船用起重用繞線轉子電動機設計與制造

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢 430205)

船用起重用繞線轉子電動機設計與制造

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢 430205)

鑒于船用環境潮濕、多鹽霧、電網波動大等特殊性，對船用起重用繞線轉子三相異步電動機的設計和制造提出了新的技術要求。主要介紹該系列電動機在電磁設計和結構設計中與常規繞線轉子三相異步電動機的不同點，為船用起重用繞線轉子三相異步電動機的技術更新提供了依據。

繞線轉子;開路電壓;最大轉矩倍數

0 引言

由于應用歷史久、控制方案成熟，以及通過轉子回路外串電阻后電機起動電流小，過載能力強等特點，在起重領域占有很大的比重，在船用起重機械的配套主起升電機中繞線轉子三相異步電動機更是得到廣泛使用。

相對于普通的工業應用來說，船用電機的使用場所具有一些特殊性:現場有鹽霧、霉菌和油霧，空氣相對濕度不大于95%，并可能有凝露，供電電網的電壓和頻率波動大(電壓變化為額定電壓的－10%～+6%，頻率變化為額定頻率的±5%)，使用過程有船舶正常運行中產生的沖擊和振動的影響，并伴隨傾斜與搖擺［1］。另外，由于在使用過程與水的接觸機率大為增加，對于在甲板上使用時更是容易受到大量雨水的淋刮，這要求繞線轉子三相異步電動機的防護等級也要相應提高。鑒于船用環境的高等特殊性，對船用起重用繞線轉子三相異步電動機的設計和制造提出了新的要求。

本文結合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉子三相異步電動機技術條件》中的相關要求，介紹了船用起重用繞線轉子三相異步電動機相關的電磁設計、主材選擇以及制造過程中的關鍵工藝處理節點，通過這些關注點的描述來形成船用繞線轉子電動機(以下簡稱船用電動機)的初步設計制造規范。

1 電磁設計

前面已經提到，船用電動機的供電電網的電壓和頻率波動比較大，其中電壓變化為額定電壓的－10%～+6%，頻率變化為額定頻率的±5%，這些波動將對船用電動機的性能帶來相應的變化。根據電機學理論，而每相的感應電動勢公式為

式中，f1—電源頻率;N1—每相串聯匝數;kdp—繞組系數;Φ1—每極磁通。

由此可知，當電源電壓為額定值時，定子電動勢基本不變，而由于電源頻率的降低必然引起電動機每極磁通增加，也就是產生磁通的勵磁電流增加。勵磁電流是無功電流，無功分量的增加將導致電動機的功率因數降低，從而引起電機總電流增加，定轉子銅耗增加，電動機發熱加劇。另一方面隨著電源頻率的降低，電機的同步轉速同比例降低，異步電動機的輸出轉速也隨之降低，這會引起電動機風扇風量減少，散熱困難，使電動機的溫升增加，這對僅僅依靠同軸風扇旋轉來進行冷卻散熱的繞線轉子船用電動機更為不利。

當電源頻率一定時，電源電壓的高低將直接影響電動機的起動性能。根據電機學原理，電動機轉軸輸出轉矩與電源電壓的平方成正比，特別是當負載較重滿載運行時，若電源電壓降低幅度大，電動機輸出轉矩將降低明顯，勢必會造成電動機起動困難。端電壓過低還將引起負載電流分量增大的數值大于激磁電流分量減少的數值。因此，定子電流增加，功率損耗加大，定子繞組過熱，時間過長甚至會燒毀電動機。

在電磁設計過程中必須對這些變化進行評估和考慮，并給以合適的應對措施。在考慮定轉子沖片模具系列化、通用化以及保證船用繞線轉子電動機的最大轉矩倍數和轉子開路電壓數值符合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉子三相異步電動機技術條件》中對應條款要求的前提下，電動機磁密的取值不能太高，以免電源電壓過高時電機磁路出現過飽和現象。一般情況下氣隙磁密Bδ取值在7000高斯左右，定子齒磁密Bt1取值均在15 000高斯左右，定子軛磁密Bc1取值在14 000高斯左右，轉子齒磁密Bt2取值在13 500高斯左右，轉子軛磁密Bc2取值在10 000高斯左右。

同時考慮到電源電壓降幅較大(最大降幅為－10%)而導致對電機轉矩的不利影響，性能難于保證，最大轉矩倍數的設計值一般要比標準的保證值高20%左右比較好。

由于起重用船用電動機的基準工作制為S3－40%，所以基定、轉子電流密度可以參照普通起重及冶金用繞線轉子電動機進行選取。通常定子電流密度為6～7A/mm2，轉子電流密度為5．0～6．5A/mm2。

同樣地，考慮到電源電壓下降的不利影響，定轉子繞組的溫升限值實際水平在70K左右應該是屬于比較好的范圍，既可以有利于電機的使用壽命，又具有良好的經濟性。

2 主材料選擇

主要從結構件、緊固件和轉軸材料3個方面介紹船用電動機的主材選擇要點。

2．1 電動機的機座、端蓋、高端蓋、軸承內外蓋、接線盒座(蓋)均使用鑄鐵件，其牌號至少為HT200。同時為了保證后期整體噴漆效果良好，電動機外表面無漆瘤流掛現象，通常情況下將這些鑄鐵件的毛坯先進行噴砂處理后再進行金加工。鑄件表面噴砂處理后涂雙組分鐵紅環氧底漆;焊接件表面噴砂處理后涂雙組分鐵紅環氧底漆或者環氧富鋅底漆。若現場環境中對電機的沖擊、搖擺很強烈，則建議將機座和端蓋的材料更換為鋼質材料(如Q235等)。

2．2 電動機的緊固件應有防銹蝕的電鍍層，其中，導電部分的緊固件用黃銅制成并進行鍍鎳處理，其他部位的聯接螺栓用Q235制成并進行鍍鉻處理。緊固件的鍍層要求經鹽霧試驗后不低于GB/T 2423．17—2008的規定，且其外觀應不低于JB/T 4159—1999的第5．4．1條三級要求。在實際生產過程中，有時也臨時用不銹鋼材質的螺栓用于除導電部位以外的其他聯接，該防銹蝕的效果更好，但是造價也更高。

2．3 電動機的轉軸材料通常采用優質碳素結構鋼。當采用碳鋼、碳錳鋼材料時，抗拉強度≥441MPa，屈服點≥211MPa，試樣的伸長率(δs)縱向≥21%;目前常選用大冶特鋼生產的45#圓鋼或者合金鋼40Cr作為軸料，在金加工之前進行調質處理，調質后要求硬度達到HB230～250。

3 關鍵工藝處理節點

在船用電動機的制造過程中，對于防護等級、繞組處理和表面涂覆均需要重點關注。下面就這3個方面的一些特殊要求進行分別說明。

3．1 防護等級

根據使用環境的不同，船用電動機的常用的防護等級為IP44、IP54、IP55、IP56等。對應于不同的防護等級，有如下不同的處理措施。

(1)IP44、IP54的密封。

(a)兩端端蓋與機座聯接的止口配合面均勻涂抹厭氧密封膠;

(b)軸承外蓋與軸之間通過增加骨架式油封提高防護能力。軸與骨架油封的配合可采用d8，粗糙度為0．8，骨架油封與軸承外蓋的配合可采用f8，粗糙度為3．2，安裝前油封內圈涂潤滑油;

(c)出線盒座與機座之間、出線盒蓋與出線盒座之間、觀察窗蓋與高端蓋之間均勻涂抹厭氧密封膠，并在中間墊一層耐熱橡膠密封墊;

(d)機座兩端底部正下方鉆泄水孔。

(2)IP55的密封:在IP54密封處理的基礎上增加以下措施。

(a)出線盒座底部、出線盒蓋、觀察窗蓋、端蓋止口加工環形溝槽，先在溝槽內均勻涂抹厭氧密封膠，然后再上硅膠O型密封圈后安裝到位;

(b)出線盒座和高端蓋上的金屬出線套的螺紋外側均勻涂抹厭氧密封膠后旋緊固定到位。

(3)IP56的密封:在IP55密封處理的基礎上增加以下措施。

(a)增加一個迷宮式甩水環在骨架油封前端，甩水環與軸為小過盈熱套配合，以軸用彈性擋圈進行軸向定位;

(b)軸承內蓋的絲孔不鉆穿，軸承外蓋鉆孔后表面锪孔，聯接螺栓上增加硅膠O形密封圈;

(c)適量增加端蓋與機座之間、軸承內外蓋之間以及出線盒座、蓋之間的聯接螺栓數量。3．2 繞組處理

前面已經提到，船用環境現場有鹽霧、霉菌和油霧，空氣相對濕度不大于95%等特殊性，所以繞組的處理也有一些特殊的要求。相對于常規電動機，船用電動機在繞組制作過程中還需要注意以下幾個方面。

(1)電動機的定、轉子繞組和絕緣材料應有優良的防潮防霉能力(經28d試驗后防霉能力應不低于GB/T 2423．16的二級要求)，不得應用未經防護處理的天然纖維材料及其制品。

(2)散嵌形式的定、轉子繞組嵌線整形后所焊接的電纜必須為專用船用電纜。

(3)定、轉子繞組焊接完后，按要求浸兩次無溶劑樹脂絕緣漆，其中至少進行一次真空VPI浸漆。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［2］。

(4)繞組浸漆烘焙后，立即在其端部涂刷一層JZ-11環氧膠，以形成保護層，起到防潮和防霉的功效。

另外為防止長時間停機、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，利用它對船用電動機進行預熱去潮，使定子繞組的溫度始終高于環境溫度5℃，從而避免了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，保證了船用電動機在潮濕環境中仍能正常運行［2］。

3．3 表面涂漆

對于船用電動機來說，裝配后整機的表面涂覆要求為:底層漆為1層雙組分鐵紅環氧底漆或者環氧富鋅底漆，中間漆為1層環氧中層漆，表面漆為1層氯化橡膠防腐面漆。漆膜干燥后的總厚度為120～260μm(根據具體使用場所進行區別，沿江環境使用的電動機取較低值，近海使用的取中間值，遠洋鉆井平臺、經常處于日曬雨淋等惡劣環境使用的取高值)。

噴漆過程中要注意對每一涂漆層做好防護，防止沾上油污、灰塵或其他雜質，以保證好層與層之間的附著力，對污染面應用潔凈的汽油擦凈，用細砂紙打磨干凈后再涂漆。

4 結語

通常在國內使用的船用電動機在上船使用之前還需要通過CCS(中國船級社)的檢驗，檢驗規范分別為CCS發布的《鋼質海船入級與建造規范》和《產品檢驗指南》。檢驗后合格的船用電動機在銘牌顯眼處打印船檢標記錨印。我廠通過對船用起重用繞線轉子三相異步電動強電磁等方面的設計，以及在關鍵工藝的細節處理，確保了產品性能優良，運行完全符合CCS船檢的要求。

［1］JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用繞線轉子三相異步電動機技術條件．

［2］唐慶華．鑄造吊主起升用繞線轉子三相異步電動機的設計與制造．防爆電機，2015．2．

Design and Manufacture of Wound-Rotor Motor for Crane in Ship

Tang Qinghua
(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory，Wuhan 430205，China)

In view of humidity，salt spray，big fluctuation of the power network and other special characteristics，a new technology requirement is made for design and manufacture of wound-rotor three-phase induction motor for crane in ship．Difference between the electromagnetic design，structural design and common wound-rotor three-phase induction motor is introduced in this paper，it provides reference for design and manufacture of wound-rotor threephase induction motor for crane in ship．

Wound-rotor;open-circuit voltage;maximum torque ratio

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．05

TM343+．4

A

1008-7281(2015)05-0014-003

唐慶華 男 1976年生;畢業于湖南工程學院，起重冶金及屏蔽電機標準化委員會委員，現從事電機設計及技術管理工作．

2015-07-08