關于大容量高速立式電機加裝大轉動慣量飛輪的設計研究

廖小兵, 安震東

(蘭州電機股份有限公司,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

YSKLPT5600-6TH 5 600 kW、10 kV,轉速990 r/min立式水空冷異步電動機是為鈉泵研制的配套用驅動電機，電機容量大，轉速高。為保證系統安全，系統要求電機在事故失電情況下，電機帶動鈉泵需具備2 min惰轉能力，即電機在失電后需靠慣量繼續運轉2 min。

由于電機外拖阻尼矩大，為滿足惰轉要求，經計算電機需提供6 500 kg·m2的轉動慣量，而高速電機因受電磁及結構限制，自身只具備1 000 kg·m2的轉動慣量 。為此,設計時需在高轉速立式電動機轉軸上加裝大直徑、大質量的飛輪，由飛輪提供5 500 kg·m2的轉動慣量。

高轉速立式電動機加裝大直徑、大質量飛輪，失電后電機依靠自身慣量運轉工作。該類電機在國內各電機生產企業均處在研制階段。

為確保系統的安全與穩定，在加裝飛輪后電機應確保自身的運行可靠性，故針對電機電磁、結構等方面多次進行了優化。

1 加裝飛輪的設計策略

為盡可能增大電機自身轉動慣量同時兼顧加裝飛輪后電機的安裝調試的便捷，設計時增大了電機機座號，定子鐵心外徑采用1 600 mm。(常規電機定子鐵心外徑為1 400 mm)[1]。

1. 1 電磁計算后的電機性能參數及外形

電機型號： YSKLPT5600-6TH 5 600 kW、10 kV。

額定功率： 5 600 kW。

額定電壓： 10 kV。

額定電流： 368.5 A。

額定頻率： 50 Hz。

轉速范圍： 990 r/min。

效率≥95.5%，設計值97.37%。

功率因數≥0.88，設計值0.901。

堵轉電流倍數≤6.5，設計值5.59。

堵轉轉矩倍數≥0.8，設計值1.12。

最大轉矩倍數≥1.8，設計值2.28。

絕緣等級：F。

電機自身轉動慣量：1 000 kg·m2。

電機帶飛輪轉動慣量≥6 500 kg·m2。

電機帶飛輪總重：45 t。

電機加裝飛輪外形圖如圖1所示。

圖1 電機加裝飛輪外形圖

1. 2 飛輪慣量

電機主軸下端加裝直徑1 950 mm、厚度為500 mm、重量為12 t的鍛鋼飛輪。

經計算飛輪轉動慣量為

(1)

滿足由飛輪提供5 500 kg·m2轉動慣量的要求。同時為滿足檢修時飛輪的拆裝，飛輪與主軸采用過渡配合。

1. 3 轉軸計算

為確保電機下端加裝飛輪后運行的穩定，設計時兼顧安裝調試空間位置，盡可能的縮短電機上導軸承、下導軸承及飛輪間距,滿足軸系計算要求[2]。轉軸臨界轉速計算結果如表1所示。

表1 轉軸臨界轉速計算結果

1. 4 結構策略

由于電機直徑的放大，考慮到轉子在高速運行時離心力的增加，為滿足運行時電機轉子強度要求，所以通過對結構強度計算，需在轉子設計時新開相關模具，增加特殊材質的護環[3]。護環結構尺寸如圖2所示。

圖2 護環結構尺寸

1. 4. 1 護環及端環尺寸

護環外徑：Dpo=1 104 mm；

護環內徑：Dpi=931 mm；

護環寬度：Bp=21 mm；

端環外徑：Dro=933 mm；

端環內徑：Dri=813 mm。

1. 4. 2 護環及端環的柔度

護環的柔度(在護環上幅向力的總和等于1 N時，護環內徑的變化)：

(2)

端環的柔度(在護環上幅向力的總和等于1牛時，端環外徑毫米的變化)：

(3)

1. 4. 3 護環與端環的變形系數

由本身離心力引起護環內圓處的變形系數(即n=1 000 r/min時，內圓直徑的增大)：

1 1043×0.845(4.5+0.8452)=0.113 2(4)

由本身離心力引起端環外圓處的變形系數(即n=1 000 r/min時，外圓直徑的增大)：

9333(1+4.5×0.8712)=0.130(5)

(1) 在轉速n=1 100 r/min時，直徑的變化。

由護環本身離心力引起護環內徑的增大：

(6)

由端環本身離心力引起端環外徑的增大：

(7)

由銅排伸出槽部分的離心力作用于端環的總幅向力：

Qr=2.75×10-6GbDron2=2.75×10-6×

0.42×933×1 1002=1 304 N(8)

式中：Gb——銅排伸出槽單邊質量，Gb=0.42 kg。

銅排伸出槽部分的離心力作用于端環引起端環外徑的增大：

Db=Qrλr=1 304×0.327×10-6=

4.26×10-6mm(9)

由于端環發熱引起端環外徑的增大:

(2) 在轉速n=1 100 r/min時，護環的應力如下。

護環內圓承受總的外加徑向壓力：

由于外加任何徑向壓力引起護環內的切向拉應力：

(12)

式中：Fp——護環截面積，Fp=1 795 mm2。

由護環本身離心力引起護環內圓處的切向拉應力:

31.0 MPa(13)

那么，當轉速n=1 100 r/min時，護環在內圓處的總切向應力：

σp=σp1+σp2=283.5+31.0=314.5 MPa(14)

許用應力：

[δ]=0.4δs=0.4×835=334 MPa

式中：δs——材料的屈服極限，δs=835 MPa。

經計算，加護環后滿足要求。

1. 5 軸承策略

為確保電機在990 r/min運行時，由于制造、安裝誤差以及飛輪支點、質量的影響。采用了具有自調平的推力軸承，同時在標準軸承基礎上加大了推力及上、下導軸承結構尺寸，提高各軸承承載能力，以確保電機運行穩定性。

軸承特點：有效承載面積大(采用圓形瓦面,消除邊緣效應)；抗沖擊、吸振性能好；均載性好，不會出現單瓦過載現象；安裝、調試、維修方便，不需刮瓦；互換性、通用性好；運行可靠性高，使用壽命長;有效解決高速電機軸承漏油問題。

該結構的軸承允許的傾擺角較大，其許用的傾擺角計算公式為

式中：FBmax——軸承最大承受載荷；

FB——軸承實際工作載荷；

Cges——碟形彈簧剛度系數，Cges=CRD·Z；

CRD——單個碟形彈簧剛度系數；

Z——推力瓦塊數。

推力彈性瓦滑動軸承計算結果如表2所示。滑動軸承結構如圖3所示。

表2 推力彈性瓦滑動軸承計算結果

圖3 彈性支承軸承推力滑動軸承

1. 6 機座策略

電機不承受外加軸向力，只承受電機轉子和飛輪重量共22 t，機座采用常規結構設計，剛強度滿足使用要求。

2 電機試驗結果

電動機2017年12月試制完畢，通過試驗，電動機的各項指標符合使用的要求。電機轉動慣量達到要求，如表3所示。結構設計滿足加裝的飛輪后電機運行穩定可靠。

表3 試驗數據

3 結 語

大容量、高轉速立式電機加裝大轉動慣量飛輪，運行的穩定可靠非常重要。根據設計計算、設計及試驗驗證，電機滿足運行要求。該電機的研制成功，為類似結構電機的設計、制造積累了經驗。

【參 考 文 獻】

[1] 湯蕰聄，史乃.電機學[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

[3] 錢偉長.電機設計強度計算的理論基礎[M].合肥：安徽科學技術出版社，1992.