YKS1000-4高速高压三相异步电动机的研制

黄旭烽

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



YKS1000-4高速高压三相异步电动机的研制

黄旭烽

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

介绍了YKS1000-4 14 500 kW 11 kV 50 Hz 4极三相异步给水泵电动机的主要技术参数和结构设计，主要介绍该电机的冷却器、定子、转子及轴承等结构特点。指出电机具有低起动电流、效率高的突出特点，给出了试验数据，表明该电机温升低、振动小。

高速；大功率；异步电动机；电机设计

0　引言

发展大容量、高性能参数的超超临界燃煤机组，可以降低火电机组的平均煤耗，提高火电机组的效率，减少对自然环境的污染，是电力系统能源建设和结构优化的战略选择。在此形势下，YKS1000-4三相异步电机应运而生，配套于超超临界火电机组锅炉给水泵。该电机具有体积小、效率高、结构紧凑、运行可靠、维护方便等特点。

1　电机规格型式及电磁设计特点

异步电动机型号为YKS1000-4、功率为14 500 kW、电压11 kV、4极。性能参数如下(设计值)：

额定转速：1 496 r/min 最大转矩TM/TN：1.87

效率：97.3%冷却方式：IC81W

功率因数：0.914安装形式：IMB3

起动转矩TST/TN：0.33防护等级：IP54

电机负载性质为给水泵，电机通过液力耦合器与负载相连，电磁设计方面主要考虑在满足定子温升的前提下，尽可能得到较高的效率、功率因数。

在极数、相数既定的情况下，定子槽数决定于每极每相槽数q。选取较大的q时，一方面会减小电机的谐波漏抗，另一方面会降低槽利用率，增加绝缘材料的消耗。q一般在2～7之间选取，对于极数少的电机，q需取得大些。故取q=7，定子槽数为Z=q×3×4=84。

转子槽数必须与定子槽数有恰当的配合，槽配合会对电机的附加损耗、附加转矩、振动和噪声有影响。一般转子槽数的选择应满足：

Z2≤1.25(Z1+P)

式中：Z2为转子槽数；Z1为定子槽数；P为电机极对数。

由于要求电机空载时距电机外壳1 m处的噪声小于85 dB(A)，查阅国内外的许多推荐槽配合资料[1]， 并通过比较各种电磁计算结果，最终选取定子转子槽配合84/105，计算得1 m处噪声值为61.4 dB(A)。

2　结构设计特点

用户要求该产品符合IEC60034-1标准要求，且电压等级比较高，因此在绝缘结构上与常规产品有所不同。大功率、高转速电机，振动和噪声一直是困扰电机制造厂的疑难问题。因此，机壳的结构设计、转轴的临界转速及通风冷却结构都必须重点关注。电动机采取卧式安装，定子主出线盒在电动机侧面，同侧还有测量出线盒及加热器出线盒，分别提供了电机内部测温元件及加热器的接口。电机由定子，转子，冷却器及轴承等组成，见图1。

2.1冷却器设计

该电机的设计环境温度为50 ℃，电动机需考虑高温，潮湿，热带气候环境的影响。电动机的冷却方式为IC81W， 采用全封闭水对空气冷却结构。冷却

图1　给水泵电机结构示意图

器的设计满足所有管路易于定期清扫和插入，并采用可拆卸水室和可单独清扫的管路。电机机座安装部分采用翻边设计，可有效阻止水和尘埃进入电机内部。电动机外壳的结构能保证在管道泄漏时，漏出的水能避开一切电气元件，而直接流向电动机的底部，从排放口无害排出。该电机的冷却水源为海水，海水腐蚀性较强，这就要求冷却器在材质选择上要考虑耐腐蚀的材料，最终冷却器管材采用能满足要求的不锈钢TP316L。

2.2定子设计

定子主要包括机座、定子铁心、定子绕组等，定子铁心采用外压装结构，铁心压装好VPI整浸后再压入机座。定子铁心两端的压圈厚度为47 mm，铁心中间等分圆周长度焊12块厚90 mm的弧形板。定子每相绕组个埋置2个Pt100铂电阻测温元件，方便用户对绕组温度进行实时检测。定子铁心压装见图2所示。

图2　定子铁心压装实物图

考虑到电机端电压为11 000 V，定子绕组采用F级防电晕云母绝缘材料，整个定子采用真空压力浸渍无溶剂漆工艺(VPI)处理，绕组和铁心固化成为一个整体，因此电动机的绝缘性能优良可靠，机械强度好，防潮能力强。由于电机功率较大，因此绕组端部在电机起动时要承受非常大的电磁力。如果不采取有效的紧固措施，电机绕组端部不断受到冲击振动，将导致绝缘受伤、脱落、甚至破裂，进而造成高压击穿事故[2]。因此，绕组的槽部和端部都必须得到可靠的紧固，端部借助并联环、绝缘支架、端箍及涤玻绳的绑扎固定，间隙充以涤纶毡及热固性膨胀材料。通过热膨胀玻璃毡、适形毡组成的“间隔垫块”以及绑扎固定绳的使用，将线圈端部之间垫实、垫紧，经过VPI 浸漆处理后整个线圈端部形成一个整体，见图3。

图3　线圈端部绑扎图

电缆引出方式采用并联环和导电排，所有并联环与定子线圈连接线及导电排连线均采用银铜焊，焊后包绝缘。

电动机机座用钢板焊成箱形结构，焊接后进行退火处理，质量轻，刚度好。机座两端面机壁的厚度为60 mm，两者之间再加三道厚60 mm的中壁，机座轴向有焊筋及钢管，加强机座的整体强度。机座两侧面开有窗口，用盖板封住，拆下盖板后可以观察并触及电动机内部，便利电动机的维护和修理。

2.3转子设计

电动机转子由转轴、转子铁心、转子导条、风扇及端环等组成。转子采用鼠笼式铜排结构，转子导条和端环采用可靠的中频感应焊接技术。为防止铜排在槽内的松动移位，转子铜排在槽内用胀紧工艺进行紧固处理[3]。转子按1.2倍额定转速进行超速计算，线速度大于100 m/s， 超出了常规控制值， 因此，转子端环需要由非磁性钢材料的护环来支撑。护环由螺栓固定在端环端面上，并采取防松措施。

转子两侧靠近定子线圈端部各固定有一个后倾离心式风扇，定子线圈端部的热空气由离心式风扇鼓进机座上方的冷却器后得到有效的冷却。转子装配示意图如图4所示。

图4　转子装配示意图

轴采用刚性轴设计，考虑到轴伸的扭转应力和键的挤压应力过大，轴的材料采用钢16MnMoV，键采用钢40Cr。轴上加焊筋，焊筋厚度为60 mm，高110 mm。轴的挠度计算，使用solidworks建模，采用ANSYS进行了受力分析，计算挠度值小于气隙0.1倍的要求，见图5。

2.4绝缘措施

电动机的绝缘结构采用11 kV F级性能优良的绝缘系统。该绝缘系统的定子线圈及极相间连接线绝缘均采用厚度很薄的粉云母带及无碱玻璃丝带，有效减少绝缘厚度。减小绝缘厚度的好处是可以在定子槽里增加定子铜线截面积，从而有效降低电机的热负荷，保证电机的带负载能力。在定子线圈外部，直线部分用低阻带，端部用高阻带， 两者相互搭接20 mm， 以防止电晕的产生。定

图5　挠度计算

子线圈和铁心经VPI整浸后成为一个整体，使铜线和铁心之间充满绝缘漆，提高定子的强度及电动机的散热能力。

2.5轴承设计

电机选用进口RENK端盖式滑动轴承，轴承防护等级达到IP54，能防止润滑剂到达电动机绕组。轴瓦采用符合相关标准的巴氏合金，轴瓦上设有接地螺钉，便于电机出厂前将轴伸端轴承接地。轴承带有输油节流装置，可调节油压和流量，避免压力过大导致润滑油进入电机内部。电机轴承装设双支热电阻Pt100， 方便用户对轴承温度进行实时监控。

2.6防止轴电流措施

大型交流异步电动机在使用过程中会产生转子轴电压，这主要是由于电机在运行过程中定转子之间磁路不对称产生的。当电压达到一定数值时，会击穿油膜，在转轴、轴承和联轴器构成的回路中引起轴电流[4]。轴电流会在轴瓦及联轴器上造成电弧灼点，烧伤等。因此本电动机轴伸端加装接地碳刷，非轴伸端采用绝缘轴承来防止轴电流的产生。

3　电机试验数据(见表1)

表1　电机试验数据

电机各项性能均满足与用户签订的技术规格书的要求，达到了设计的预期目的，最关键的是电机在额定运行条件下振动性能非常良好。

4　结语

大功率给水泵电机作为电力行业发电系统的重要一部分，其整体结构及性能参数的好坏直接影响到电厂整套锅炉主给水系统的运行，该电动机在实际使用中运行情况稳定，用户反映良好，性能满足热电厂大功率给水泵系统的要求。通过验证，该电动机完全实现设计目标:电机振动小、起动电流低、效率高等指标优越，提高了整个机组的产品品质。同时，该电机的研制成功，为我公司设计和制造更大功率的电厂给水泵电机积累了宝贵的经验。

[1]陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社，1994.

[2]徐刚. 最新国内外电机设计制造新工艺新技术与检修及质量检测技术标准应用手册[M]. 长春：银声音像出版社，1994.

[3]傅丰礼，唐孝镐. 异步电动机设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[4]王益全，刘军，秦晓平，等. 电动机技术实用手册[M]. 北京：科学出版社，2006.