高炉风机用大功率、高转速、无刷励磁同步电动机的设计

阚 旭,李海鹏,王 涛

(哈尔滨电气动力装备有限公司,哈尔滨 150040)

0 引言

本文所介绍的同步电动机是一种驱动高炉风机用的同步电动机。高炉风机是将空气汇集到一起,并通过加压,使之达到一定的压力和流量,然后根据高炉炉况的需要,对风量、风压进行调节,再将压缩空气输送至高炉的一种动力机械。根据相关理论,风机的流量与转速成正比,风机的压力与转速的平方成正比,风机的轴功率与转速的立方成正比。因此,风机的转速越高,风机能提供的压力和流量就越大。

作为驱动高炉风机的电动机,应具有转速高、转矩大、负载惯量大的特点。鉴于以上特点,电机定子的固有频率、转子的临界转速以及自身的温升选择是十分重要的。

本文以某钢厂27 000 kW高炉风机用同步电机为例,介绍了此类电机的结构形式。

1 设计方案

电机的基本参数要求

电机型号:T27000-4

额定功率:27 000 kW

额定电压:10 kV

转速:1 500 r/min

额定转矩:172 kN·m

频率:50 Hz

功率因数:0．9

相数:3

绝缘等级(定子/转子):F/F

定子接法:Y

励磁方式:无刷

效率:98%

冷却方式:IC81W(上水冷)

极数:4

工作制:S1

防护等级:IP54

海拔高度:≤1 000 m

环境温度:≤40 ℃

风机惯量:10 t·m2

2 电机介绍

由于电机较大,负载惯量也比较大,所以采用变频器启动电机,在达到额定转速后,再将电源切换到工频电网上的运行方式。

此类电机无论是做隐极还是凸极、有刷还是无刷,在设计上均是可行的。最终,根据项目甲方要求,并综合考虑制造成本等因素,确定本机组电机定子采用整体结构,转子采用凸极结构,励磁采用无刷励磁的结构。电机的组成为:定子、转子、底板、罩板、轴承、冷却器、交流励磁机电机以及一些辅助部件。

2．1 定子

定子由机座、铁心、定子绕组以及出线盒等部件组成。此电机设计时对定子机座进行了加强,以避开转动频率,避免发生共振。

机座:根据技术协议要求,主电机防护等级为IP54,冷却方式为IC81W(上水冷),所以定子采用箱式机座形式。机座采用Q235钢板焊接而成,包括数道辐板、固定铁心用的轴向筋板、上部、侧面及下部的盖板。为方便吊装运输、定子下线翻身以及增强机座刚度等需要,在机座上部、侧面、下部焊接了数根吊杆、吊柱等部件,机座上部盖板带三个开口,其中两侧的开口为定子进风口,中间对应铁心部分的开口为定子出风口。

铁心:定子铁心由扇形冲片拼成整圆,冲片材料为0.5 mm厚的高导磁、无取向硅钢片,铁心在轴向方向分成数段,每段之间由通风槽钢支撑,形成通风沟,使定子具有良好的散热性。冲片叠压至足够长度后,安装定子压板,再用油压机压紧,而后用拉紧螺杆穿过铁心,在机座及定子压板外侧用螺母把紧,并采取打洋冲的方式进行锁紧,避免铁心松动。

绕组:定子绕组采用F级绝缘材料,定子线圈采用双层叠绕组结构。铁心槽内的定子线圈上下层之间设置电机用埋置式PT-100铂热电阻,确保在电机运行时可以实时监测定子温度。绕组端部设置铜环结构,以便于接线。由于线圈端部较长,所以在绕组端部还设置有固定在机座上的端箍和端箍支架,用涤玻绳将线圈端部与端箍、端箍与端箍支架绑扎固定,以此来提升定子绕组端部的整体刚度,避免运行时振动。定子在下线完成后,对整个定子进行VPI无溶剂真空压力浸漆,以提高定子的机械及电气性能。

其他:定子上还装有防冷凝加热器,可起到防潮的作用。定子的主引出线通过连接在铜环上的电缆,接到定子主出线箱内,主出线箱防护等级为IP55,箱内设置避雷器及差动保护装置。PT-100铂热电阻及加热器接到专用测温及加热出线盒内,方便用户现场接线。

对定子还专门进行了固有频率计算,将绕组、冷却器等部件的质量作为附加质量施加到机座上,如图1所示。

图1 机座固有频率的计算

由计算结果可以看出,机座的轴向振动为38.08 Hz,机座横向振动为80.4 Hz,都避开了电机的转动频率。该电机为卧式电机,轴承座放置在电机底板上,转子不平衡量引起的激振力传递到轴承处,不会传到机座上,确保了安全。

2．2 转子

由转轴、磁极、引线结构以及其他部件等组成。由于电机转速较高,为避免发生共振,对设计尺寸进行了多次优化,使临界转速满足要求。对转子部件强度也进行了计算,确保满足使用要求。

转轴:本项目采用凸极转子结构,采用了转轴与磁极极身一体的锻造、加工结构,以增强其机械性能。转轴材料采用具有一定磁性能的高强度合金钢,极身上表面加工有螺孔,用于安装固定极靴。转轴非传动端加工有不贯穿的中心孔,用以安装与励磁机连接的导电杆。与励磁机相连接的机械部分采用轴法兰的结构,即在转轴非传动端直接加工出法兰,通过高强度螺栓,与励磁机联轴器把合固定。

磁极:磁极由磁极线圈、上部及下部绝缘托板、极靴及其固定螺栓等部件组成。磁极线圈由铜含量不低于99.9%的铜带焊接而成,连接处为银焊,线圈带散热匝,采用F级绝缘材料绝缘,并热压成型。托板与线圈套入与转轴一体的极身,线圈与转轴的间隙要用中温上胶固化涤纶毡填充满,极靴安装好后,统一入加热炉烘干定型。

转子极间设置极间连接线将线圈首尾相连,通过引线与固定在转轴中心的导电杆相连接。由于采用无刷励磁的方式,所以主电机转子引线最终与励磁机电机转子引出线连接。

其他:极间设置元宝形撑块,用于支撑磁极线圈,抵消高速运行时线圈受到的侧向分力。转轴上安装有轴流式风扇,与定子、罩子等部件共同组成了电机的风路。

轴系计算时因励磁机电机转子与主电机转子直联在一起,所以将这两部分的轴系按一个整体进行了临界转速的计算。

计算方法:用传递矩阵法计算临界转速,将转子分成若干连续的轴段,输入各轴段的弯曲惯性矩、质量、长度和外直径,并且需要输入轴承的油膜刚度、轴承座刚度。电机的一、二阶临界转速水平方向的临界转速变形图如图2、图3所示。

图2 电机水平方向的一阶临界转速图

图3 电机水平方向的二阶临界转速图

根据计算,电机临界转速大于额定转速125%以上,满足GB 7064要求,所以轴系是安全的。

2．3 底板、罩板与挡风环

电机底板由Q235钢板焊接而成,励磁机的底板与主电机底板是一体的,以提高机组的整体性。底板焊接有吊耳,以便于吊装运输。底板上板带有与机座、轴承等把合的螺孔,中间带二层格,用于固定基础螺栓。

罩板是安装在机座端面的,为分半式结构,用于防护定子,罩板上接出两个风筒,连接到励磁机罩上部,一个风筒用于励磁机排出热风,另一个风筒用于给励磁机供冷却风。

挡风环安装在机座板上、对应转子风扇的区域,起导风作用,其材质为玻璃钢材质。在此处安装挡风环的作用是将风扇产生的风导入定、转子中,增强电机散热效果。

2．4 励磁机电机

励磁机电机由定子、转子、旋转整流器、轴承、底板和励磁机罩等部件组成。励磁机机座由钢板焊接,定子冲片采用低损耗的无取向硅钢片,整圆一张冲片。定子铁心全长分成若干段,中间为通风槽板,形成径向风道,整圆由数根拉紧螺杆压紧。定子采用散下线形式,定子线圈为聚酯漆包圆铜线。

励磁机电机转轴材料为锻钢,转子冲片采用低损耗的无取向硅钢片,整圆一张冲片,铁心全长分成若干段。转子线圈采用波绕组形式,由单玻璃丝包铜扁线绕制而成,线圈端部用无纬带绑扎,引出线与旋转整流盘连接,从整流盘引出的引线,最终与主电机导电杆连接,励磁机发出的三相交流电经过整流盘整流,变成直流电,供给主电机励磁。

3 电机的通风及温升计算

根据机组结构确定计算网络,其中包括风扇的压力元件及转子磁极、定子入口、出口、冷却器等风阻元件,应用软件进行计算分析,如图4～图5所示。

图4 通风网络及计算结果

图5 定子温升网络计算结果

通过计算,定子线圈的平均温升约69.1 K,转子线圈平均温升约60.5 K,可以满足B级绝缘等级的考核标准要求。

4 结论

该电机的设计与制造,是我公司在大功率、高转速、无刷励磁同步电机方面的一次综合创新。该电机的负载为风机,所以其除了可以用于冶金行业外,也可以用在负载类型相近的空气储能领域,为清洁能源的发展建设做出积极贡献。