驅動進口壓縮機用單支撐同步電機的設計

歷　銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

?

驅動進口壓縮機用單支撐同步電機的設計

歷銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要根據石油、化工行業中的核心設備，加氫裝置中使用的往復式壓縮機仍采用進口的情況，現根據該壓縮機自身的特點及對驅動電機的要求，用于驅動美國DRESSER-RAND往復式壓縮機的TZYW/TAW6500-20/3250WTHF1單支撐結構無刷勵磁同步電動機為例，對產品的結構及技術關鍵點進行詳細介紹。

關鍵詞單支撐；無刷勵磁；同步電動機

0引言

近年來，經濟的高速發展，燃油類型的交通工具越來越多，尾氣排放給環境帶來了極大的負擔。隨著國家的環保意識不斷提高，對油品的質量要求越來越高，石油精煉是石油、化工企業現階段必須應對的，在石油精煉的生產工藝流程中，不可絕對避免易燃、易爆氣體泄漏與環境大氣混合，而形成爆炸性氣體環境，若與點燃源同時存在，將必然產生泄漏氣體被引燃而爆炸。驅動壓縮機運轉的電動機就是重要的點燃源之一，所以對驅動設備的安全性，可靠性要求越來越高，正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機具有較高的安全性和可靠性，因此被石化行業廣泛應用。

1單支撐同步電機總體結構

正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機安裝方式IM7115, 冷卻方式為IC81W，單支撐結構，法蘭軸伸。產品由定子、轉子、交流勵磁機、伸端支撐及盤車裝置、軸承、水冷卻器、底架、接線盒、正壓保護系統等零部件組成，如圖1所示。

圖1電機主要零部件

定子主要由機座、定子鐵心、定子線圈等部件組成，設計時充分考慮通風和散熱的要求，保證其有足夠的風道來冷卻繞組。定子采用內裝壓結構，整體剛性好，防止吊運過程產生對定子繞組的損傷，采用VPI真空壓力浸漆工藝，定子繞組絕緣性能可靠，符合GB 3836.3—2010增安型新標準中對絕緣系統的要求，如圖2所示。

圖2定子結構

轉子主要由轉軸、轉子支架、磁極線圈、磁極鐵心、風扇、勵磁機電樞、勵磁機風扇、旋轉整流器等零部件組成，磁極與轉子支架采用 “T” 尾連接，用楔鍵打緊后焊接牢固，如圖3所示。

圖3轉子結構

2軸系計算

單支撐無刷勵磁同步電動機通過軸伸法蘭與壓縮機相連，驅動端與壓縮機共用一個軸承，在軸系計算時要考慮到壓縮機端軸承位置，同時由于其壓縮機自身特性，在軸系計算時電機供應商要考慮使用一個等于銘牌轉矩的平均轉矩加上等于200%銘牌轉矩的一個脈動轉矩去計算軸的強度，上述方面在軸系計算時必須注意考慮，如圖4所示。

圖4單支撐同步電機軸的撓度分析

(支撐點考慮到壓縮機軸承中心)

軸的疲勞強度安全系數校核計算公式如下

彎扭合成安全系數

(1)

彎曲應力安全系數

(2)

扭轉應力安全系數

(3)

其中電機的額定轉矩

(4)

扭轉應力計算時按3倍額定轉矩

Td=3TN=620750N·m

(5)

軸材質選用35CrMo，抗拉強度σb=600MPa,屈服強度σs=400MPa，彎曲疲勞極限σ-1=270MPa，扭轉疲勞極限τ-1=155MPa ,硬度(HB)207～269。

式中，εσ，ετ—彎曲和扭轉時的尺寸影響系數；β—表面質量系數；Kσ，Kτ—彎曲和扭轉時的應力集中系數；Ψσ，Ψτ—彎曲和扭轉時的平均應力折算系數；σα，σm—彎曲應力的應力幅和平均應力幅；τα，τm—扭轉應力的應力幅和平均應力幅。通過機械設計手冊第四卷第3章26篇查找相關數據進行計算。

3壓縮機系數計算

往復式壓縮機的脈動轉矩在驅動電動機的線電流中產生脈動，為將電流脈動限制在要求的數值內，系統必須提供旋轉部件正確的Wk2。通過核算壓縮機系數C,判斷是否系統的Wk2滿足要求。

壓縮機系數計算公式

(6)

式中，同步轉矩系數Pr′

(7)

化簡得

(8)

式中，Em—勵磁感應電動勢幅值(標幺值)；Um—端電壓幅值(標幺值，實為1)。

圖5矢量關系圖

為解的Em和δ0，列如下方程式，由圖5得

id=-im×sin(φ+δ0)

(9)

iq=-im×cos(φ+δ0)

(10)

而

(11)

(12)

將Xd、Xq、cosφ、Um代入

解得：Em=2.1δ0=30.24°

代入上式Pr′中得Pr′=1.4339

式中Wk2，W—所有旋轉部件重量(磅)；k—旋轉件旋轉半徑(英尺)。

由10可知，在放入時變控制變量之前，非OECD的多樣性指標的顯著性及系數都比OECD高，進口中間產品多樣性指標同企業研發強度的交互項系數值都為正。在OECD國家進口指標中添加時空控制變量會降低其指標系數值，其系數值均非負。非OECD國家進口多樣性指標間的顯著性特征不明顯。進口中間產品多樣性指標和企業研發強度的交互項系數不斷較少，二者在顯著性以及方向上并未出現大幅度的變化。以上回歸結果和預期的沒有差異，說明擴大從發達國家進口中間品的范圍是促進本土企業產品創新的有效舉措，本文所分析的機制合理可行。

同步轉速n=300r/min

電機額定功率：PN=6500kW

(13)

頻率f=50

將上述參數代入壓縮機系數計算公式

(14)

4鍵槽應力集中系數計算

由于美國DRESSER-RAND公司以往產品鍵槽部分出現過疲勞現象，因此與其配套產品還需鍵槽應力集中系數計算，根據R E Peterson《應力集中系數手冊》410頁內容，在鍵槽既承受彎矩又承受扭矩的情況下按如下方法進行計算

(15)

(16)

(17)

計算得

=1.17×10-2

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

軸系剖面如圖6所示。

圖6軸系剖面圖

根據軸尺寸，代入數據：d=680mm；b=80mm；t=22.64mm；鍵槽R角R2.5。

最終計算結果

5結語

本文通過對驅動進口壓縮機用單支撐同步電機的產品結構和技術關鍵點的介紹，為我國大型裝備國產化積累了一定的技術經驗，隨著石化行業的高速發展，裝備大型化的需求越來越多，通過對產品的詳細介紹，將會為設計研發人員提供大量寶貴的大型防爆同步電機設計經驗，為我國石油、石化行業提供了大量技術國際領先、運行穩定可靠的大型同步電機，為行業的發展貢獻力量。

參考文獻

[1]蔡黎明，黃開勝，陳文敏，等.永磁同步電動機的優化設計.防爆電機，2015.1.

[2]張亞鴿，王肖肖.電機試驗用同步電動機的研制.防爆電機，2015.2.

[3]蘇國霞，王立名.三相同步電動機定子接地故障分析.防爆電機，2015.2.

[4]陳興衛.單支撐大型同步電動機軸系的設計.防爆電機，2014.1.

[5]陳興衛.無刷勵磁同步電動機的防爆技術特點.防爆電機，2014.3.

Design Keys of Single-Support Synchronous Motor for Driving the Imported Compressor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractFor key devices in petroleum chemical industry, the reciprocating compressors used in hydrogenated unit still are imported. Taking a TZYW/TAW6500-20/3250WTHF1 single-support brushless excitation synchronous motor for driving American DRESSER-RAND reciprocating compressor as an example, this paper detailedly introduces structure and technical keys of the motor based on characteristics of compressor itself and requirements of the driving motor.

Key wordsSingle support；brushless excitation；synchronous motor

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.02

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0005-004

作者簡介：歷銳男1982年生；畢業于黑龍江八一農墾大學機械設計制造及其自動化專業，現從事電機設計研發工作.

收稿日期：2016-04-18