水套冷无刷励磁同步发电机的研制

姜辉，滕强，张春红

(大连日牵电机有限公司，辽宁大连116036)



水套冷无刷励磁同步发电机的研制

姜辉，滕强，张春红

(大连日牵电机有限公司，辽宁大连116036)

摘要地下电动轮铰卡车用发电机安装空间受限，运行环境恶劣，防护等级需求高，这要求开发出较传统发电机功率密度更高且可靠性更好的产品。现从电磁设计、结构设计两方面介绍了电动轮铰卡车用水套冷无刷励磁同步发电机的总体设计方案，并通过试验验证，证明该设计方案的可行性。

关键词水套冷；无刷励磁；同步发电机；电磁；结构

0引言

自从世界上第一台矿用电动轮自卸车问世以来，经过40多年的发展和不断完善，现已开发并投入应用了多种规格型号、结构形式的车型。在千万吨级大型露天矿山的运输设备中，矿用电动轮已占据近2/3的市场[1]。承担着世界上40%的煤，90%的铁矿的开采运输量[2]。

作为电动轮自卸车的关键部件同步发电机也受自卸车的整车性能、安装形式、冷却方式、控制方法等条件的影响而有所不同。我公司在相继开发出110t、154t、170t、220t、400t等电动轮自卸车主发电机基础上，又开发出了电动轮铰卡车用水套冷无刷励磁同步发电机，满足35t地下铰卡车的使用要求，现已投入使用。

1总体结构

电动轮铰卡车用水套冷无刷励磁同步发电机为无刷励磁发电机，总体结构分为：主发电机和励磁发电机。在控制柜上引出直流励磁电源供给励磁机定子，励磁机电枢发出三相交流电，经旋转整流模块整流后供给主发电机转子，主发电机定子发出电最终提供给电动机。具体结构如图1所示。

图1　发电机结构图

2主要参数

电机型号：TQFW340-6

发电机类型：无刷励磁同步发电机

相数：三相

额定功率：340kVA

额定电压：690V

额定频率：90Hz

额定定子电流：285A

额定励磁电压：≤24V

额定励磁电流：≤10A

额定转速：1800rpm

转速范围：800~1800rpm

效率：95%

功率因数：0.95

绕组连接方式：Y

绝缘等级：200级

防护等级：IP55

冷却方式：水套冷

3电磁设计

矿用电动轮自卸车运行路况较为复杂，控制系统根据车辆所需要的牵引力及速度指令来调整电动机输出，这时就需要发电机根据电动机不同时刻的输入功率要求提供足够的电能。

在设计发电机时，要考虑不同转速、转矩下电动机输入功率的需求，计算出发电机不同时刻的励磁电压/电流、输出电压等参数，要综合考虑不同时刻发电机的热负荷，磁负荷，最终选取合理的电磁参数。

由于该电机外形要求紧凑，内部空间相对紧张，定子冲片无法借用传统电机的冲片，所以对定转子冲片进行了重新设计。综合考虑不同工作点的热负荷和磁负荷，选取电机定子冲片外径为φ620，内径为φ470，铁心长340，定子槽数为54，定子绕组采用双层叠绕组。在最高定子频率为90Hz时，定子齿/轭磁密分别为1.37T/1.02T,气隙磁密为0.73T，极身/极轭磁密分别为1.4T/0.7T。定子热负荷为1710，略低于传统的水套冷却式电机，定转子绕组电密分别为4.9A/mm2和2.7A/mm2，均处于合理范围[3]。励磁机的热负荷设计也较传统产品低一个等级。

4结构设计

4.1　冷却系统

由于发电机长期在地下使用，且在近海附近，为了确保电机寿命，外部采用全封闭结构。考虑到主电机转子及励磁机电枢有效散热，电机采用了水套冷与内部空气冷却相结合的混合冷却结构，可有效提升电机内部散热效果和均匀热源分布，大幅度降低电机转子温升。该发电机体积受到车体的限制，水路与风路整体空间有限，设计时充分考虑水路，风路的合理分配。达到风路带走转子热量，水路充分冷却定子铁心和冷却内部循环空气的作用。励磁机及旋转整流模块置于进风口处优先冷却，出风口处随轴安装有离心风扇带动电机内部冷却气流，采用这种方案，可在体积、防护等级受限的情况下，最大程度提升功率，解决高功率密度发电机散热难的问题。

4.2　整流模块

旋转整流模块是无刷励磁同步发电机的重要部件。它将与同步电机同轴的交流励磁机发出的三相交流电整流成直流，为同步电机提供励磁电源，实现同步电机的无刷励磁[4]。

旋转整流模块是无刷同步电机内部唯一的电子器件，它置于主机与励磁机中间的转子端板上，处于电机内部主风路中，为了提高旋转整流模块的可靠性，设计时还应考虑其运行时所必须承受的离心力，热应力和一定的抗机械振动。

4.3　绝缘系统

电机绝缘系统作为电机设计中最重要的部分之一需要重点设计。针对该电机定转子线圈绝缘结构的不同特点，在产品设计时分别采取不同的绝缘方案。定子绕组为成型线圈，导线绝缘为C级聚酰亚胺氟46复合薄膜。对地绝缘采用少胶云母带配复合薄膜槽绝缘纸，这种形式具有抗电气疲劳能力强，厚度薄，可靠性好等优点，满足车用发电机使用要求；转子绕组采用绝缘铜扁线多层绕制结构，导线绝缘为C级聚酰亚胺氟46复合薄膜，边绕边采用固化工艺，这种结构具有机械强度高、导热性能好、寿命长等优点，可承受转子在高温情况下颠簸工作的使用要求。励磁机也在散热和发热良好的情况下采用了高耐热等级和机械强度的绝缘材料和结构。经过多方面的验证此方案可靠、稳定。

4.4　机械结构

电机机械结构设计要充分考虑强度的要求，并尽可能降低电机自重，减轻车体自身损耗。电机机座采用钢板焊接的筒式结构，保证了电机的刚性和强度，是大功率电动轮发电机发展依托的主要结构。另外，由于该电机功率远大于同等机座号的普通电机，所以在结构设计上进行了多处改进。在良好的通风散热结构作保证的前提下，减少体积，在保证强度刚度的前提下，尽可能降低电机重量。随着发电机结构型式的多样化，必须对电机大部件进行相应的机械结构强度、刚度及模态分析，保证结构需要。发电机定子机座为钢板焊接结构，定子铁心采用外压装结构，即定子冲片叠压成定子铁心，再下线并浸漆后装入机座，定子冲片外径与机壳紧密贴合牢固。

发电机采用单轴承结构，并且轴承为高品质双列自动调心滚子轴承，端盖采用绝缘结构，避免转子轴电流对轴承的损害。

另外，电机设计时充分考虑了电机运行时的环境条件—极端高低温以及潮气、盐雾等对电机的危害。

5试验验证

5.1　空载试验

空载试验是电机试验中最基本的试验项目之一。通过对空载励磁电流的测量可以检验主电机和励磁机参数设计的合理性。通过三相空载电压的不平衡度判断三相绕组的平衡情况。试验数据见表1，可以看出试验值与设计值基本吻合。

表1　额定转速时的空载试验数据

5.2　噪声及振动试验

噪声及振动的危害众所周知。电机的噪声主要包括电磁噪声、机械噪声和通风噪声。电机的噪声水平总体地反映了电机电磁设计、制造工艺，装配质量的好坏。

电机的振动太大不仅会增大电机零件的磨损，减少电机的寿命，而且还会损坏其他设备。按照规定，对电机不同位置的噪音、振动均进行了测量，结果均符合相关国家标准。

6结语

通过对水套冷无刷励磁同步发电机性能的分析，从电机的电磁、绝缘结构及试验得出以下结论：(1)从电磁方面论证了设计的合理性；(2)从冷却系统、整流模块、绝缘系统、机械结构四方面阐述了结构设计的可靠性；(3)空载励磁电流与设计值基本吻合，并通过空载电压可以判断三相绕组平衡；电机噪声试验的最大噪声值小于相关标准规定限制；电机振动试验满足国家标准振动限制。

参考文献

[1]张强.电动轮矿用自卸车节能技术研究[J].矿用汽车，2011.

[2]万海如，唐新蓬，段家典.重型矿用电动轮自卸车的现状及发展趋势[J].汽车研究与开发，2001.

[3]陈世坤．电机设计[M].北京：机械工业出版社，1990.

[4]陈云华,解锦辉,彭冰.无刷励磁同步电机用旋转整流器设计[J].船电技术，2002.

声明

为扩大本刊及作者知识信息交流渠道，加强知识信息推广力度，本刊已许可中国学术期刊(光盘版)电子杂志社在CNKI中国知网及其系列数据库产品中，以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该著作权使用费及相关稿酬，本刊均用作为作者文章发表、出版、推广交流(含信息网络)以及赠送样刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章发表之行为即视为同意我编辑部上述声明。

《防爆电机》编辑部

Development of Brushless Excitation Synchronous Generator with

Water Jacket Cooling

JiangHui,TengQiang,andZhangChunhong

(Dalian Riqian Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dalian 116036, China)

AbstractBecause of limited installation space, poor operation condition and high protection degree of generator for underground electric wheel hinge truck, it is required to develop the generator with higher power density and better reliability than traditional one. This paper introduces overall design scheme of brushless excitation synchronous generator with water jacket cooling for electric wheel truck from two aspects of electromagnetic design and structure design, and proves rationality of the design scheme based on experimental verification.

Key wordsWater jacket cooling；brushless excitation；synchronous generator；electromagnetism；structure

收稿日期：2015-08-20

作者简介：姜辉男1965年生；毕业于沈阳工业大学，现从事矿用特种电机的设计和开发工作.

中图分类号：TM311

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2015)06-0007-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.03