正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機國產化設計

趙地，歷銳

(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州516086;2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機國產化設計

趙地1，歷銳2

(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州516086;2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

結合一臺為國外壓縮機配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機，研究了正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的防爆優勢，單支撐同步電機的設計關鍵點，以及與國內外電機相比該電機的優勢。

正壓外殼型/增安型；無刷勵磁；同步電動機；國產化設計

0 引言

近年來，隨著國民經濟和我國防爆電機工業的發展，石油、化工、化肥、煤炭等行業對大型防爆無刷勵磁同步電動機的需求量越來越大，尤其是近年石化行業產量不斷提升，大型防爆無刷勵磁同步電動機功率也越來越大，與國外相比，國內大功率無刷勵磁同步電動機相對市場占有量較小，因此大功率防爆無刷勵磁同步電動機的國產化設計已迫在眉睫。

為此，中海石油煉化有限責任公司和佳木斯電機股份有限公司(以下簡稱“佳電”)共同合作進行惠州煉油二期2200萬噸/年改擴建及100萬噸/年乙烯工程項目用正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機的國產化設計，該同步電動機應用在2區，IIC(氫氣)場所，拖動渣油加氫裝置往復式新氫壓縮機負載。

1 電機主要技術參數

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1主要技術參數如下：額定功率：10000kW；極數：20P；額定電壓：10kV；額定電流：661A；額定頻率：50Hz；相數：3相；同步轉速：300r/min；絕緣等級：F級；安裝方式：IM7115(單軸承支撐，伸端與壓縮機共用一個軸承)；冷卻方式：IC81W(上水冷)；旋轉方向：逆時針(從電機軸伸端看)；工作制：S1；功率因數：0.9(超前)；效率：97%(保證值)；堵轉電流/額定電流：5.0(保證值)；堵轉轉矩/額定轉矩：0.6(保證值)；牽入轉矩/額定轉矩：0.6(保證值)；失步轉矩/額定轉矩：1.6(保證值)；飛輪轉矩GD2：>100 t·m2；防爆標志： ExepzIIT3 Gc + ExeIICT3 Gc；同時取得正壓外殼型和增安型防爆合格證。

2 設計關鍵點

該電機在設計上主要有以下幾個關鍵點：(1)防爆型式的選擇；(2)低起動電流的設計；(3)結構設計。

2.1 防爆型式的選擇

該電機應用在2區，IIC場所，考慮到增安型、隔爆型、正壓外殼型幾種防爆型式的優缺點[6]，為保證機組長期穩定運行，本次電機設計防爆型式選用正壓外殼型/增安型[1]、[2]，該型式是佳電2012年研制的一種新型防爆型式，具有以下優點

(1)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機同時設有兩套銘牌即增安型防爆電機銘牌和正壓外殼型防爆電機銘牌，電機同時獲得增安型防爆電機合格證及正壓外殼型防爆電機合格證，兩種防爆型式同時起作用，當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設備安全運轉。即同一設備設計制成不同的防爆型式，符合GB 3836.1—29.6多種防爆型式的相關規定。(2)產品通過了雙重防爆檢測，既通過了增安型電機絕緣系統試驗，又通過了正壓外殼型防爆試驗，既保留增安型電機不產生火花、電弧和危險溫度，tE時間保護等優點，同時又具備正壓外殼型電機防爆安全性高，備用電機可處于保壓狀態隨時起車的優點。安全性、可靠性提高。(3)正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機克服了單一防爆形式的缺點。

①正壓外殼型電機一旦出現失壓或外部管路故障，電機就必須停機進行檢查，該產品具備當一種防爆型式失效時另一種防爆型式仍可保證設備安全運轉，無需停機。

②正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機正壓保護系統模塊設計進行智能化升級，主備機切換過程中無需等待，克服了增安型電機每次起動前需重新進行吹掃換氣的問題(即由一種防爆型式向另一種防爆型式切換過程順暢，不會出現電機互鎖停機問題)。

該產品通過在國際范圍內的查新，證實了該產品在防爆技術運用上的創新性。將兩種防爆型式應用在同一產品上，為國內外首創。

2.2 低起動電流的設計[5]

2.3 結構的設計

電機安裝方式IM7115, 冷卻方式為IC81W，防護等級IP54，單支撐結構，法蘭軸伸，尾端設座式滑動軸承, 電機采用徑向通風結構，避免產生軸向力，同時可以有效地保證電機鐵心溫度場的均勻分布(電機總體結構見圖1)。從軸伸端看，電機右側帶一個主接線盒；在電機的保護上，電機帶有以下輔助及保護措施：(1)加熱器；(2)漏水保護器；(3)定子測溫裝置；(4)軸承測溫裝置；(5)電機進出風測溫裝置；(6)正壓保護裝置及泄露補償裝置；(7)磁平衡電流互感器；(8)軸振動傳感器；(9)勵磁機轉速測量裝置。

圖1 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1電機整體結構

2.3.1 電機的軸系計算[3]

本次設計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機是我公司設計的最大功率的單支撐電機，由于其軸系的特殊性，特對整個軸系進行了詳細的計算，軸系見圖2。

圖2 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 軸系結構

計算結果如下

軸的撓度為：0.4623mm，撓度占氣隙的百分數4.17%<8%(許用值)；

軸臨界轉速計算值為：1352r/min 注：考慮磁拉力；

1352r/min>2.3×300=690r/min，因此軸的臨界轉速滿足要求；

軸的疲勞強度安全系數量小值為：2.34>1.5(許用系數)；

軸的靜強度安全系數最小值為：2.40>1.5(許用系數)；

軸的扭轉強度計算值為12.97MPa<[τ]=30MPa，[τ]—許用剪切力；

軸的扭轉剛度計算值為：0.038(°/m)<[φ]=0.25(°/m)[φ]—許用扭轉角。

另外，通過采用有限元軟件對軸的撓度及軸臨界轉速進行分析，上述分析結果與手工計算相符。如圖3所示。

圖3 軸的臨界轉速和撓度有限元分析計算

2.3.2 定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算[4]

本次設計的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機用于驅動往復式壓縮機，由于壓縮機的自身特性，設計時必須保證壓縮機曲軸的旋轉角速度變化在合理范圍內，以避免在運動機件連接處引起附加動載荷及在垂直于曲軸的平面內產生振動，影響機件的強度和降低機械效率。也可避免電動機直接驅動壓縮機時，引起電動機中電流脈動和供電網中的電壓波動。如何保證曲軸的旋轉角速度在允許的波動范圍，關鍵就是合理選擇系統的飛輪轉矩，作為整個系統的驅動設備，同步電動機的飛輪轉矩正確選擇十分重要，因此在本次設計中佳電引進了定子電流波動與飛輪力矩的選擇計算。一般同步電動機的電流波動(振蕩的振幅)要求采用，振蕩角的電角度，經計算，在壓縮機最高運行功率100%負載額定電壓下，計算結果符合上述要求，且電機自身飛輪力矩滿足主機廠的要求(見圖4)。

圖4 電機轉子結構及其飛輪力矩計算

2.3.3 可靠的密封技術

該產品借鑒了我公司生產的成熟的TZYW系列正壓型無刷勵磁同步電動機的產品設計和制造經驗，采用了密封可靠性極高的新結構、新工藝、新材料，尤其是在密封材料的選取上進行了大量的試驗驗證，選取了耐腐蝕、抗老化、耐高溫的優質密封材料，從而控制電機的泄漏量，提高了電機的密封可靠性，確保產品的一次性成功。

2.3.4 創新的試驗方法

由于本次項目用電機為單支撐結構，試驗時難度較大，以往單支撐電機試驗時采用加長軸與電機軸伸法蘭對接，加長軸上加工有軸承臺，設置支撐軸承、試驗底架與電機對接后進行試驗。本次直接采用試驗軸承，對電機軸伸端軸頸部位精加工，在此部位支撐后進行試驗，與以往相比節約時間，降低成本，可靠性高。

3 與國內外同類產品的比較優勢

結構優勢：電機采用單支撐結構，現場安裝對中更加方便，降低了系統損耗，提高了系統效率，環保節能。

防爆優勢：采用雙重防爆型式，克服了單一防爆型式的缺點，提高了產品的安全性和可靠性。

技術優勢：采用先進的有限元軟件精確設計，電機的電磁、結構設計方案更精確合理，采用先進的計算方法及手段，提高了產品的科技含量，使產品性能更佳。

服務優勢：與國內外其它企業相比，佳電通過多年的發展，在全國各主要城市都設有銷售及售后服務機構，在全國范圍內服務網絡發達。

4 結語

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正壓外殼型/增安型無刷勵磁同步電動機研制生產成功，將使我國大型防爆電機的地位得到提升，進一步推進國內三相同步電動機發展，填補國內空白。同時為我國大型防爆電機的設計制造積累大量寶貴的經驗，為今后大電機的設計生產、大型設備國產化打下了堅實的基礎。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性環境 第3部分：由增安型“e”保護的設備[S].

[2] GB 3836.5—2004，爆炸性氣體環境用電氣設備 第5部分：正壓外殼型“p”[S].

[3] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010:26-14～26-32.

[4] 陳興衛.驅動壓縮機用同步電動機的定子電流波動計算與飛輪力矩選擇[J].電機技術，2014.5.

[5] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2000:253-258.

[6] 陳興衛.無刷勵磁同步電動機的防爆技術特點[J].防爆電機，2014.4.

Chinalized Design of TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 Pressurized Enclosure/Increased-Safety Brushless Excitation Synchronous Motor

ZhaoDiandLiRui

(1.CNOOC Huizhou Petrochemical Refinery Sixth Business Unit, Huizhou 516086, China；2.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Taking a TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 pressurized enclosure/increased-

safety brushless excitation synchronous motor matched with an foreign compressor as an example, this paper researches explosion-proof advantages of this kind of motors, key points of designing single-supporting synchronous motors, and advantages of this kind of motors compared with domestic and international motors.

Pressurized enclosure/increased-safety；brushless excitation；synchronous motor；chinalized design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.10

TM357

A

1008-7281(2017)03-0032-004

趙地 男 1980年生；畢業于北京化工大學機械工程及自動化專業，現從事設備管理工作.

2016-01-30