揚水泵站同步電動機的結構設計*

魏銀秀

(蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

1 電動機概述

電動機設計重點是如何解決電動機的長徑比，減小電動機的撓度，提高電動機的穩定性，筆者結合設計重點，闡述了采用改進電動機的軸承結構和集電環連接型式提高電動機穩定性，達到減少制造電動機的原材料及壓縮電動機成本的目的。

(1)電動機型號和規格

型號:T710－6;額定功率:1250 kW;額定電壓:6 000 V;頻率:50 Hz;防護等級:IP23;工作方式:S1;安裝方式:IMB3;冷卻方式:IC01。

(2)電磁設計

絕緣規范采用我公司6 kV絕緣規范。定子采用2．0×4．5 的繞包線，轉子采用 2．12×31．5 的銅帶，定子槽楔為環氧布板。定子電密4．04 A/mm2，線負荷474 A/cm，定轉子氣息6 mm，定子溫升41 K，轉子溫升58 K。絕緣等級為F級，考核溫升為105 K。

(3)電動機結構設計特點

電動機安裝形式為IMB3。電動機冷卻風路采用經濟實用半管道出風。轉子鐵心兩端不帶冷卻風扇。為了確保電動機性能的準確性，設計電磁方案時盡量使氣隙磁場分布接近合理化，性能指標達到最高，定、轉子均采用新系列通用冷軋硅鋼片設計。圖1為電動機軸承均采用滾動軸承，電動機結構示意圖。

圓柱滾子軸承只用于承受徑向載荷，且承載能力強，使用中對同軸度要求高，在滾子軸承中極限轉速較高。允許外圈與內圈軸線偏斜度較小(2'～4')，故只能用于剛性較大的軸上，并要求支撐座孔很好地對稱［1］。此次設計中，對大軸及相關零部件的加工質量有嚴格的要求，特別是軸承檔的全跳不得超過0．025 mm。

深溝球軸承主要用于承受徑向載荷，但當增大軸承徑向游隙時，具有一定的角接觸球軸承的性能，可以承受徑向、軸向聯合載荷。在轉速較高又不宜采用推力球軸承時，也可用來承受純軸向載荷。深溝球軸承裝在軸上后，在軸承的軸向游隙范圍內，可限制軸或外殼兩個方向的軸向位移，因此可在雙向作軸向定位。此外，該類軸承還具有一定的調心能力，當相對于外殼孔傾斜2'～10'時，仍能正常工作，但對軸承壽命有一定的影響。與尺寸相同的其他類型軸承比較，此類軸承摩擦因數小、極限轉速高、噪聲低，且結構簡單，使用方便。外圈帶止動槽的可簡化軸向定位，縮小軸向尺寸［1］。

綜合兩種軸承的性能特點，在該同步電動機的結構設計時軸伸端采用深溝球軸承6244M/C3和圓柱滾子軸承NU244M/C3相結合(見圖2)，非軸伸端用一件圓柱滾子軸承NU244M/C3，這種軸承組合在力求成本最低的情況下，充分利用了各個軸承的優勢，滿足電動機的設計要求［2］。

圖1 改進后電動機的結構圖

圖2 軸承結構圖

2 電動機重點結構部分設計

2．1 軸 承

傳統的同步電動機結構是采用座式滑動軸承，電動機機座與端罩及軸承同裝在一個底板上，兩軸承中心的軸向距離為2 000 mm(圖3)。而采用端蓋滑動軸承后兩軸承中心的軸向距離壓縮為1 770 mm，(圖4)。通過本次改進，采用滾動軸承后的兩軸承中心的軸向距離壓縮到了1 297 mm(圖1)。

圖3 座式軸承電動機結構圖

圖4 端蓋滑動軸承的電動機結構圖

2．1．1 轉軸撓度的計算［3］

(1)用端蓋滑動軸承時的轉軸撓度計算

G=2 935 kg，D=79．8 cm，L=49 cm，g=0．6 cm，m=5，n=5(未注長度單位為 cm)，d1=20，d2=25，d3=29，d4=26．5，d5=27，d1'=20，d2'=25，d3'=29，d4'=26．5，d5'=27，L1=11，L2=20，L3=26，L4=47．5，L5=84．5，L1'=10．3，L2'=20，L3'=26．3，L4'=55．5，L5'=92．5，D2=44，b=8．7，t=6。

撓度數值:f=0．037 mm

撓度占氣隙的百分比:f/e=0．61%(OK)

臨界轉速:nk=5 814 r/min

(2)用滾動軸承時的轉軸撓度計算

G=2 670 kg，D=79．8 cm，L=49 cm，g=0．6 cm，m=4，n=4(未注長度單位為 cm)，d1=22，d2=25，d3=26．5，d4=27，d1'=22，d2'=25，d3'=26．5，d4'=27，L1=6．5，L2=19．5，L3=24．1，L4=61．1，L1'=3．3，L2'=11．3，L3'=31．7，L4'=68．7，D2=44，b=8．7，t=6。

撓度數值:f=0．011 mm

撓度占氣隙的百分比:f/e=0．18%(OK)

臨界轉速:nk=11 049 r/min

(3)采用滾動軸承的電機，其轉軸撓度僅為滑動軸承電機轉軸撓度的2/7，而臨界轉速卻約達2倍。

2．1．2 滾動軸承基本負荷計算［2］

轉子外徑D=798 mm，有效鐵心長L=400 mm，氣隙 δ=6 mm，氣隙磁密 Bδ=0．7277 T。

轉子重量 G=2 670 kg，單邊磁拉力 P0=0．06DLBδ

2=1 014 kg。計算得:軸伸端載荷F1=19．49 kN，非軸伸端徑向載荷 F2=17．35 kN。

軸承NU244M/C3的基本額定靜負荷為Cr=702 kN，F1、F2符合范圍。

2．1．3 兩種軸承淺析

(1)滑動軸承存在的缺點:①滑動軸承軸瓦一般為巴氏合金瓦，其磨損快，壽命短，更換頻繁，故障多;②檢修瓦工期長，勞動強度較高;③滑動軸承傳動阻力較大;④滑動軸承不宜維護檢修，若刮研瓦或安裝稍微達不到要求精度及潤滑跟不上時，就將發生高溫燒瓦故障而影響生產。

(2)滾動軸承的優點:①節電:滾動軸承內外圈之間由滾子支撐，運轉時滾子沿內外圈的滾道滾力滾動，摩擦系數遠遠小于滑動摩擦系數，由滑動軸承的0．04降低到滾動軸承的0．0025，只有原來的1/16。起動電流減小，工作電流也減小;②節省潤滑油:滾動軸承為滾動式線接觸，用油量少，油質的劣變現象很小。去掉了潤滑站，主軸承的維修使用都非常方便。消除了缺油斷水、瓦升溫、修機停產的事故發生;③維修方便，質量可靠:省去一系列復雜技術要求及供油、供水的冷卻系統，因此維修工作量大大減少;④滾動軸承由專業廠家生產，材料、精度均按相關標準執行，質量有保障;⑤滾動軸承代替滑動軸承，有效降低了摩擦能耗，解決了大負荷下軸承壽命、機組軸向竄動、軸承密封等一系列問題。

2．2 集電環

對用戶要求集電環防護等級為IP23的同步機，原來設計的集電環為下端采用支架承托和上端用螺桿拉緊聯合固定形式(到機座端面距離為850 mm)。

在本電動機設計時改變大型同步機集電環的支撐形式，在電動機端蓋上加工止口，并設計了高度為100 mm的連接環，實行過渡連接(集電環端面到機座端面距離為650)。由于連接環的高度有限，原用軸承測溫元件WZP－280體積大，考慮到安裝特別困難，設計時改用體積小，經濟實惠的端面熱電阻WZPM－201來檢測軸承溫度。改進集電環連接形式后，安裝方便，電動機結構因此而更加緊湊。

2．3 連接環

設計連接環時，在保證連接環與軸承外蓋不干涉的情況下，考慮用戶給軸承加脂以及排脂時的空間、方便安裝軸承測溫和把合螺絲，所以連接環的圓周設計為輻射筋、周邊為敞開的形式。

3 結語

節材分析見表1。通過試驗對電動機各點的振動進行了仔細的檢測，7臺電動機最大振點的振速為2．2 mm/s，國標要求不得超過 2．8 mm/s，符合標準。通過實驗，各項性能指標及參數都符合設計值和相關要求。

該產品是從改變電動機的軸承和集電環連接型式方面做了改進，達到節材的目的。為以后設計同類產品、完善產品的整體結構設計積累了經驗。

表1 主要部件節材對照表

［1］ 成大先．機械設計手冊［M］．第2卷．第四版．北京:化學工業出版社，2002．

［2］ 吳恒顓．電機常用材料手冊［M］．西安:陜西科學技術出版社，2001．

［3］ 白延年．水輪發電機設計與計算［M］．北京:機械工業出版社，1982．