船用起重用绕线转子电动机设计与制造

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉 430205)

船用起重用绕线转子电动机设计与制造

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉 430205)

鉴于船用环境潮湿、多盐雾、电网波动大等特殊性，对船用起重用绕线转子三相异步电动机的设计和制造提出了新的技术要求。主要介绍该系列电动机在电磁设计和结构设计中与常规绕线转子三相异步电动机的不同点，为船用起重用绕线转子三相异步电动机的技术更新提供了依据。

绕线转子;开路电压;最大转矩倍数

0 引言

由于应用历史久、控制方案成熟，以及通过转子回路外串电阻后电机起动电流小，过载能力强等特点，在起重领域占有很大的比重，在船用起重机械的配套主起升电机中绕线转子三相异步电动机更是得到广泛使用。

相对于普通的工业应用来说，船用电机的使用场所具有一些特殊性:现场有盐雾、霉菌和油雾，空气相对湿度不大于95%，并可能有凝露，供电电网的电压和频率波动大(电压变化为额定电压的－10%～+6%，频率变化为额定频率的±5%)，使用过程有船舶正常运行中产生的冲击和振动的影响，并伴随倾斜与摇摆［1］。另外，由于在使用过程与水的接触机率大为增加，对于在甲板上使用时更是容易受到大量雨水的淋刮，这要求绕线转子三相异步电动机的防护等级也要相应提高。鉴于船用环境的高等特殊性，对船用起重用绕线转子三相异步电动机的设计和制造提出了新的要求。

本文结合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用绕线转子三相异步电动机技术条件》中的相关要求，介绍了船用起重用绕线转子三相异步电动机相关的电磁设计、主材选择以及制造过程中的关键工艺处理节点，通过这些关注点的描述来形成船用绕线转子电动机(以下简称船用电动机)的初步设计制造规范。

1 电磁设计

前面已经提到，船用电动机的供电电网的电压和频率波动比较大，其中电压变化为额定电压的－10%～+6%，频率变化为额定频率的±5%，这些波动将对船用电动机的性能带来相应的变化。根据电机学理论，而每相的感应电动势公式为

式中，f1—电源频率;N1—每相串联匝数;kdp—绕组系数;Φ1—每极磁通。

由此可知，当电源电压为额定值时，定子电动势基本不变，而由于电源频率的降低必然引起电动机每极磁通增加，也就是产生磁通的励磁电流增加。励磁电流是无功电流，无功分量的增加将导致电动机的功率因数降低，从而引起电机总电流增加，定转子铜耗增加，电动机发热加剧。另一方面随着电源频率的降低，电机的同步转速同比例降低，异步电动机的输出转速也随之降低，这会引起电动机风扇风量减少，散热困难，使电动机的温升增加，这对仅仅依靠同轴风扇旋转来进行冷却散热的绕线转子船用电动机更为不利。

当电源频率一定时，电源电压的高低将直接影响电动机的起动性能。根据电机学原理，电动机转轴输出转矩与电源电压的平方成正比，特别是当负载较重满载运行时，若电源电压降低幅度大，电动机输出转矩将降低明显，势必会造成电动机起动困难。端电压过低还将引起负载电流分量增大的数值大于激磁电流分量减少的数值。因此，定子电流增加，功率损耗加大，定子绕组过热，时间过长甚至会烧毁电动机。

在电磁设计过程中必须对这些变化进行评估和考虑，并给以合适的应对措施。在考虑定转子冲片模具系列化、通用化以及保证船用绕线转子电动机的最大转矩倍数和转子开路电压数值符合《JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用绕线转子三相异步电动机技术条件》中对应条款要求的前提下，电动机磁密的取值不能太高，以免电源电压过高时电机磁路出现过饱和现象。一般情况下气隙磁密Bδ取值在7000高斯左右，定子齿磁密Bt1取值均在15 000高斯左右，定子轭磁密Bc1取值在14 000高斯左右，转子齿磁密Bt2取值在13 500高斯左右，转子轭磁密Bc2取值在10 000高斯左右。

同时考虑到电源电压降幅较大(最大降幅为－10%)而导致对电机转矩的不利影响，性能难于保证，最大转矩倍数的设计值一般要比标准的保证值高20%左右比较好。

由于起重用船用电动机的基准工作制为S3－40%，所以基定、转子电流密度可以参照普通起重及冶金用绕线转子电动机进行选取。通常定子电流密度为6～7A/mm2，转子电流密度为5．0～6．5A/mm2。

同样地，考虑到电源电压下降的不利影响，定转子绕组的温升限值实际水平在70K左右应该是属于比较好的范围，既可以有利于电机的使用寿命，又具有良好的经济性。

2 主材料选择

主要从结构件、紧固件和转轴材料3个方面介绍船用电动机的主材选择要点。

2．1 电动机的机座、端盖、高端盖、轴承内外盖、接线盒座(盖)均使用铸铁件，其牌号至少为HT200。同时为了保证后期整体喷漆效果良好，电动机外表面无漆瘤流挂现象，通常情况下将这些铸铁件的毛坯先进行喷砂处理后再进行金加工。铸件表面喷砂处理后涂双组分铁红环氧底漆;焊接件表面喷砂处理后涂双组分铁红环氧底漆或者环氧富锌底漆。若现场环境中对电机的冲击、摇摆很强烈，则建议将机座和端盖的材料更换为钢质材料(如Q235等)。

2．2 电动机的紧固件应有防锈蚀的电镀层，其中，导电部分的紧固件用黄铜制成并进行镀镍处理，其他部位的联接螺栓用Q235制成并进行镀铬处理。紧固件的镀层要求经盐雾试验后不低于GB/T 2423．17—2008的规定，且其外观应不低于JB/T 4159—1999的第5．4．1条三级要求。在实际生产过程中，有时也临时用不锈钢材质的螺栓用于除导电部位以外的其他联接，该防锈蚀的效果更好，但是造价也更高。

2．3 电动机的转轴材料通常采用优质碳素结构钢。当采用碳钢、碳锰钢材料时，抗拉强度≥441MPa，屈服点≥211MPa，试样的伸长率(δs)纵向≥21%;目前常选用大冶特钢生产的45#圆钢或者合金钢40Cr作为轴料，在金加工之前进行调质处理，调质后要求硬度达到HB230～250。

3 关键工艺处理节点

在船用电动机的制造过程中，对于防护等级、绕组处理和表面涂覆均需要重点关注。下面就这3个方面的一些特殊要求进行分别说明。

3．1 防护等级

根据使用环境的不同，船用电动机的常用的防护等级为IP44、IP54、IP55、IP56等。对应于不同的防护等级，有如下不同的处理措施。

(1)IP44、IP54的密封。

(a)两端端盖与机座联接的止口配合面均匀涂抹厌氧密封胶;

(b)轴承外盖与轴之间通过增加骨架式油封提高防护能力。轴与骨架油封的配合可采用d8，粗糙度为0．8，骨架油封与轴承外盖的配合可采用f8，粗糙度为3．2，安装前油封内圈涂润滑油;

(c)出线盒座与机座之间、出线盒盖与出线盒座之间、观察窗盖与高端盖之间均匀涂抹厌氧密封胶，并在中间垫一层耐热橡胶密封垫;

(d)机座两端底部正下方钻泄水孔。

(2)IP55的密封:在IP54密封处理的基础上增加以下措施。

(a)出线盒座底部、出线盒盖、观察窗盖、端盖止口加工环形沟槽，先在沟槽内均匀涂抹厌氧密封胶，然后再上硅胶O型密封圈后安装到位;

(b)出线盒座和高端盖上的金属出线套的螺纹外侧均匀涂抹厌氧密封胶后旋紧固定到位。

(3)IP56的密封:在IP55密封处理的基础上增加以下措施。

(a)增加一个迷宫式甩水环在骨架油封前端，甩水环与轴为小过盈热套配合，以轴用弹性挡圈进行轴向定位;

(b)轴承内盖的丝孔不钻穿，轴承外盖钻孔后表面锪孔，联接螺栓上增加硅胶O形密封圈;

(c)适量增加端盖与机座之间、轴承内外盖之间以及出线盒座、盖之间的联接螺栓数量。3．2 绕组处理

前面已经提到，船用环境现场有盐雾、霉菌和油雾，空气相对湿度不大于95%等特殊性，所以绕组的处理也有一些特殊的要求。相对于常规电动机，船用电动机在绕组制作过程中还需要注意以下几个方面。

(1)电动机的定、转子绕组和绝缘材料应有优良的防潮防霉能力(经28d试验后防霉能力应不低于GB/T 2423．16的二级要求)，不得应用未经防护处理的天然纤维材料及其制品。

(2)散嵌形式的定、转子绕组嵌线整形后所焊接的电缆必须为专用船用电缆。

(3)定、转子绕组焊接完后，按要求浸两次无溶剂树脂绝缘漆，其中至少进行一次真空VPI浸漆。经VPI工艺处理后，绕组之间的空气隙得到有效填充，无气泡，绝缘性能好、增加绕组的机械和电气强度、解决运行过程的松动现象、防止短路等绝缘故障、提高防潮能力、延长电机使用寿命［2］。

(4)绕组浸漆烘焙后，立即在其端部涂刷一层JZ-11环氧胶，以形成保护层，起到防潮和防霉的功效。

另外为防止长时间停机、温差变化较大或湿热环境下绕组上有冷凝水形成，在定子绕组端部绑扎防潮加热带，利用它对船用电动机进行预热去潮，使定子绕组的温度始终高于环境温度5℃，从而避免了线圈绕组因潮湿结露，不会因绝缘性能下降而导致电气故障，保证了船用电动机在潮湿环境中仍能正常运行［2］。

3．3 表面涂漆

对于船用电动机来说，装配后整机的表面涂覆要求为:底层漆为1层双组分铁红环氧底漆或者环氧富锌底漆，中间漆为1层环氧中层漆，表面漆为1层氯化橡胶防腐面漆。漆膜干燥后的总厚度为120～260μm(根据具体使用场所进行区别，沿江环境使用的电动机取较低值，近海使用的取中间值，远洋钻井平台、经常处于日晒雨淋等恶劣环境使用的取高值)。

喷漆过程中要注意对每一涂漆层做好防护，防止沾上油污、灰尘或其他杂质，以保证好层与层之间的附着力，对污染面应用洁净的汽油擦净，用细砂纸打磨干净后再涂漆。

4 结语

通常在国内使用的船用电动机在上船使用之前还需要通过CCS(中国船级社)的检验，检验规范分别为CCS发布的《钢质海船入级与建造规范》和《产品检验指南》。检验后合格的船用电动机在铭牌显眼处打印船检标记锚印。我厂通过对船用起重用绕线转子三相异步电动强电磁等方面的设计，以及在关键工艺的细节处理，确保了产品性能优良，运行完全符合CCS船检的要求。

［1］JB/T 11821—2014 YZR-H系列(IP54)船用起重用绕线转子三相异步电动机技术条件．

［2］唐庆华．铸造吊主起升用绕线转子三相异步电动机的设计与制造．防爆电机，2015．2．

Design and Manufacture of Wound-Rotor Motor for Crane in Ship

Tang Qinghua
(China Changjiang National Shipping Group Motor Factory，Wuhan 430205，China)

In view of humidity，salt spray，big fluctuation of the power network and other special characteristics，a new technology requirement is made for design and manufacture of wound-rotor three-phase induction motor for crane in ship．Difference between the electromagnetic design，structural design and common wound-rotor three-phase induction motor is introduced in this paper，it provides reference for design and manufacture of wound-rotor threephase induction motor for crane in ship．

Wound-rotor;open-circuit voltage;maximum torque ratio

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．05

TM343+．4

A

1008-7281(2015)05-0014-003

唐庆华 男 1976年生;毕业于湖南工程学院，起重冶金及屏蔽电机标准化委员会委员，现从事电机设计及技术管理工作．

2015-07-08