大容量正壓型三相異步電動機的研制

喬建偉，李洪森，李小麗

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

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大容量正壓型三相異步電動機的研制

喬建偉，李洪森，李小麗

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

摘要介紹了YZYKS1120-4大容量正壓型三相異步電動機的研制，以及電動機電氣性能、結構、防爆性能設計方案，并著重對電動機的性能指標、防爆檢驗進行了分析和詳細介紹。

關鍵詞正壓型；三相異步電動機；換氣吹掃裝置

0引言

隨著我國石油、采礦等行業的飛速發展，企業的生產規模越來越大，所配套的防爆高壓電動機的容量也不斷增大。由于國內技術及生產能力等因素，大容量正壓型防爆電動機國內市場基本被國外品牌壟斷。為了滿足市場需求，并響應國家大型設備國產化口號，我公司不斷加大軟件和硬件的投入，對大容量正壓型電動機進行了研發和制造。

2011年3月我公司成功研制了YZYKS1120-4

22400kW 10kV大容量正壓型三相異步電動機，并獲得國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心頒發的防爆合格證，該電動機也是我公司自主研發的國內容量最大的正壓型三相異步電動機[1、2]。

1電動機的性能指標

型號：YZYKS1120-4；額定功率：22 400kW；額定電壓：10 000V；效率：98.1%；功率因數：0.91；堵轉電流倍數：4.0；最大轉矩倍數：1.8；堵轉轉矩倍數：0.6；額定頻率：50Hz；額定轉速：1495r/min；振動：0.065mm；噪聲(Lp)：85dB(A)；相數：3相；絕緣等級：F級；定額：S1(連續)工作制；防護等級：IP55；冷卻方式：IC81W；防爆等級：ExpxdeⅡCT3 Gc；安裝方式：IMB3；環境溫度：≤40°C；海拔高度：≤1000m。

2設計方案

2.1電氣設計

2.1.1電磁設計

對于YZYKS 1120-4 22400kW三相異步電動機的電磁設計，除了滿足電機基本性能指標外，還要重點分析電機效率和起動性能。為了達到性能要求，我們分別采用了與華北電力大學聯合開發的鼠籠式三相異步電動機時步有限元計算軟件和哈爾濱理工大學開發的“異步電動機電磁計算程序”進行了計算。并利用鼠籠式三相異步電動機時步有限元計算軟件對該電動機進行了磁路分析，分析所做的網格剖分圖、磁密云圖、磁力線分布圖見圖1、圖2、圖3。通過電磁場動態和靜態仿真模擬，分析電動機在空載起動、轉子堵轉、滿載運行等不同工作狀態磁路分布情況,能夠直觀、量化分析出各部分磁路分布是否合理[3、4]。

圖1網格剖分圖

圖2磁密云圖

圖3磁力線分布圖

2.1.2起動性能

該電動機起動電流倍數要求不大于4.0，起動轉矩倍數0.6，并且負載飛輪轉矩很大，在電動機端電壓不大于65%額定電壓時能正常起動。對大型電動機起動計算，主要設計思路有以下幾點。

(1)選取合理的轉子槽形和轉子槽口寬高比，從而降低起動電流，提高起動轉矩，減小起動時間。

(2)轉子導條采用合金銅，通過調整導條的電阻率與截面積的比例，在不改變轉子電阻的情況下，加大轉子導條的截面積，來保證轉子導條的溫升不會過高。

利用電磁計算和電機起動軟件，并結合實際經驗，計算得出電動機的起動電流倍數3.98倍；起動轉矩倍數0.65倍；電動機在100%額定電壓下起動時導條溫升161K；在80%額定電壓下起動時導條溫升168K；在65%額定電壓下起動時導條溫升179K，能夠滿足用戶起動要求[5、6]。

2.2結構設計

YZYKS 1120-4大容量正壓型三相異步電動機為鋼板結構、空水冷卻型。整機總長5.32m，寬5.22m(雙接線盒)，高4.123m(包括底座高)。

2.2.1轉子結構

轉子由兩個軸流式內風扇、端環、護環、中性環、導條、轉子鐵心和抱筋軸組成。轉軸材料為45#鍛鋼，采用刨筋軸，軸上的筋直接與軸整體加工出來，筋寬100mm。轉子沖片采用50W350，沖成整圓后，先用拉緊螺桿把沖片通過兩端的轉子壓圈迭壓好，然后把鐵心熱套軸上，鐵心與軸之間打斜鍵固定牢。轉子中心環材料用鑄鋁青銅加工成，中心環的作用是轉子在轉動過程中，護環不對稱受力變形時，起支撐作用。轉子護環用40Mn18Cr3鋼加工成，轉子端環加工后熱套護環，在轉子高速運轉、端環受熱的情況下。轉子導條和斷環采用硅青銅鍛制成形。轉子兩端各裝一個離心式內風扇，每個內風扇19個扇葉，離心扇對電動機繞組端部有很好的冷卻效果。

2.2.2定子結構

定子主要有加熱器、有繞組定子鐵心、線圈、機座等組成。機座采用優質鋼板焊接成一個牢固整體，側板采用折彎結構，增強強度、減少焊接量。定子鐵心利用通風槽板形成徑向通風道，用28個鴿尾筋拉緊扇形片，定子壓圈和鴿尾筋在鐵心保壓狀態下焊接。鐵心兩端內徑設階梯狀長5mm，階梯高5mm，可以減少漏磁，加大氣隙通風，提高效率、降低溫升。定子沖片選用優質50W350材料，沖成扇形片，每圓由14個扇形片組成，每個扇形片帶兩個鴿尾槽。

定子繞組采用4Y接法，4Y接法分別采用6個同心并聯銅環短接，再用銅排引入主接線盒。引出接線盒部分為方便拆卸，先用螺栓固定、外包云母帶。繞著端部采用內外端箍固定，外端箍用3240墊板固定并支撐在鐵心端部線圈支架上，內端箍用玻璃繩直接綁牢在線圈上，同時，在端部加墊塊處均用滌玻繩把線圈和墊塊綁牢，經VPI整浸后，線圈成一整體，牢固可靠，有較高的機械強度，線圈支架每端采用18組30厚的3240板，出線端還可以支撐并聯環。機座兩側板裝有防潮加熱器，電源380V、50Hz，功率3kW。

2.2.3主接線盒

電動機主接線盒和中性電動機接線盒各一個，從電動機軸伸端看，主接線盒在右側，中性點接線盒在左側。接線盒內腔空間大，方便接線，帶電纜固定裝置，每相設4個接線螺栓，每個接點可以滿足4根電纜的連接，出線口為盲板。

2.2.4滑動軸承

該電動機軸承選型為端蓋式滑動軸承，潤滑方式為外循環供油，潤滑油的粘度為ISOVG46，軸承預留外循環油接口，帶進回油配對法蘭，進油管增設針閥和進口管式流量計，以調節和顯示滑動軸承的進油量。從軸伸端看軸承進油口位置在左側，出油口位置在右側，法蘭及接管均為不銹鋼材質，軸承采用端蓋式球面滑動軸承，潤滑方式為強制潤滑，進油口位置在左側，出油口位置在右側，法蘭及接管均為不銹鋼材質，軸承型號DQ35-375BJ，潤滑油類型ISOVG46，進油壓力0.01～0.03MPa，每個軸承供油量42L/min，進油溫度不超過33℃。

頂升油系統，泵出口壓力31.5MPa，運行壓力5MPa，整機供油量12L/min，油泵電動機功率4kW、電壓380V。

2.2.5通風冷卻系統

電動機風路設計采用了數學建模、流場分析的方法如圖4、圖5、圖6、圖7所示，通過不斷對風路進行優化，最終選取最合理的風路冷卻方案。

圖4風路結構圖

圖5軸截面靜壓分布圖

圖6軸截面局部速度矢量圖

圖7橫切軸截面速度矢量圖

冷卻器采用空氣-水冷卻方式，兩組并聯，運行水量160t/h，運行水壓0.25～0.4MPa，進水溫度不大于33°C。

電動機空水冷卻器帶有漏水監控儀，運行時若冷卻器漏水立即可以發出警報，漏水監控儀設有兩組輸出，每組有常開常閉觸點。

2.3正壓設計

電機帶正壓吹掃裝置，內部布設吹掃管道 ，正壓外殼型電機要求起動前能對電機內部吹掃干凈，不留死角，電機在運行時電機內部最小壓力差大于50Pa(標準考核值)、150Pa(控制裝置高高報警或連鎖停機值)。通過實驗，合理布置吹掃管道，保證吹掃時無死角，并找到電機運行時最小壓力點，確保電機的防爆性能。

在電機運行前，為了防止電機內部存在可燃氣體，需要換氣吹掃, 該系統由排氣閥和控制單元組成，通過氣壓控制，可自動調節進氣量。排氣閥設在冷卻器上部，控制單元安裝在機座側板上，干燥清潔的儀表風通過控制單元，進入機座底板上的兩條管道，管道上分布有排氣孔，儀表風從排氣孔排出后均勻地分布在電機下部，這樣就避免了電機內部留有死角，防止危險氣體的殘留。當電機內部氣壓達到一定壓力后，排氣閥自動打開開始排氣，逐漸達到進排氣平衡，當換氣量達到電機內腔體積的5倍左右時，關閉氣源換氣結束。 當電機運行時換氣裝置進行通風補償，使電機內部氣壓大于外部氣壓，有效防止可燃性氣體的進入。

YZYKS1120-4大容量正壓型三相異步電動機根據電動機換氣總體積和換氣流速，選用D808正壓吹掃控制系統。

本電動機吹掃、正壓參數經試驗為

(1) 電動機吹掃數據

吹掃氣體：惰性氣體、干燥空氣

電動機內部凈體積：25m3

吹掃時間：30min

吹掃流量：2000NL/min

(2) 電動機正壓運行參數

電動機內部壓力為200～000Pa

電動機低壓報警值：80Pa

電動機低壓停機值：50Pa

電動機高壓報警值：2500Pa

電動機高壓停機值：3000Pa

最大正壓泄露流速：1000NL/min

3產品性能測試、防爆檢驗

3.1產品性能測試

YZYKS1120-4 22400kW大容量正壓型電動機的主要性能見表1。

表1　大容量正壓型電動機的主要性能

從試驗性能可以得出，該電動機具備效率高、功率因數高、起動電流低、振動小、噪聲低等各項性能優良。

3.2防爆檢驗

防爆電機在性能合格的同時，防爆安全檢查也是關鍵部分。我們委托國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心對該電動機進行了防爆安全檢查。通過產品圖紙、技術文件審查，并對電動機樣機進行了最高正壓、最低正壓檢查，以及泄漏試驗、換氣和稀釋試驗、控制裝置可靠性試驗等全面檢測[710]。結果表明各項指標全部合格，并取得了防爆合格證，證號CNEx11.1667X，防爆標志ExpxdeⅡCT3 Gc。

4結語

我公司在YZYKS 1120-4 22400kW電動機試制成功的基礎上，系列研發了YZYKK、YZYKS，355-31500kW正壓型三相異步電動機。由于該系列產品性能好、品質高，達到國際先進水平，目前，該系列產品正逐漸替代進口產品，已批量投入市場。

參考文獻

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Development of Large-Capacity Pressurized Three-phase Induction Motor

QiaoJianwei,LiHongsen,andLiXiaoli

(Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd.,Nanyang 473008, China)

AbstractThis paper introduces development of YZYKS1120-4 large-capacity pressurized three-phase induction motor, and introduces emphatically design scheme of electrical performance, structure and explosion-proof performance for the motor. Performance index and explosion-proof test for the motor are analyzed and introduced in detail.

Key wordsPressurized type；three-phase induction motor；purging device

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：喬建偉男1975年生；畢業于鄭州輕工業學院電動機電器及其控制專業，現從事高壓電動機的設計與開發等方面工作.

中圖分類號：TM357

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0026-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.07