φ219连轧无缝钢管项目限动芯棒主电机通风设计

李晓蕾，应伟航

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

限动芯棒轧制工艺优于传统的连轧工艺，大大改善了钢管的质量，提高了钢管的壁厚精度，扩大了钢管的最大外径，广泛用于无缝钢管领域。但因其特殊轧制工艺要求，对限动芯棒主电机也提出了特殊要求。本文主要针对这些特殊要求阐述了电机的通风设计。

1 限动电机要求

1．1 限动电机简介

此电机为某钢铁公司规格φ219连轧无缝钢管项目配套限动电机，此项目含穿孔机、连轧机、限动电机、脱管电机、减定径电机及顶杆小车电机等。此次设计电机为此项目中的限动电机。

芯棒限动系统是限动芯棒连轧机组主要组成之一。芯棒限动系统的主要设备由限动齿条组成，上、下两侧均为齿状，由四台异步电动机驱动齿轮带动并沿着轧制线前后运动，限动齿条结构见图1。4台电机上、下各2台布置，经联轴器、齿轮减速机及限动力矩装置的联轴器来驱动齿轮轴，通过4个齿轮轴传动限动齿条[1]。

图1 芯棒限动齿条结构图

1．2 限动主电机的具体要求

(1) 用途：用于驱动限动齿条(4台电机要求负荷均衡、速度同步)

(2) 数量：4台

(3) 电机类型：交流变频

(4) 冷却方式：IC86W(两左两右)背包水冷，2台电机上下平面垂直安装。

(5) 安装型式：IM1001

(6) 温升等级：F级绝缘、温升按B级考核

(7) 电机额定功率：500 kW

(8) 电机惯量：J=40 kg·m2

(9) 载荷类型：恒转矩/功率

(10) 过载类型：周期重复

(11) 基速：480 r/min

(12) 最大转速：1550 r/min

(13) 基速下过载：230%

(14) 最大速度过载：230%

(15) 接线位置：顶部

(16) 环境温度：-5～40 ℃

(17) 供电：690 V

(18) 电压变化率：5 kV/μs

可以看出，限动电机的调速范围很宽，速比很大，而且对电机的过载要求较高；限动芯棒要求较快的响应速度，对电机自身转动惯量提出了较严苛的要求；又由于限动电机安装的特殊性，对电机的长宽高尺寸均有限制。因此下文主要从电机结构及通风两个方面对限动电机的选型设计进行分析。

1．3 电机设计参数表

根据上述要求，经过电磁计算，限动电机参数见表1。限动电机在基速480 r/min以下为恒转矩调速，基速时过载满足2.3倍；480 r/min以上为恒功率调速，高速时过载也满足2.3倍的要求，电机的自身转动惯量为40 kg·m2，满足限动电机的要求。

表1 限动电机设计技术参数表

2 结构设计

此项目要求电机的宽度和高度尺寸应分别小于1 500 mm、1 150 mm。一般空水冷电机冷却器置于电机机座正上方，我厂常规H450空水冷却电机带冷却器的高度1 780 mm，超出了限动电机的高度要求；带吊攀机座宽度也超过了限动电机宽度要求。需对电机标准结构进行较大改动来满足空间限制，将冷却器侧置于机座侧面，同时取消侧面的吊攀，所有出线盒置于电机顶部。

经与用户后期沟通后得知，电机机座旁设有支架，因此要求侧置冷却器需加置一个长500 mm的过渡风筒再与电机连接，以避开现场支座。限动主传动电机布置图见图2，其中序号1为电机本体，序号2为过渡风筒，序号3为冷却器。电机的风口位置变化不利于电机通风散热，若在冷却器与电机机座之间添加一个500 mm的风筒的话会使得通风风路变长，对通风冷却散热更不利。

图2 限动主传动电机布置图

为了满足用户要求，在保证电机机座内部尺寸的前提下，尽可能地增大通风面积，以尽可能地减小500 mm过渡风筒对通风的影响。经过对机座侧板的尺寸排布以及风路走向的排布，电机出风口尺寸和电机进风口尺寸定为570 mm×333 mm。确定了进出风口尺寸后便可将用户要求的冷却器与机座之间的过渡风筒确定下来，将风筒的尺寸定为500 mm×570 mm×333 mm，具体见图3。

图3 500 mm过渡风筒侧视图

3 通风计算

3．1 冷却器尺寸确定

参考以往YSBPKS450-6空水冷却器的参数尺寸，再与此项目的输入条件相结合，输入到套片式空水冷却器校核计算程序，以校核输入数据的可行性。输入数据如下：

冷却水管内径d=0．014 m

冷却水管外径D=0．016 m

翅片片间距X=0．0 025 m

翅片厚度Y=0．00 023 m

单芯冷却水管排数ZS=5

单芯冷却水管列数ZP=14

冷却器排管间距a=0．036 m

冷却器列管间距b=0．038 m

冷却水管有效长度L=1.1 m

电机损耗P=30 kW

冷却器进水温度tW1=33 ℃

将以上数据输入程序中，主要结果见表2。

表2 整张套片式空水冷却器校核计算程序

续表2 整张套片式空水冷却器校核计算程序

由上述校核程序可看出，在所选参数下，冷却器冷却水的温升、冷却风温降、冷却器的综合传热系数、风机压降及水阻压降等均满足要求。

3．2 选取冷却风机功率

冷却器的主要尺寸确定后，需要确定冷却风机的功率。参考原系列原有风机型号进行校核，原风机型号采用YX3132-4P，电压380 V，功率7.5 kW，冷却风扇采用后倾叶片，其中：

风扇的内径D1=0．422 m

风扇的外径D2=0．61 m

风扇宽度B=0．15 m

风扇的转速N=1 450 r/min

叶片流量系数KQ=0．35(后倾叶片)

风扇效率F=0．30

电机容量储备系数K=1．15

现进行以下计算：

(1) 环流系数η(空气动力效率η)

当叶片出口角β2A在20°～170°范围内，环流系数可用以下公式计算[2]

式中：β2A为风扇出口角，此项目中β2A=90；Z为叶片数，Z=16；R1为风扇内径，R1=D1/2；R2为风扇外径，R2=D2/2

(2) 湿空气密度ρ

式中：p湿空气为湿空气压力；R为湿空气气体常数；T为环境温度。

(3) 风扇空载压头H0

(4) 风扇理论最大流量Qm

(5) 风扇所需输入功率P

(6) 强迫通风电机所需功率M

M=K×P=1.15×5.22=6.0 kW

因此，冷却风机选为YX3132-4P，电压380 V，功率7.5 kW。

3．3 过渡风筒阻力损失

根据通风管道沿程阻力计算选用表，可得，长500 mm的过渡风筒的风阻压降约为1.074 Pa，对整个风路影响甚小，可忽略不计。

4 结论

针对限动电机的过载能力及尺寸限制等特殊要求，经电机结构改进后，对电机的风路进行通风计算验证，结果表明，结构改进后的电机性能、外形尺寸均满足了此项目限动电机的要求。此项目限动电机的成功设计对后期其他无缝钢管项目，有一定的参考和借鉴作用。