hz 50

相數(shù) 3

定子接法 Y

額定轉(zhuǎn)矩/(kN·m) 229

定子出線根數(shù) 2×3

效率設(shè)計(jì)值/% 98.38

防護(hù)等級(jí)(本體) IP54

冷卻方式 IC81W

安裝型式 IM1005

絕緣等級(jí) F

勵(lì)磁機(jī)數(shù)據(jù):

額定容量/kW 81.7

定子電壓/V 169.71

定子電流/A 183.85

定子相數(shù) 3

定子接法 Y

定子頻率/Hz 50

電動(dòng)機(jī)采用電壓源型變頻器變頻起動(dòng)，起動(dòng)完畢(轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min)將其切入10 kV工頻電網(wǎng)運(yùn)行。所配置的勵(lì)磁系統(tǒng)必須滿足主電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行的要求，電機(jī)可確保1 h內(nèi)冷態(tài)起動(dòng)兩次，熱態(tài)一次。

電動(dòng)機(jī)為臥式箱形結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)端為法蘭式軸伸，電機(jī)頂部裝有空-水冷卻器，采用密閉循環(huán)通風(fēng)方式。主傳動(dòng)端軸承為Φ335 mm端蓋式球面止推滑動(dòng)軸承，可以承受較小軸向推力，非傳動(dòng)端為Φ300 mm端蓋式球面軸承。電機(jī)的主、輔出線盒均位于電機(jī)定子的側(cè)面；交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器位于非傳動(dòng)端的軸承外側(cè)(見圖1)。

圖1 TWS 36 MW 4 P 10 kV無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)裝配圖

2 電磁設(shè)計(jì)

2.1 主電動(dòng)機(jī)部分

就36 MW容量，4 P的凸極實(shí)心同步電動(dòng)機(jī)而言，電機(jī)已接近制造能力的上限，國(guó)外有能力制造的公司也不多，關(guān)鍵是其1 500 r/min的轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)子承受著很大的機(jī)械應(yīng)力。盡管如此，電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)仍將其能力定位至極限輸出功率42 MW。電磁方案的計(jì)算除滿足本規(guī)格的性能參數(shù)外，還得考慮其擴(kuò)展的空間，更需重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)子本體的結(jié)構(gòu)，確定合適的主要尺寸。

為大幅度降低鐵損定子沖片材料采用低損耗性能的50W310冷軋硅鋼板。由于定子電流高達(dá)2 350 A，為削弱集膚效應(yīng)的影響，定子繞組設(shè)計(jì)除采用至多4路并聯(lián)外，定子線圈由8根導(dǎo)線并繞制成。

因轉(zhuǎn)子為凸極的實(shí)心磁極，設(shè)計(jì)時(shí)加大了定轉(zhuǎn)子氣隙，可降低轉(zhuǎn)子極面脈振磁密、降低極靴表面的渦流損耗和發(fā)熱，同時(shí)提高了電機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩；而徑向尺寸的嚴(yán)格控制，可降低旋轉(zhuǎn)部件所承受的機(jī)械應(yīng)力，減小機(jī)械損耗和機(jī)械噪聲。

由于采用變頻起動(dòng)，對(duì)堵轉(zhuǎn)電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的性能指標(biāo)可適當(dāng)放松，電磁計(jì)算適當(dāng)提高了線負(fù)荷As，并將熱負(fù)荷控制在4 000以內(nèi)，在滿足B級(jí)溫升的前提下，為容量的提升設(shè)計(jì)留有一定的裕度。線負(fù)荷As的提高，也有利于提高單位轉(zhuǎn)矩的材料利用率，降低了制造成本，減輕電機(jī)質(zhì)量。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)部分

勵(lì)磁系統(tǒng)由三部分組成：交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器和勵(lì)磁控制柜。除控制柜外，交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器均裝于電機(jī)本體。電機(jī)采用變頻起動(dòng)(也即同步起動(dòng))的運(yùn)行方式，電機(jī)在無(wú)滑環(huán)靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子獲得足夠的勵(lì)磁電能。傳統(tǒng)的同步勵(lì)磁機(jī)只有在一定轉(zhuǎn)速下才能提供能量，無(wú)法滿足需求，故采用旋轉(zhuǎn)變壓器類型的異步勵(lì)磁機(jī)。我們通過多方案比較，最終確定了勵(lì)磁機(jī)的電磁方案——轉(zhuǎn)子為沖片鐵心雙繞組結(jié)構(gòu)(見圖2)。由此，整流二極管數(shù)量由傳統(tǒng)的6個(gè)增加到12個(gè)，相應(yīng)的每個(gè)整流管的容量可減小一半而使其體積大為減小，從而減小了整流盤的直徑，更適合高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

圖2 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 定子部分

定子采用外壓裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)座由鋼板焊接成型，線圈由云母導(dǎo)線繞制，采用F級(jí)絕緣的結(jié)構(gòu)，鐵心經(jīng)壓裝后下線。繞組端部采取可靠的固定綁扎措施，經(jīng)真空壓力無(wú)溶劑(VPI)浸漬處理，使整個(gè)定子具有良好的絕緣性能和可靠的機(jī)械強(qiáng)度，最后套入機(jī)座與其焊成一體。確保電機(jī)在變頻起動(dòng)中既能承受諧波的影響，也能承受切換并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力矩。

3.2 轉(zhuǎn)子部分

大容量高轉(zhuǎn)速同步電機(jī)，沖片轉(zhuǎn)子根本滿足不了其強(qiáng)度的要求，必須采用實(shí)心的結(jié)構(gòu)方案。傳統(tǒng)的千瓦級(jí)4 P轉(zhuǎn)子是將聯(lián)體的極身與磁軛通過過盈配合熱套于主軸之上，本電機(jī)因受徑向尺寸的限制，這一結(jié)構(gòu)不能滿足工藝要求。為此，在對(duì)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部分進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算(詳見4機(jī)械計(jì)算部分)后，確定轉(zhuǎn)軸主體采用極身、磁軛與轉(zhuǎn)軸為一整體的鍛件結(jié)構(gòu)(見圖3)，材料選用35CrMo合金鋼，解決了制造中的工藝問題。端蓋式的軸承結(jié)構(gòu)，縮短了轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)間的距離，提高了轉(zhuǎn)子的剛度，解決了高轉(zhuǎn)速長(zhǎng)軸系帶來的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題，使一次臨界轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的2.52倍，撓度也僅為氣隙的0.345%。極靴材料為15MnMoV合金鋼，極靴與極身采用高強(qiáng)度合金鋼螺栓進(jìn)行連接，確保轉(zhuǎn)子能承受足夠機(jī)械應(yīng)力，確保了電機(jī)能安全、可靠地運(yùn)行。

圖3 聯(lián)體轉(zhuǎn)軸

勵(lì)磁繞組的設(shè)計(jì)從有利于繞組的通風(fēng)散熱、降低轉(zhuǎn)子溫升和提高機(jī)械強(qiáng)度而展開。繞組為帶散熱匝的磁極線圈串聯(lián)而成，線圈匝間絕緣采用兩層0.13 mm厚的上膠Nomex紙，線圈的上、下表面和對(duì)地絕緣均使用Nomex紙固化成型。磁極線圈套入磁極鐵心后，用浸膠滌綸氈和環(huán)氧玻璃布板將端部和其它所有縫隙塞滿，待整個(gè)轉(zhuǎn)子加熱后使磁極線圈、極身和托板固化成為一體，提升了轉(zhuǎn)子部分電氣和機(jī)械的可靠性，同時(shí)也有利于繞組的散熱，降低轉(zhuǎn)子溫升。

3.3 冷卻風(fēng)路的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子兩側(cè)裝有一對(duì)軸流式風(fēng)扇，形成冷卻所需的通風(fēng)氣流。由于本電機(jī)軸系較長(zhǎng)，加之相鄰磁極線圈的極間還安裝了3個(gè)支架，使本已緊張的極間通風(fēng)空間更趨緊張。設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，將磁極線圈設(shè)計(jì)成鏤空結(jié)構(gòu)(見圖4)，相鄰線圈底部通過支撐件下的彈簧及絕緣撐板將其托住，擴(kuò)大了通風(fēng)面積、減小了風(fēng)阻，從而有利于繞組散熱，對(duì)降低轉(zhuǎn)子溫升起了重要的作用。勵(lì)磁機(jī)則有單獨(dú)的風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行冷卻，以減小主風(fēng)量的損失，也確保了勵(lì)磁系統(tǒng)的冷卻效果。

圖4 勵(lì)磁繞組極間的鏤空結(jié)構(gòu)

3.4 旋轉(zhuǎn)整流器的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)整流器由整流盤、旋轉(zhuǎn)二極管、壓敏電阻和連接銅排等構(gòu)成。

整流盤體為鋼結(jié)構(gòu)，位于電機(jī)尾端；二極管和壓敏電阻各自裝于散熱器上，用經(jīng)絕緣處理的高強(qiáng)度螺栓對(duì)稱固定于盤體兩側(cè)(見圖5)。所有元件均經(jīng)機(jī)械測(cè)試，其離心加速度耐受能力為2 000g(g為重力加速度9.8 m/s2)。

圖5 旋轉(zhuǎn)整流器

4 機(jī)械計(jì)算

結(jié)構(gòu)方案的確定與機(jī)械計(jì)算相輔相成，交替進(jìn)行，重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)子部分的同時(shí)，對(duì)以下幾部分做了較為詳細(xì)的機(jī)械計(jì)算。

4.1 主軸軸伸的強(qiáng)度計(jì)算

電機(jī)額定功率36 MW，過載倍數(shù)2.5，轉(zhuǎn)速1 500 r/min；主軸材料采用鍛鋼35CrMo，軸伸尺寸Φ335 mm，設(shè)計(jì)驗(yàn)證其應(yīng)力安全系數(shù)可達(dá)1.12倍。

4.2 軸的撓度和臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

因轉(zhuǎn)軸采用極身、磁軛與轉(zhuǎn)軸為一整體的鍛件結(jié)構(gòu)，其中心部分為均布載荷并將該處的截面慣性矩3 010 600 cm2折算成當(dāng)量直徑D=88.5 cm，按(DZ)21-63進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

軸的撓度為F=0.076 mm=0.345%δ

臨界轉(zhuǎn)速為Nk1=3 803 r/min=2.54nN

N′k1=3 776 r/min=2.52nN

2次臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果

臨界轉(zhuǎn)速：Nk2=13 062 r/min=8.71nN

4.3 磁極螺栓的分布與計(jì)算

理論分析和實(shí)踐運(yùn)行均表明，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，極靴兩端所受的離心力遠(yuǎn)高于磁極中部，因此盡可能減輕線圈和極靴的質(zhì)量，合理分布磁極螺栓并對(duì)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算顯得尤為重要。設(shè)計(jì)中對(duì)磁極線圈和極靴的四個(gè)角都進(jìn)行了切角處理，加大了螺栓的分布密度，并增加了端部的分布數(shù)量。

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如下：

螺栓拉應(yīng)力為σ=596.6 N/mm2

極靴螺栓處剪切應(yīng)力為τ=148.3 N/mm2

螺栓頭處剪切應(yīng)力為τ=213.7 N/mm2

螺栓材料為40Cr2MoV許用應(yīng)力

[σ]=750 N/mm2>596.6 N/mm2

[τ]=360 N/mm2>213.7 N/mm2

極靴材料為15MnMoV許用應(yīng)力

[τ]=160 N/mm2>148.3 N/mm2

5 主要性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該產(chǎn)品的主要性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 電機(jī)主要性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

經(jīng)各項(xiàng)課題研究、技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試制，上電公司按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及和技術(shù)協(xié)議對(duì)電機(jī)進(jìn)行了型式試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足了技術(shù)要求，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的成功制造。該電機(jī)的研制成功標(biāo)志著上電公司成功突破了大容量高速同步電動(dòng)機(jī)的制造瓶頸，始終保持國(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先地位，為高端產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。