TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機國產化設計

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國產化設計

劉繼國（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516000）

本文結合一臺為國外壓縮機配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機，研究了正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的防爆優勢，單支撐同步電機的設計關鍵點，以及與國內外電機相比該電機的優勢。

正壓外殼型/增安型；無刷勵磁；同步電動機；國產化設計

近年來，石化煤炭行業對無刷勵磁同步電動機的需求與日俱增，尤其是近年石化行業產量不斷提升，大型防爆無刷勵磁同步電動機功率也隨著越來越大，與國外相比，國內大功率無刷勵磁同步電動機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的國產化設計已迫在眉睫。

為此，中海石油煉化有限責任公司、佳木斯電機股份有限公司（以下簡稱“佳電”）共同合作進行惠州煉油二期2200萬噸/年改擴建及100萬噸/年乙烯工程項目用正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的國產化設計，該同步電動機應用在2區，IIC（氫氣）場所，拖動渣油加氫裝置（133單元）往復式新氫壓縮機負載。

1 電機主要技術參數

TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1主要技術參數如下：

額定功率：10000kW

極 數：20P

額定電壓：10kV

額定電流：661A

額定頻率：50Hz

相 數：3相

同步轉速：300r/min

絕緣等級：F級

安裝方式：IM7115（單軸承支撐，伸端與壓縮機共用一個軸承）

冷卻方式：IC81W（上水冷）

旋轉方向：逆時針（從電機軸伸端看）

工作制：S1

功率因數：0.9（超前）

效 率：97%（保證值）

失步轉矩/額定轉矩：1.6（保證值）

堵轉電流/額定電流：5.0（保證值）

牽入轉矩/額定轉矩：0.6（保證值）

堵轉轉矩/額定轉矩：0.6（保證值）

飛輪轉矩GD2：＞100t·m2

防爆標志：ExepzIIT3Gc+ExeIICT3Gc

(取得了安型防爆和正壓外殼型和增合格證)

2 設計重點

該設計的重要環節主要有以下幾點：

（1）選擇合適的防爆型式；

（2）設計低起動電流；

（3）設置規劃結構；

2.1 防爆型式的選擇

該電機應用在2區，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缺點，為保證機組長期穩定運行，本次電機設計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，具有以下優點：

（1）正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機同時設有兩套銘牌即增安型防爆電機銘牌和正壓外殼型防爆電機銘牌，電機同時獲得增安型防爆電機合格證及正壓外殼型防爆電機合格證，兩種防爆型式同時起作用，當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設備安全運轉。即同一設備設計制成不同的防爆型式，符合GB3836.1-29.6多種防爆型式的相關規定。

（2）該產品不僅僅通過了嚴格的防爆檢驗，還順利通過了絕緣系統檢測。在此基礎上，還陸續通過了正壓外殼型防爆試驗，但這并沒有丟失其自帶的眾多優點，例如：機電不產生火花、溫度不危險、電弧、TE時間保護等。另外，它還具備安全性能更高、可使備用電機處于保壓狀態隨時起車的優勢，總而言之，該產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克服了單一防爆形式的缺點：

正壓外殼型電機一旦出現失壓或外部管路故障，電機就必須停機進行檢查，該產品具備當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設備安全運轉，無需停機。

正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機正壓保護系統模塊設計進行智能化升級，主備機切換過程中無需等待，克服了增安型電機每次起動前需重新進行吹掃換氣的問題（即由一種防爆型式向另一種防爆型式切換過程順暢，不會出現電機互鎖停機問題）。

值得一提的是，經過國際的檢驗和查新，該產品在技術上的創新尤其是在防爆技術上的應用，特別是將兩種防爆形式應用在同一產品之上，開創了國內首例和先河，值得借鑒。

2.2 低起動電流的設計

2.3 結構的設計

電機安裝方式IM7115,冷卻方式為IC81W，防護等級IP54，單支撐結構，法蘭軸伸，尾端設座式滑動軸承,電機采用徑向通風結構，避免產生軸向力，同時可以有效地保證電機鐵心溫度場的均勻分布。從軸伸端看，電機右側帶一個主接線盒；在電機的保護上，電機帶有以下輔助及保護措施：

▲加熱器；

▲漏水保護器；

▲定子測溫裝置；

▲軸承測溫裝置；

▲電機進出風測溫裝置；

▲正壓保護裝置及泄露補償裝置；

▲磁平衡電流互感器；

▲軸振動傳感器；

▲勵磁機轉速測量裝置。

2.3.1 電機的軸系計算

本次設計的TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機是我公司設計的最大功率的單支撐電機，由于其軸系的特殊性，特對整個軸系進行了詳細的計算。

計算結果如下：

軸的撓度為：0.4623mm，撓度占氣隙的百分數4.17%＜8%（許用值）；

軸臨界轉速計算值為：1352r/min注：考慮磁拉力

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

軸的疲勞強度安全系數量小值為：2.34＞1.5（許用系數）；

軸的靜強度安全系數最小值為：2.40＞1.5（許用系數）；

軸的扭轉強度計算值為12.97MPa＜[τ]=30MPa注：[τ]為許用剪切力；

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

另外，通過采用有限元軟件對軸的撓度及軸臨界轉速進行分析，上述分析結果與手工計算相符。

2.3.2 定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算

在保證曲軸轉角速度在正常的波動范圍內，最重要的就是要選擇合理的飛輪轉矩，飛輪轉矩是整個系統的驅動設備，如何選擇就顯得異常關鍵，因此在本次設計中佳電引進了定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算。一般同步電動機的電流波動（振蕩的振幅）要求采用 ΔJ≤66%J額定，振蕩角的電角度Δθ≤20°，經計算，在壓縮機最高運行功率100%負載額定電壓下，計算結果符合上述要求，且電機自身飛輪力矩滿足主機廠的要求。

2.3.3 科學合理的密封技術

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

2.3.4 創新的試驗方法

由于本次項目用電機為單支撐結構，試驗時難度較大，以往單支撐電機試驗時采用加長軸與電機軸伸法蘭對接，加長軸上加工有軸承臺，設置支撐軸承、試驗底架與電機對接后進行試驗。本次直接采用試驗軸承，對電機軸伸端軸頸部位精加工，在此部位支撐后進行試驗，與以往相比節約時間，降低成本，可靠性高。

3 與國內外同類產品的比較優勢

結構優勢：電機采用單支撐結構，現場安裝對中更加方便，降低了系統損耗，提高了系統效率，環保節能。

防爆優勢：采用雙重防爆型式，克服了單一防爆型式的缺點，提高了產品的安全性和可靠性。

技術優勢：采用先進的有限元軟件精確設計，電機的電磁、結構設計方案更精確合理，采用先進的計算方法及手段，提高了產品的科技含量，使產品性能更佳。

服務優勢：與國內外其它企業相比，佳電通過多年的發展，在全國各主要城市都設有銷售及售后服務機構，在全國范圍內服務網絡發達。

4 結語

TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機研制生產成功，將使我國大型防爆電機的地位得到提升，進一步推進國內三相同步電動機發展，填補國內空白。同時為我國大型防爆電機的設計制造積累大量寶貴的經驗，為今后大電機的設計生產、大型設備國產化打下了堅實的基礎。

［1］徐灝.機械設計手冊[M]北京：機械工業出版社，2010: 26-14～26-32.

［2］陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2000:253-258.