高爐風機用大功率、高轉速、無刷勵磁同步電動機的設計

闞 旭,李海鵬,王 濤

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司,哈爾濱 150040)

0 引言

本文所介紹的同步電動機是一種驅動高爐風機用的同步電動機。高爐風機是將空氣匯集到一起,并通過加壓,使之達到一定的壓力和流量,然后根據高爐爐況的需要,對風量、風壓進行調節,再將壓縮空氣輸送至高爐的一種動力機械。根據相關理論,風機的流量與轉速成正比,風機的壓力與轉速的平方成正比,風機的軸功率與轉速的立方成正比。因此,風機的轉速越高,風機能提供的壓力和流量就越大。

作為驅動高爐風機的電動機,應具有轉速高、轉矩大、負載慣量大的特點。鑒于以上特點,電機定子的固有頻率、轉子的臨界轉速以及自身的溫升選擇是十分重要的。

本文以某鋼廠27 000 kW高爐風機用同步電機為例,介紹了此類電機的結構形式。

1 設計方案

電機的基本參數要求

電機型號:T27000-4

額定功率:27 000 kW

額定電壓:10 kV

轉速:1 500 r/min

額定轉矩:172 kN·m

頻率:50 Hz

功率因數:0．9

相數:3

絕緣等級(定子/轉子):F/F

定子接法:Y

勵磁方式:無刷

效率:98%

冷卻方式:IC81W(上水冷)

極數:4

工作制:S1

防護等級:IP54

海拔高度:≤1 000 m

環境溫度:≤40 ℃

風機慣量:10 t·m2

2 電機介紹

由于電機較大,負載慣量也比較大,所以采用變頻器啟動電機,在達到額定轉速后,再將電源切換到工頻電網上的運行方式。

此類電機無論是做隱極還是凸極、有刷還是無刷,在設計上均是可行的。最終,根據項目甲方要求,并綜合考慮制造成本等因素,確定本機組電機定子采用整體結構,轉子采用凸極結構,勵磁采用無刷勵磁的結構。電機的組成為:定子、轉子、底板、罩板、軸承、冷卻器、交流勵磁機電機以及一些輔助部件。

2．1 定子

定子由機座、鐵心、定子繞組以及出線盒等部件組成。此電機設計時對定子機座進行了加強,以避開轉動頻率,避免發生共振。

機座:根據技術協議要求,主電機防護等級為IP54,冷卻方式為IC81W(上水冷),所以定子采用箱式機座形式。機座采用Q235鋼板焊接而成,包括數道輻板、固定鐵心用的軸向筋板、上部、側面及下部的蓋板。為方便吊裝運輸、定子下線翻身以及增強機座剛度等需要,在機座上部、側面、下部焊接了數根吊桿、吊柱等部件,機座上部蓋板帶三個開口,其中兩側的開口為定子進風口,中間對應鐵心部分的開口為定子出風口。

鐵心:定子鐵心由扇形沖片拼成整圓,沖片材料為0.5 mm厚的高導磁、無取向硅鋼片,鐵心在軸向方向分成數段,每段之間由通風槽鋼支撐,形成通風溝,使定子具有良好的散熱性。沖片疊壓至足夠長度后,安裝定子壓板,再用油壓機壓緊,而后用拉緊螺桿穿過鐵心,在機座及定子壓板外側用螺母把緊,并采取打洋沖的方式進行鎖緊,避免鐵心松動。

繞組:定子繞組采用F級絕緣材料,定子線圈采用雙層疊繞組結構。鐵心槽內的定子線圈上下層之間設置電機用埋置式PT-100鉑熱電阻,確保在電機運行時可以實時監測定子溫度。繞組端部設置銅環結構,以便于接線。由于線圈端部較長,所以在繞組端部還設置有固定在機座上的端箍和端箍支架,用滌玻繩將線圈端部與端箍、端箍與端箍支架綁扎固定,以此來提升定子繞組端部的整體剛度,避免運行時振動。定子在下線完成后,對整個定子進行VPI無溶劑真空壓力浸漆,以提高定子的機械及電氣性能。

其他:定子上還裝有防冷凝加熱器,可起到防潮的作用。定子的主引出線通過連接在銅環上的電纜,接到定子主出線箱內,主出線箱防護等級為IP55,箱內設置避雷器及差動保護裝置。PT-100鉑熱電阻及加熱器接到專用測溫及加熱出線盒內,方便用戶現場接線。

對定子還專門進行了固有頻率計算,將繞組、冷卻器等部件的質量作為附加質量施加到機座上,如圖1所示。

圖1 機座固有頻率的計算

由計算結果可以看出,機座的軸向振動為38.08 Hz,機座橫向振動為80.4 Hz,都避開了電機的轉動頻率。該電機為臥式電機,軸承座放置在電機底板上,轉子不平衡量引起的激振力傳遞到軸承處,不會傳到機座上,確保了安全。

2．2 轉子

由轉軸、磁極、引線結構以及其他部件等組成。由于電機轉速較高,為避免發生共振,對設計尺寸進行了多次優化,使臨界轉速滿足要求。對轉子部件強度也進行了計算,確保滿足使用要求。

轉軸:本項目采用凸極轉子結構,采用了轉軸與磁極極身一體的鍛造、加工結構,以增強其機械性能。轉軸材料采用具有一定磁性能的高強度合金鋼,極身上表面加工有螺孔,用于安裝固定極靴。轉軸非傳動端加工有不貫穿的中心孔,用以安裝與勵磁機連接的導電桿。與勵磁機相連接的機械部分采用軸法蘭的結構,即在轉軸非傳動端直接加工出法蘭,通過高強度螺栓,與勵磁機聯軸器把合固定。

磁極:磁極由磁極線圈、上部及下部絕緣托板、極靴及其固定螺栓等部件組成。磁極線圈由銅含量不低于99.9%的銅帶焊接而成,連接處為銀焊,線圈帶散熱匝,采用F級絕緣材料絕緣,并熱壓成型。托板與線圈套入與轉軸一體的極身,線圈與轉軸的間隙要用中溫上膠固化滌綸氈填充滿,極靴安裝好后,統一入加熱爐烘干定型。

轉子極間設置極間連接線將線圈首尾相連,通過引線與固定在轉軸中心的導電桿相連接。由于采用無刷勵磁的方式,所以主電機轉子引線最終與勵磁機電機轉子引出線連接。

其他:極間設置元寶形撐塊,用于支撐磁極線圈,抵消高速運行時線圈受到的側向分力。轉軸上安裝有軸流式風扇,與定子、罩子等部件共同組成了電機的風路。

軸系計算時因勵磁機電機轉子與主電機轉子直聯在一起,所以將這兩部分的軸系按一個整體進行了臨界轉速的計算。

計算方法:用傳遞矩陣法計算臨界轉速,將轉子分成若干連續的軸段,輸入各軸段的彎曲慣性矩、質量、長度和外直徑,并且需要輸入軸承的油膜剛度、軸承座剛度。電機的一、二階臨界轉速水平方向的臨界轉速變形圖如圖2、圖3所示。

圖2 電機水平方向的一階臨界轉速圖

圖3 電機水平方向的二階臨界轉速圖

根據計算,電機臨界轉速大于額定轉速125%以上,滿足GB 7064要求,所以軸系是安全的。

2．3 底板、罩板與擋風環

電機底板由Q235鋼板焊接而成,勵磁機的底板與主電機底板是一體的,以提高機組的整體性。底板焊接有吊耳,以便于吊裝運輸。底板上板帶有與機座、軸承等把合的螺孔,中間帶二層格,用于固定基礎螺栓。

罩板是安裝在機座端面的,為分半式結構,用于防護定子,罩板上接出兩個風筒,連接到勵磁機罩上部,一個風筒用于勵磁機排出熱風,另一個風筒用于給勵磁機供冷卻風。

擋風環安裝在機座板上、對應轉子風扇的區域,起導風作用,其材質為玻璃鋼材質。在此處安裝擋風環的作用是將風扇產生的風導入定、轉子中,增強電機散熱效果。

2．4 勵磁機電機

勵磁機電機由定子、轉子、旋轉整流器、軸承、底板和勵磁機罩等部件組成。勵磁機機座由鋼板焊接,定子沖片采用低損耗的無取向硅鋼片,整圓一張沖片。定子鐵心全長分成若干段,中間為通風槽板,形成徑向風道,整圓由數根拉緊螺桿壓緊。定子采用散下線形式,定子線圈為聚酯漆包圓銅線。

勵磁機電機轉軸材料為鍛鋼,轉子沖片采用低損耗的無取向硅鋼片,整圓一張沖片,鐵心全長分成若干段。轉子線圈采用波繞組形式,由單玻璃絲包銅扁線繞制而成,線圈端部用無緯帶綁扎,引出線與旋轉整流盤連接,從整流盤引出的引線,最終與主電機導電桿連接,勵磁機發出的三相交流電經過整流盤整流,變成直流電,供給主電機勵磁。

3 電機的通風及溫升計算

根據機組結構確定計算網絡,其中包括風扇的壓力元件及轉子磁極、定子入口、出口、冷卻器等風阻元件,應用軟件進行計算分析,如圖4～圖5所示。

圖4 通風網絡及計算結果

圖5 定子溫升網絡計算結果

通過計算,定子線圈的平均溫升約69.1 K,轉子線圈平均溫升約60.5 K,可以滿足B級絕緣等級的考核標準要求。

4 結論

該電機的設計與制造,是我公司在大功率、高轉速、無刷勵磁同步電機方面的一次綜合創新。該電機的負載為風機,所以其除了可以用于冶金行業外,也可以用在負載類型相近的空氣儲能領域,為清潔能源的發展建設做出積極貢獻。