YKK900—6 5200kW 6kV IP54大慣量三相異步電動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)

孫明達(dá)+鄭亞琦

摘 要：本文討論了大慣量三相異步電動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程，圍繞設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析，總結(jié)了設(shè)計(jì)心得，為今后同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī) 大慣量 電磁設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 問題的提出

大型離心風(fēng)機(jī)葉輪直徑大，轉(zhuǎn)子重量大，因此通常具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)其起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)溫升是一個(gè)突出的問題。

筆者接到產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)，為某電廠引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)配套YKK900-6 5200kW 6kV IP54電動(dòng)機(jī)，其中風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6500 kg.m2 ，且用戶要求轉(zhuǎn)子為銅排轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。而此前我公司該型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子均為鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這就首先要求合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，滿足電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求；其次校核轉(zhuǎn)子起動(dòng)過(guò)程中溫升，滿足拖動(dòng)大慣量負(fù)載起動(dòng)要求。

2、電動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

2.1電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

額定功率：5200kW；

額定電壓：6000V；

額定電流：580A；

額定頻率：50Hz；

額定轉(zhuǎn)速：996r/min

絕緣等級(jí)：F級(jí)

防護(hù)等級(jí)：IP54

冷卻方式：IC611；

結(jié)構(gòu)及安裝型式：IMB3；

允許拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：6500 kg.m2

2.2依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB755《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》

GB/T13957《大型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列技術(shù)條件》

3、大慣量三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程分析

3.1電磁設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定電機(jī)的電磁負(fù)荷以及與電磁性能相關(guān)的有效尺寸，包括定、轉(zhuǎn)子沖片及鐵芯尺寸，繞組數(shù)據(jù)等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮堅(jiān)固電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，又要考慮成本，并且溫升留有合理裕度。定子齒磁密1.46T，定子軛磁密1.37T，轉(zhuǎn)子齒磁密1.49T，轉(zhuǎn)子軛磁密1.4T。

定子采用雙層疊繞組，為削弱5、7次諧波，節(jié)距去5/6極距，定子接線Y接。因定子電流較大，并聯(lián)支路數(shù)選擇6路。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1定子結(jié)構(gòu)

定子由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座等部分組成。

3.2.1.1定子鐵芯

定子鐵芯由優(yōu)質(zhì)冷軋電工鋼片疊壓而成，定子沖片采用扇形片、整圓由6片扇形片拼成，1/2迭片。定子采用內(nèi)壓裝，徑向通風(fēng)道結(jié)構(gòu)，在機(jī)座內(nèi)疊片，用機(jī)座內(nèi)筋板緊固，壓裝后，由定子壓圈壓緊。鐵芯壓緊后將固定片與機(jī)座壁板焊牢，然后進(jìn)行嵌線、整浸。

這一結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鐵芯在機(jī)座內(nèi)固定后，不再受下道工序的影響而導(dǎo)致鐵芯變形；

（2）鐵芯壓裝好后，嵌線在機(jī)座內(nèi)進(jìn)行不易碰壞。

3.2.1.2定子繞組

定子繞組為雙層疊繞組，整個(gè)定子繞組采用VPI真空加壓浸漆工藝，且繞組端部表面噴環(huán)氧敷蓋漆，繞組端部和直線部位固化成整體，從而減小匝間短路的可能。同時(shí)，浸漬漆充分占滿槽內(nèi)空間，提高散熱性能。

3.2.1.3機(jī)座

機(jī)座是定子的主要結(jié)構(gòu)件，采用臥式箱式結(jié)構(gòu)，提高了零部件通用性。機(jī)座由鋼板焊接而成，起承受冷卻器重量、定子重量，固定鐵芯的作用。

3.2.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子主要由幅板軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、導(dǎo)條、端環(huán)、風(fēng)扇等組成。在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，材料的選擇，結(jié)構(gòu)的運(yùn)用應(yīng)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的機(jī)械計(jì)算。

3.2.2.1轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子沖片采用整圓片，采用徑向通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽與定子鐵芯通風(fēng)槽對(duì)齊，數(shù)量相同，寬度相等。沿軸向分段，每段間由徑向通風(fēng)槽隔開，每個(gè)通風(fēng)槽由一張鐵芯端板與另一張焊有通風(fēng)槽片的鐵芯端板組成。當(dāng)疊壓后，鐵芯兩端采用轉(zhuǎn)子壓板壓緊后以拉緊螺桿固定。

4、起動(dòng)溫升的計(jì)算

電機(jī)在拖動(dòng)大慣量負(fù)載起動(dòng)時(shí)，往往會(huì)遇到起動(dòng)電流大、起動(dòng)時(shí)間增加這類問題。因此在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須計(jì)算起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)個(gè)部分溫升，以保證其不超過(guò)材料限制。由于電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中時(shí)間較短，通常不考慮定子繞組與鐵芯之間熱傳遞，將這一過(guò)程視為絕熱過(guò)程。

4.1起動(dòng)時(shí)間計(jì)算

異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系，可按下列運(yùn)動(dòng)方程確定。

式中

Te——電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）

TL——負(fù)載阻力矩（N·m）

J——機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）

Ω——角速度（1/s）

計(jì)算機(jī)組起動(dòng)時(shí)間為20.5s。

4.2定子繞組的起動(dòng)溫升計(jì)算

在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，定子繞組中產(chǎn)生的熱量來(lái)自于電流產(chǎn)生的焦耳熱

（J）

J1s——起動(dòng)時(shí)定子繞組電流密度（A/mm2）

Ρ——定子繞組電阻率（Ω·mm2）

ts——起動(dòng)時(shí)間（s）

在絕熱狀態(tài)下， （J）

——定子繞組導(dǎo)體密度（g/cm3）

cs——定子繞組導(dǎo)體比熱（J/（g·℃））

——定子繞組起動(dòng)溫升（K）

由此可得： （K）

需要說(shuō)明的是，由于在起動(dòng)過(guò)程中定子電流是不斷變化的，因此計(jì)算起動(dòng)過(guò)程中定子電流密度應(yīng)為等效電流密度。

4.3轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)的起動(dòng)溫升計(jì)算

在計(jì)算轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)的起動(dòng)溫升時(shí)，做如下假設(shè)：

（1）不考慮轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與轉(zhuǎn)子鐵芯鐵芯間的傳導(dǎo)散熱；

（2）不考慮轉(zhuǎn)子端環(huán)與周圍空氣的對(duì)流散熱；

（3）轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)之間無(wú)熱交換。

即在絕熱狀態(tài)下，計(jì)算轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)的起動(dòng)溫升。

在起動(dòng)過(guò)程中，若忽略轉(zhuǎn)子鐵耗，輸入轉(zhuǎn)子的功率一半用來(lái)使轉(zhuǎn)子加速；另一半為轉(zhuǎn)子銅耗。若軸上無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)子損耗等于電動(dòng)機(jī)額定功率乘以機(jī)械時(shí)間常數(shù)的1/2。當(dāng)軸上有負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，不但使起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，還使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)子損耗，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫升增加。

（K）

（K）

式中：A2——起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子銅耗；

R2BS、R2R——分別為起動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)條和端環(huán)的等效電阻；

、 ——分別為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)的密度；

cB、cR——分別為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)比熱容；

VB、VR——分別為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)的體積；

計(jì)算后得出結(jié)果，該電機(jī)繞組起動(dòng)溫升53K，導(dǎo)條起動(dòng)溫升228K，端環(huán)起動(dòng)溫升65K，滿足材料對(duì)于溫升限制的要求，電磁方案的設(shè)計(jì)可以滿足拖動(dòng)大慣量負(fù)載的要求。

5、結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值的對(duì)比由上表可見，該產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，電機(jī)如期合格出廠。該電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的，為今后設(shè)計(jì)制造大慣量三相異步電動(dòng)機(jī)積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 《交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 湖南人民出版社 ， 1977 .

[ 2 ] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì) [M ]. 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1990 .

[ 3 ] 傅豐禮，唐孝鎬.異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) [M ]. 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2001 .