大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極的改進(jìn)

安震東， 徐興兵

(蘭州電機(jī)股份有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

2017年10月，蘭州電機(jī)股份有限公司為馬鞍山鋼鐵集團(tuán)研制提供TSK6500-6型6 500 kW、10 kV大型三相同步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)，實(shí)心磁極極身與磁軛之間用“T尾”連接，采用斜鍵方式打緊固定[1]。當(dāng)電機(jī)頻繁起動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，斜鍵會(huì)逐漸產(chǎn)生松動(dòng)，從而造成斜鍵甩出、線(xiàn)圈絕緣破壞等電機(jī)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此類(lèi)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)發(fā)生故障的頻率較高，對(duì)電機(jī)有很大的安全隱患，嚴(yán)重影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

本文以TSK6500-6型6 500 kW、10 kV大型三相同步電動(dòng)機(jī)為例，研究改進(jìn)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極與磁軛的連接方式，取消磁極與磁軛之間的“T尾”連接方式。通過(guò)改進(jìn)，徹底解決由磁極與磁軛之間“T尾”連接結(jié)構(gòu)所造成的電機(jī)故障隱患，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。同時(shí)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)降低工藝加工難度，便于磁極線(xiàn)圈后期維護(hù)修理。

1 大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)分析

中國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大型三相同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)主要為以下結(jié)構(gòu)型式：軸與磁軛用整塊毛坯鍛料加工，為一整體；磁極的極靴與極身用整塊毛坯鍛料加工，為一整體；磁軛與極身之間用“T尾”連接，“T尾”與“T尾”槽之間采用斜鍵方式打緊固定[2]。轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年使用，該實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)逐漸暴露出以下問(wèn)題：

(1) 當(dāng)電機(jī)頻繁起動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，斜鍵會(huì)逐漸產(chǎn)生松動(dòng)，使磁極與磁軛之間產(chǎn)生晃動(dòng)，長(zhǎng)期如此會(huì)造成磁極線(xiàn)圈的絕緣層破損，最終燒毀線(xiàn)圈。

(2) 斜鍵松動(dòng)后，如果不及時(shí)采取措施，斜鍵還有可能甩出，對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重的破壞，甚至引起較大的安全事故。

(3) 可維修性差，當(dāng)需要更換磁極線(xiàn)圈時(shí)，需要將磁極拆下，拆裝過(guò)程繁瑣、困難，受施工人員操作技術(shù)的影響，還會(huì)造成磁極和磁軛受到不同程度的破壞。

(4) 工藝加工難度大，尤其是磁軛“T尾”槽和磁極“T尾”的加工，不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且尺寸精度很難保證。

2 改變轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)

要提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性，就要徹底改變磁軛與極身之間的“T尾”連接結(jié)構(gòu)。將軸、磁軛、極身設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方案與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案(軸與磁軛為一整體，極靴與極身為一整體)相比，難度較大。

將軸、磁軛、極身設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，則極靴與極身必須分開(kāi)，否則磁極線(xiàn)圈無(wú)法裝配施工。因此，如何固定、把合極靴與極身，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治稣撟C，并在運(yùn)行過(guò)程中驗(yàn)證電機(jī)極靴與極身連接的可靠性。

3 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)技術(shù)要求(電機(jī)額定輸出功率6 500 kW、電壓等級(jí)10 kV、轉(zhuǎn)速1 000 r/min)及工況條件，將電機(jī)機(jī)座號(hào)設(shè)計(jì)為1 730，確定定子沖片的內(nèi)、外徑及沖片開(kāi)槽的寬高，依據(jù)沖片開(kāi)槽尺寸和10 kV電機(jī)絕緣規(guī)范確定定子線(xiàn)圈線(xiàn)規(guī)，結(jié)合外拓?zé)Y(jié)風(fēng)機(jī)技術(shù)要求通過(guò)電磁計(jì)算確定鐵心長(zhǎng)，在保證定、轉(zhuǎn)子溫升的基礎(chǔ)上調(diào)整其定子線(xiàn)圈匝數(shù)及并聯(lián)路數(shù)。最終確定的電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)值

4 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

電機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)安裝，由定子、轉(zhuǎn)子、座式滑動(dòng)軸承、底板、空-水冷卻器(電機(jī)底部地坑)、空間加熱器、集電環(huán)及輔助接線(xiàn)盒等部件組成。電機(jī)冷卻方式為IC91W，整體防護(hù)等級(jí)為IP44。電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)(mm)

電機(jī)本體與基坑形成一個(gè)封閉空間，空-水冷卻器放置在電機(jī)定子正下方，地坑內(nèi)采用兩端對(duì)稱(chēng)進(jìn)風(fēng)的徑向通風(fēng)系統(tǒng)，電機(jī)內(nèi)排出的熱空氣經(jīng)過(guò)空-水冷卻器后變成冷空氣排到基坑內(nèi)，再次被電機(jī)兩側(cè)的風(fēng)扇吸入電機(jī)內(nèi)，從而完成一次冷卻循環(huán)。

4.1 定子結(jié)構(gòu)

電機(jī)的定子主要由機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定子結(jié)構(gòu)

機(jī)座為臥式兩側(cè)帶底腳板結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成。為保證機(jī)座有足夠的剛度，減小振動(dòng)和噪聲，機(jī)座內(nèi)部鐵心檔處設(shè)置四道環(huán)板，環(huán)板之間用圓周均布的筋板支撐加固。

定子鐵心采用以定位筋內(nèi)圓定位、用拉緊螺桿固定的內(nèi)壓裝結(jié)構(gòu)。用0.5 mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊壓而成。鐵心外圓與機(jī)座定位筋之間焊接一定數(shù)量的固定片進(jìn)行固定，保證定子鐵心的剛度滿(mǎn)足要求。在鐵心的徑向合理布置通風(fēng)溝的數(shù)量，確保鐵心的通風(fēng)散熱。

定子繞組采用優(yōu)質(zhì)電磁導(dǎo)線(xiàn)繞制，繞組絕緣采用F級(jí)少膠絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)可靠性高。繞組嵌線(xiàn)完成后，采用真空壓力浸漬(VIP)完成高性能改性環(huán)氧耐高溫樹(shù)脂絕緣處理并烘焙固化，整體性好，介質(zhì)損耗低，電機(jī)耐電、熱老化性能好。最后在電機(jī)鐵心及繞組表面噴涂防霉瓷漆，進(jìn)一步提高電機(jī)耐環(huán)境性能。

4.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由軸、磁軛、磁極、磁極線(xiàn)圈組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

4.2.1 軸、磁軛、極身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改變磁極和磁軛的連接方式，將軸、磁軛、極身設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，用整塊35CrMo鍛料加工而成。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軸、磁軛、極身結(jié)構(gòu)

4.2.2 極靴與極身連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

極身與磁軛設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，則極靴與極身必須設(shè)計(jì)成可分離結(jié)構(gòu)。當(dāng)磁極線(xiàn)圈套在極身之后，再將極靴與極身固定。因此，要對(duì)極靴與極身的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證連接的可靠[3]。

極靴與極身用18個(gè)材質(zhì)為35CrMo的M48螺釘固定，在極靴加工沉頭孔，如圖6所示。在極身表面加工螺孔，如圖7所示。

圖6 極靴結(jié)構(gòu)(mm)

圖7 極身表面(mm)

通過(guò)設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的軸、磁軛、極身、極靴，組成了轉(zhuǎn)子的新結(jié)構(gòu)，如圖8所示。該結(jié)構(gòu)取消了斜鍵、“T尾”及“T尾”槽，徹底解決了斜鍵松動(dòng)引起的安全問(wèn)題，并且工藝加工難度也得到有效降低。極靴與極身為可拆裝結(jié)構(gòu)，在需要更換磁極線(xiàn)圈時(shí)，只需將極靴拆下，即可完成線(xiàn)圈的更換，轉(zhuǎn)子的可維修性大幅提高[4]。

圖8 新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

5 工藝方案

工藝方案主要內(nèi)容有：總裝配工藝、定子鐵心疊壓及加工工藝、轉(zhuǎn)子加工工藝、機(jī)座焊接及加工工藝[5]。總裝配圖如圖9所示。

圖9 總裝配圖(mm)

5.1 總裝配工藝

清理干凈底板加工面，將底板吊到準(zhǔn)備好的墊塊上，墊實(shí)并調(diào)平底板。

軸承裝配時(shí)在底板上放好墊片，然后將軸承座吊到底板上，軸承座孔與底板螺孔對(duì)正，調(diào)節(jié)墊片，使軸承座中心高度滿(mǎn)足要求。

插入轉(zhuǎn)子時(shí)將轉(zhuǎn)子用木塊支撐，調(diào)整高度，使定、轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)基本重合，從定子的一端插入一鋼套管，套入轉(zhuǎn)子的另一端，然后用吊車(chē)從軸的兩端同時(shí)起吊，保持轉(zhuǎn)子水平，將轉(zhuǎn)子慢慢插入定子中。在底板的機(jī)座底腳處放適當(dāng)?shù)膲|片，將定、轉(zhuǎn)子一起吊到底板上，調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心，使之一致。

裝配軸承蓋時(shí)旋入把合螺栓擰緊，盤(pán)車(chē)檢查氣隙是否均勻、有無(wú)刮擦現(xiàn)象，把緊各零部件螺栓。最后裝配兩側(cè)端罩、出線(xiàn)盒、蓋板，并進(jìn)行試驗(yàn)，噴漆。

5.2 定子鐵心疊壓及加工工藝

定子鐵心為扇形片內(nèi)壓裝結(jié)構(gòu)。定子扇形片采用50W470冷軋硅鋼片沖制而成，疊片時(shí)要求沖片標(biāo)記孔對(duì)齊，毛刺方向一致。鐵心預(yù)壓，按片間單位壓力1.5～1.8 MPa壓緊力預(yù)壓。

為了保證槽形疊壓公差0.3 mm，疊壓定位槽樣棒按槽形名義尺寸減0.1 mm設(shè)計(jì)。疊壓時(shí)每個(gè)扇形沖片用2根槽樣棒定位，這樣既能保證槽形公差，又能保證槽形整齊度，而且能降低嵌線(xiàn)后破壓率。

定子鐵心疊壓至總長(zhǎng)，放定子壓圈，把緊拉緊螺桿，要求分多次均勻、對(duì)稱(chēng)、循環(huán)把緊螺桿，直到鐵心緊度合格為止。割去螺桿多余部分，焊接螺母、固定片；用通槽棒檢查槽形，并修銼尖點(diǎn)及毛刺，用壓縮空氣將鐵心清理干凈。

5.3 轉(zhuǎn)子加工工藝

5.3.1 軸、磁軛、極身、極靴加工

材料為35鍛鋼，極身上表面到軸中心距離為(523±0.1) mm，極身長(zhǎng)度為1 190 mm，軸總長(zhǎng)度為4 145 mm。

5.3.2 磁極線(xiàn)圈安裝

轉(zhuǎn)軸極身包絕緣后，將配重好的磁極編號(hào)，放磁極托板，套磁極線(xiàn)圈，放磁極托板，最后用螺釘把合極靴。

磁極線(xiàn)圈由銅扁線(xiàn)繞成，采用F級(jí)絕緣，匝間墊有環(huán)氧玻璃坯布，絕緣后熱壓成堅(jiān)固的整體。極身絕緣用云母箔及無(wú)堿布包繞而成。

5.3.3 轉(zhuǎn)子后處理

轉(zhuǎn)子裝配磁極線(xiàn)圈、極靴完畢后，通過(guò)環(huán)氧布板調(diào)整外圓尺寸，保證其符合圖樣要求，最后進(jìn)行沉浸浸漆→接線(xiàn)后接頭處刷膠→安裝風(fēng)扇、集電環(huán)、線(xiàn)夾等→轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡(在20 t高速動(dòng)平衡機(jī)HM7VS上進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn))，平衡精度按G2.5執(zhí)行。

6 結(jié)果驗(yàn)證

6.1 磁極固定的計(jì)算驗(yàn)證

實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子，即磁極、磁軛、轉(zhuǎn)軸由鍛件整體加工而成，極靴通過(guò)把合螺栓固定在極身上。通過(guò)鍛軸許用應(yīng)力和線(xiàn)圈、極靴離心力的機(jī)械計(jì)算[6]，驗(yàn)證整體承載能力和剛度，判斷固定極靴螺桿是否能夠承受線(xiàn)圈、極靴離心力，或者在線(xiàn)圈、極靴離心力作用下，固定極靴螺桿的選擇、數(shù)量是否匹配，安全可靠性能否滿(mǎn)足要求。具體計(jì)算數(shù)據(jù)如下。

過(guò)速np=1 200 r/min。

極靴和磁極線(xiàn)圈質(zhì)量Gj=G1+G2=396 kg，其中磁極線(xiàn)圈質(zhì)量G1=183 kg，極靴質(zhì)量G2=213 kg。

利用BIM技術(shù)對(duì)4棟電梯前室進(jìn)行裝飾排布，將材質(zhì)及設(shè)備信息掛接于裝飾模型上，不僅可以直觀地看到排布的裝修效果，還能精確地計(jì)算面磚的用量及需要切割的用量，提高物資管理效率，減少材料浪費(fèi)。電梯前室裝飾模型如圖4所示。

線(xiàn)圈重心半徑Rj1=523 mm。

極靴重心半徑Rj2=592 mm。

每極螺桿數(shù)m=18。

每個(gè)M48螺桿最小斷面積F=1 424.5 mm2。

許用應(yīng)力(鋼35GrMo)[σL]=225 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，固定極靴螺桿拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)軸許用應(yīng)力，滿(mǎn)足電機(jī)運(yùn)行要求。

6.2 電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性和工藝方案實(shí)施的合理性，在電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)和超速試驗(yàn)時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試[7]，結(jié)果如表2所示。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足GB/T 10068—2020《軸中心高為56 mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量評(píng)定及限值》[8]。同時(shí)電機(jī)性能數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)后拆機(jī)檢查轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完好。

表2 同步電機(jī)振動(dòng)測(cè)試

7 社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析

大型三相同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)的成功改進(jìn)，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。一方面使該類(lèi)電機(jī)的質(zhì)量得到了很大的提升，贏得了用戶(hù)的信任和好評(píng)，提升了品牌價(jià)值及核心競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面為后期研制更大容量、更高轉(zhuǎn)速的大型三相同步電動(dòng)機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)使用該類(lèi)電機(jī)的水泵、風(fēng)機(jī)等行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很重要的意義。

改進(jìn)后的大型三相同步電動(dòng)機(jī)，目前已完成訂貨合同4臺(tái)(套)，已實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入411萬(wàn)元。該產(chǎn)品立足于國(guó)產(chǎn)，同時(shí)具有與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品相同的性能，而市場(chǎng)售價(jià)比進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品低了40%左右。該產(chǎn)品能夠確保生產(chǎn)安全，減少了事故停產(chǎn)，可為用戶(hù)創(chuàng)造間接經(jīng)濟(jì)效益。隨著鋼鐵、水利行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，預(yù)計(jì)訂貨量還會(huì)不斷增加。

8 結(jié) 語(yǔ)

TSK6500-6型6 500 kW、10 kV三相同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)的研制改進(jìn)完成，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。計(jì)算和運(yùn)行驗(yàn)證結(jié)果證明了研制改進(jìn)方向的正確性和研制方法的有效性。希望通過(guò)此次研制改進(jìn)，為同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。