80MW卧式变频调速同步电动机的研制

王涛，徐立敏，李海鹏

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150000)

0 引言

80MW电机是目前国内设计并生产制造的单机容量最大的卧式凸极变频调速同步电动机，其驱动的设备为轴流压缩机。该电机容量大，运行的工作转速范围广，最高转速速度高，并频繁启停机。本文对包括电机的电磁、结构、刚强度计算和通风计算等研制情况分别进行了详细的介绍。

1 电动机的基本规格和主要技术要求

额定功率80MW；额定转速500r/min；额定频率50Hz；工作转速100～860r/min；工作频率10～86Hz；额定电压11kV；功率因数1.0；极数12P；绝缘等级F级；相数3(同相位的双绕组)；防护等级IP54(IP23)；冷却方式IC8A6W7；结构型式IM7315；工作制S10；过载能力1.1倍；有刷励磁。

变频系统输出指标：谐波电流THD≤4%；dV/dt≤3000 V/us；共模电压(RMS)≤1000V；峰值电压相对相小于20kV，相对地小于10kV。

要求电机转动惯量(J)≤80 (t.m2)；Xd″ ≥0.22；临界转速≥1032 r/min；最大起吊重量≤150t；非传动侧安装盘车装置；对于双绕组，不管出现何种故障(一套电机绕组损坏或变频系统双Y输出的2组功率单元的一组出现故障)，电机的另一套绕组可以在变频系统控制下继续工作；电机的转向固定，从电机侧向压缩机看为逆时针旋转，工作过程中不会要求改变转向；每次工作需要升降转速，要求在不同的转速点上稳速运行，根据情况每天可能多次起停操作。

2 电磁设计说明

按给定的基本规格和主要技术要求，来确定电机的有效部分尺寸、电磁负荷、绕组数据及性能参数等。在电磁设计时，针对定子冲片的槽形尺寸、磁极冲片的尺寸、定子绕组的匝数、磁极绕组的匝数等相互之间的配合及对参数的影响，选择最佳的配合型式以满足参数要求。该电机转子磁极采用均匀气隙三段弧结构。由于磁极为非常规结构，传统的设计公式已不能适用，需采用有限元的方法计算电磁场，分别计算了电动机的极弧系数，主极磁场系数，直轴波形系数，交轴波形系数，极间漏磁漏磁导，第二气隙漏磁导，T尾处漏磁导；计算了直轴电抗和超瞬态直轴电抗。第二气隙和T尾处磁场分布如图1所示。

图1 第二气隙和T尾处磁场分布

计算结果和参数均满足用户对电机的使用要求，表明电磁方案是合理可行的。

3 结构设计说明

3.1 总体结构

电机为卧式、凸极、有刷、变频调速同步电动机。主要由定子、转子、轴承、底板、集电环室、罩、冷却通风系统组成，冷却装置装有漏水检测，进风口设有2只双支三线制Pt100测温元件，出风口设有1只双支三线制Pt100测温元件，用以检测电机的进出风温度。配有两个球面座式滑动轴承，集电环、编码器、盘车装置等位于轴承外侧。电机装有加热器，以便电机长时间停放，驱除电机内潮气。电机轴承上装有测量轴振的测振探头。电动机结构图见图2。

图2 电动机结构图

3.2 定子

定子机座为整体式焊接结构，用机座板、筋板及T型钢增加机座的刚度，所有焊缝采用CO2气体保护焊，并经退火和喷砂处理。电机的定子铁心由多段扇形冲片叠装而成，通风沟宽度7mm，冲片为50W270冷轧硅钢片，叠装时靠冲片外圆和拉紧螺杆孔定位，铁心两端用分别焊到整圆机座板和定子压板上的齿压片将铁心压紧，通过拉紧螺杆轴向把紧。齿压片内侧靠铁心一面齿部为斜面，可有效防止铁心齿胀。铁心两端为阶梯型，可有效减小端部漏磁。齿压片采用反磁钢材料，以减小涡流损耗。铁心装压完成后，采用氩弧焊把机座上的T型筋和肋板与每段铁心背部进行交错焊接，以承受电机的扭矩。并将定子压板与机座板进行焊接，以增加定子的刚度和整体性。

定子线圈为整数槽条式波绕组线圈，采用两套绕组两侧分别出线的方式，条式线棒分为上下层普通线棒、上下层传动端引出线棒、上下层非传动端引出线棒共6个尺寸的线棒。线棒之间，线棒与引出线之间的连接采用铜板或铜母线与线棒银焊后直接包扎绝缘的连接方式。线圈端部用内、外端箍双重固定。斜边间隙用热胀型玻璃毡垫塞紧，并用定向带进行绑扎，加热后，上下膨胀形成一哑铃状，使线圈斜边间的固定非常牢固。为了加强定子绕组鼻部的固定，在线棒上下层内腔处设有软端箍，软端箍经VPI浸渍固化后形成一玻璃钢环。外端箍和把合到机座上的端箍支架绑扎固定。通过上述的绑扎固定后线圈端部完全满足电机各种工况下运行要求。

3.3 转子

转子主轴材料采用SF590A锻钢，中心加工φ120的通孔，用以穿导电杆。磁轭采用高强度厚钢板，组成多段圆环热套到轴上，每段圆环之间用支柱间隔，通过磁轭上的通风孔和每段圆环上的导风板，形成若干个转子极间的径向风道。在磁轭外侧加工T尾槽用以挂装磁极，磁极通过T尾键固定到磁轭上。

磁极采用T尾形式的向心磁极结构，由磁极冲片和磁极压板叠压而成，磁极冲片采用热轧薄钢板冲制而成，磁极压板采用高强度合金钢锻钢制成，通过极身处的高强度拉紧螺杆把紧形成一体。极靴采用三段弧形状，电机采用全阻尼结构，在磁极极靴上缘装有阻尼条，两端通过阻尼环银焊连接。阻尼环与磁极压板通过止口连接，以防止由于离心力过大使其变形。极间阻尼环采用连接片连接，连接处通过固定在磁轭上的高强度拉杆将其拉住，以承担阻尼环伸出部分及连接件的离心力。

磁极线圈为四角焊接结构，有普通匝和散热匝，散热匝可以提高转子绕组的散热能力和降低转子温升。磁极线圈焊接完成后使用胎具使其压制成向心的形状。线圈匝间用上胶纸做为绝缘。线圈对地绝缘采用绝缘纸围包磁极铁心，边包边刷YQ胶。线圈和托板与磁极铁心之间的缝隙用预浸涤纶毡和环氧玻璃布板塞满，加热固化后，使磁极线圈、磁极铁心和磁极托板成为一体，有效地提高了转子部分的电气和机械性能。

转子的尾部安装套轴式的测速编码器以及盘车用的电动盘车装置。

3.4 轴承

轴承为动静压座式滑动轴承。主要有轴承座、径向轴瓦、高压进油管路、低压进油管路、回油管路、端盖密封、测温装置、调整垫片等组成。需配置高低压供油装置，低压供油系统保证轴承在工作转速范围内能形成安全的油膜，高压供油系统能够保证在转速变化过程中及启停机状态下，轴与轴瓦之间处于液体摩擦状态，从而避免重载工况下的轴瓦磨损。根据轴径和载荷数据，选择轴瓦宽度、宽径比，根据比载荷及最高线速度选择润滑油粘度等级ISO VG46。轴承座对径向轴瓦采用球面支撑，使轴承具有良好的稳定性和自动调心功能。轴承座采用钢板焊接结构，能充分保证轴承结构的强度和刚度；轴瓦由本体和合金构成，本体材质ZG230-450，合金材质ZSnSb11Cu6。轴承带调整垫片，方便调节轴承中心高；轴承座底板设绝缘垫片，高低压油管路、回油管路采用法兰连接并设绝缘。轴承设置有温度测量元件Pt100铂热电阻，可以灵敏地显示轴瓦的温度变化，为实现远程监控提供条件，保障电机安全运行。

计算结果显示，在100r/min、500r/min、860r/min三种转速下轴承最小油膜厚度0.04mm，大于最小许用油膜厚度0.016mm(根据ISO 7902)，所以在此转速下的轴承完全能够形成动压油膜。

3.5 底板、上罩、集电环室、高压油泵装置

底板由钢板拼焊而成后加工，为方便加工和运输，由4块底板通过螺栓把合而成一整块底板。上罩通过钢板和槽钢、角钢等焊接而成，其上部开有进出风口，通过粘接在罩上的密封条与机座密封，将电机分为两个进风室和一个出风室。集电环室由钢板和角钢焊接而成，用于防护集电环，上部接有冷却风机，用于集电环部分的冷却。高压油泵装置把合到近轴承的底板处，每个轴承供高压油的高压油泵一用一备，抽取低压供油管路上的油来提供给电机轴承高压油。

4 刚强度计算说明

通过有限元建模计算，部分刚强度计算数据如下：机座轴向振动频率为21.9Hz，避开了电机转频14.3Hz的20%以上，在2倍电频20～172Hz范围内没有发现铁心12瓣的振型；电机短路工况下的机座的最大应力出现在机座的筋板处，为172MPa，短路工况时机座的最大切向变形为0.097mm；齿压片的最大应力为109MPa，焊缝最大应力为30MPa，轴向最大位移为0.23mm。所有计算结果均满足要求且有足够余量。定子机座有限元模型见图3。

临界转速的计算使用西屋公司轴系临界转速计算程序PROD127，一阶临界转速为1375rpm，高于超速转速1032rpm的33%，符合设计要求。

磁极冲片的最大应力为445MPa，位于冲片的T尾圆角处；磁极冲片的最大径向变形为0.73mm；磁轭板的最大应力为461MPa，位于冲片的T尾圆角处；阻尼环的最大应力为100MPa，位于最外侧阻尼条连接处；阻尼环拉杆的最大应力为339MPa，位于拉紧螺杆变径圆角处。所有计算结果均满足要求且有足够余量。磁极铁心端部的有限元模型见图4。

图4 磁极铁心端部的有限元模型

5 通风计算

电动机采用双路径向带风机强迫通风结构，冷却空气由风机吹入转子磁轭入口、极间和气隙，同时与转子磁轭、磁极旋转产生的风扇作用共同驱使空气流过转子磁轭，磁轭风沟、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带电机损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后，重新由风机吹出，构成密闭循环通风系统。

应用FLOWMASTER软件进行计算分析。通风计算结果总风量Q=49.67m3/s(100r/min时)，通风损耗约为12.2kW；总风量Q=53.9m3/s(500r/min时)；通风损耗约为329kW；总风量Q=60.91m3/s(860r/min时)，通风损耗约为918kW。

6 结语

在设计与计算大容量卧式凸极变频调速同步电动机中需要特别考虑电磁、各工况下定转子的刚强度、电机各部分结构的合理设计和通风等问题，确保电机的安全稳定运行。通过对此电机的研制，并借鉴了立式水轮发电机的部分设计经验，成功完成了电机的设计和计算工作，熟悉并掌握了此类电机的设计和分析计算方法，为同类型电机的设计提供了一些有益的参考。