鑄造吊主起升用繞線轉子三相異步電動機設計

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

0 引言

冶金鑄造起重機是一種適應金屬冶煉、軋制等熱加工工況，直接用于冶金鑄造生產工藝流程中的特種起重機。其中使用于鋼(鐵)水包升降和傾倒位置的電動機稱為鑄造吊主起升電動機。受現場高溫及多金屬粉塵環境的影響，變頻調速控制系統不方便布置在主電機附近而只能安裝在遠端的控制室內，這樣將使輸電線路過長(通常都在200m 左右)。在逆變器與電機之間長電纜連接情況下，PWM 脈沖波電壓經電纜傳輸在電機端子上產生反射，引起電機端子過電壓，增加電機繞組的電壓應力，縮短了繞組絕緣壽命。脈沖波在電纜上的傳播速度為150 ～200m/μs，如果一個脈沖波從逆變器到電機端的傳播時間超過上升時間的1/3，會在電機端子上產生一個兩倍于直流側電壓的過電壓［1］，這將導致du/dt 增強、變頻器上電時的尖峰電流加劇，使變頻電機繞組的絕緣系統過早失效。另外冶金鑄造吊主起升電動機額定功率一般在300 ～500kW 左右，使用過程中如果要實現3.5 倍左右的過載能力則需要變頻器的輸出電流也需要足夠大，這樣將使配套變頻器容量加大很多、整個調速控制系統造價昂貴。

而傳統的轉子回路串電阻調速的控制方式，通過在繞線轉子電動機的轉子回路中外串電阻就可以比較容易地獲得最大轉矩，同時起動電流還可以控制在2 倍額定電流附近，而且控制策略也相對簡單、系統整體造價更經濟。

基于以上因素，目前對于調速精度要求不高的冶金鑄造吊系統，國內各制造廠商在進行主起升電動機的選型時也多數選取中型繞線轉子三相異步電動機。

本文簡要敘述了鑄造吊起升用繞線轉子三相異步電動機的設計與制造規范，并且希望通過各關鍵節點的控制，能夠提供與冶金鑄造吊主起升工況優良匹配的電機產品。

1 電磁設計

國內冶金鑄造吊的噸位一般在240 ～520t 左右，其主起升機構的工作級別為M7。配套選用的繞線轉子三相異步電動機(以下簡稱電機)的中心高范圍一般在450 ～560mm，電機額定功率約300 ～600kW 左右，電機工作制為S3 60%(即工作制為S3，負載持續率60%，每一個工作周期為10min)，電機極數一般為8p 或者10p，防護等級IP54 以上，絕緣等級H 級，冷卻方式通常為IC411。

下面從氣隙選取、定轉子槽配合、繞組設計、磁密、電密取值和最大轉矩倍數等方面淺談電機的電磁設計基本規范。

1.1 氣隙δ 的選取

氣隙δ 的數值基本上決定于定子內徑、軸的直徑和軸承間的轉軸長度。因為機座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時均會存在一定的偏差，而電機的轉子外徑和軸承間的距離均比較大而使轉軸撓度增加。當電機裝配完后，定子鐵心內徑和轉子外徑的不同心度決定了氣隙的不均勻度，當氣隙數值選取過小時，不均勻度會增加明顯，對電機的運行性能有很大的影響［2］。而且當氣隙過小時，除影響電機的機械可靠性外，還會使諧波磁場及諧波漏抗增大，導致起動轉矩和最大轉矩減小，諧波轉矩和附加損耗增加，定轉子內部空氣流動不暢，進而造成較高溫升和較大的噪聲。在電磁設計時，中型繞線轉子電動機氣隙一般按1.4 ～1.6mm進行選取。

1.2 定轉子槽配合及繞組設計

1.3 磁密、電密的選取

磁密的選取通常是以電機額定運行于磁化曲線的彎曲部分為原則。若磁密取值太高，則電機磁路會出現過飽和而性能難于保證;若磁密取值過低，則電機的銅鐵用量增加，材料利用率差。根據經驗積累，一般情況下電機的磁密大致按表1范圍取值。

表1 電機磁密數值

對于過載能力要求高的電機，氣隙磁密取較大值。電流密度的合理選取對電機的性能及成本也非常關鍵。取值過高，則導體截面積減小，有效材料利用率提高，電機成本降低，但是同時會導致電機損耗增大，效率降低，伴隨著電機溫升增高，絕緣材料老化速度加劇，電機的使用壽命和可靠性均降低。通常定子電流密度為3.5 ～5A/mm2，轉子電流密度為3 ～4.5A/mm2。

1.4 最大轉矩倍數

根據《GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用繞線轉子三相異步電動機技術條件(機座號450 ～500)》4.6條的規定:“電動機在額定電壓下，基準工作制時，最大轉矩對額定轉矩之比的保證值應不低2.8 倍。”［3］在實際設計過程中，考慮到鑄造吊主起升特殊工況，一般最大轉矩倍數按3.5 倍左右設計。

2 主要零部件的設計和制造

嚴格按照產品設計圖樣和工藝文件正確施工是保證電機制造質量和電機可靠性的關鍵因素之一。電機制造過程的關鍵質量控制點有鐵心加工、成型線圈的繞制、帶繞組定子鐵心的整形、焊接和浸漆等。

鐵心加工的關鍵是控制疊壓系數和槽形整齊度，目的是提高鐵心有效長度，使磁路飽和程度適宜，降低電機的電磁振動和噪聲，同時便于嵌線。由于中型電機定轉子沖片很少采用復工沖模制造，所以在加工過程中最主要保證措施是控制疊壓脹胎的公差和表面粗糙度，減少沖片的表面毛刺，同時在疊壓過程中利用槽樣棒梳理整齊槽形。定子鐵心采用外壓裝工藝，定子沖片外圓均布18 個扣片，壓緊后扣片兩端焊接牢固。

定子繞組和轉子繞組均為成型繞組，加工過程必須嚴格按照工藝文件實施。定子成型繞組線圈尺寸按文獻［4］第四章第一部分“定子硬繞組線圈計算”中的公式進行計算，要特別注意線圈鼻端的抬高尺寸、線圈的跨距、線圈間隙合理，以保證線圈尺寸合理，嵌入鐵心后與槽形貼合順暢，繞組整體美觀。線圈按規定進行絕緣處理線圈成型后按3 000V 進行耐電壓沖擊試驗，歷時1min，沖擊5 次。

定子繞組在嵌線過程中用綁扎帶將第個線圈的兩個元件邊分別收緊打箍，帶繞組定子鐵心整形焊接完后，3 個引線導流環先用亞胺帶半疊包4 層，再用滌綸帶半疊包1 層。3 個導流環之間保持適當的距離，環與環之間沿圓周等距離用綁扎帶收緊，待浸漆固化后形成互相支撐，提高耐電磁拉力沖擊的能力。如圖1 所示。

圖1 定子繞組局部圖

考慮到轉子的開路電壓問題，每槽導體一般按一匝布置，采用紫銅條彎制，經模具壓制一端預先成型，除了首尾兩端外再在導體表面包裹好絕緣材料(用環氧少膠粉云母帶半疊包1 層，再用亞胺膠粘帶半疊包2 層)，線圈成型后按4 000V 進行耐電壓沖擊試驗，歷時1min。嵌線時由槽的兩端分別插入上下層轉子線圈，最后通過并頭套將同一槽的上下層端部聯接，通過中線環將星點連接一體，3 根扁銅引線穿過轉子擋塵板與集電環相連形成回路。

在焊接定子繞組頭尾端和轉子并頭套時，一般采用氧焊，過程中要特別注意保護繞組的絕緣，減少焊接高溫對絕緣的損傷。如圖2 所示，通過使用濕潤的石棉繩或者瓦楞紙從距離繞組焊接點約30mm 處進行間隔，可以很好地起到保護絕緣的作用。并頭套焊接完成后，外部再用內襯NHN復合箔的硅膠絕緣套管套牢。

圖2 并頭套焊接

繞組焊接完后，按工藝文件要求進行VPI 真空壓力浸漆工序，帶繞組定子鐵心和轉子均需浸漆兩次。經VPI 工藝處理后，繞組之間的空氣隙得到有效填充，無氣泡，絕緣性能好、增加繞組的機械和電氣強度、解決運行過程的松動現象、防止短路等絕緣故障、提高防潮能力、延長電機使用壽命。另外對于端蓋加工，必須嚴格控制軸承室與端蓋止口的形位公差，避免超差帶來電機裝配不良，軸承受力不均而導致電機機械振動和機械噪聲加劇，軸承發熱增高，壽命受損。

軸承建議采用3 軸承結構，驅動端為圓柱滾子軸承和深溝球軸承的組合(裝配時深溝球軸承靠內側，圓柱滾子軸承靠驅動端一側)，非驅動端為深溝球軸承。軸承振動等級代號為Z1，徑向游隙為3 組。軸承在轉軸上安裝位的公差一般為k6，采用熱套安裝。

集電環和碳刷的選擇則需要根據電機轉速和轉子電流選擇合適的材料。集電環銅環材料一般為冷拉錫青銅，絕緣材料為酚醛玻璃纖維壓塑料，集電環壓制成型后應進行銅環相間及對地絕緣面耐電壓試驗，試驗電壓為4 000V，歷時1min。碳刷則需要選擇電阻系數較小、允許電流密度大的電化石墨材料。碳刷導流板采用黃銅制造，刷盒推薦選擇鑄銅件。刷握裝置通過止口定位，安裝在高端蓋上面，如圖3 所示。電機在通電運轉前，碳刷需要用細砂紙研磨充分，以保證其圓弧部分有2/3 以上與集電環充分接觸，導電良好。

圖3 刷握安裝

3 電動機的保護措施

由于冶金鑄造吊的特殊作業工況，電機一旦發生運轉故障，輕則破壞整個設備的正常工作造成停產停工;重則發生人身傷害導致嚴重的安全事故，所以對電動機的運行安全性和使用可靠性均提出了更高的要求。在平常的設計制造過程中，根據保護部位的不同，主要進行以下幾種保護措施的處理。

3.1 過熱保護

繞組是電機的核心部件，在實際使用過程中由于超載使用產生的過電流沖擊或者工作頻次超過設計工作制的要求，將會導致電機溫升過高，絕緣加速老化和破壞，最終導致電機壽命受損。因此預防電機繞組過熱，增加過熱保護措施是很有必要的。

在中大型電機的制造中，一般是通過埋置Pt100 鉑熱電阻來實現電機繞組的過熱保護功能。通過與智能型溫度控制儀配合使用可直接顯示電機的繞組的實際工作溫度。它的埋置位置在電機定子繞組的出線端，每臺電機共6 支(每相各兩支，一用一備)。

另外為防止電機長時間停機，溫差變化較大或濕熱環境下繞組上有冷凝水形成，在定子繞組端部綁扎防潮加熱帶，利用它對電機進行預熱去潮，使電機繞組的溫度始終高于環境溫度5℃，從而避免了電機線圈繞組因潮濕結露，不會因絕緣性能下降而導致電氣故障，保證了電機在潮濕環境中仍能正常運行。

Pt100 鉑熱電阻和防潮加熱帶在安裝過程中都要注意避免敲擊，以免破壞感應元件而導致溫度保護失效。當安裝并綁扎好后與電機繞組一起浸漆。

軸承過熱保護也是通過Pt100 鉑熱電阻來實現的。安裝時要注意保證鉑熱電阻傳感器的端頭與軸承外圈直接充分接觸。如果軸承室上的安裝孔沒有貫通，鉑熱電阻與軸承外圈若沒有直接接觸，溫度顯示的真實性會大打折扣。

3.2 電動機超速保護

在冶金鑄造吊的運轉過程中，由于設備故障或者調速裝置失靈可能導致負荷的突然降低或解除，這些均會導致電機的轉速失控，大幅度超過額定轉速，這種現象叫做電機的“飛車”。通過在電機上加裝超速開關，可以很好地起到保護作用，預防“飛車”的產生。

超速開關與電機通過止口固定，軸與軸之間通過彈性聯軸器傳遞扭矩，在安裝聯接時必須保證機械安裝要求，保證超速開關小軸與電機轉軸連接的同心度和連接可靠，電機轉軸的徑向圓跳動公差一般控制在10 絲以內。超速開關基本參數見表2。

表2 超速開關基本參數

4 結語

我公司曾先后為國內冶金鑄造起重機龍頭生產企業設計和制造冶金鑄造吊主起升專用繞線轉子三相異步電動機，電機中心高從450 ～500mm，額定功率從300 ～500kW，電機極數為8p 或10p，產品自投入使用至今一直運行良好，用戶滿意度高。由此可見，此設計的方案切實可行，值得推薦。

［1］ 萬健如，林志強，禹華軍.電纜長度對PWM 逆變器驅動電機端電壓的影響，電力電子技術，2001.12.

［2］ 陳世坤.電機設計(第2 版).北京:機械工業出版社，1990.

［3］ GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用繞線轉子三相異步電動機技術條件(機座號450 ～500).

［4］ 湘潭電機廠.交流電機設計手冊.長沙:湖南人民出版社，1978.