陳興衛(wèi)

（佳木斯電機(jī)股份有限公司）

摘　要：介紹了大容量2P隔爆型高速自潤(rùn)滑三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從控制電機(jī)軸瓦發(fā)熱、提高散熱能力方面入手，重點(diǎn)介紹了控制定子溫升、加強(qiáng)軸瓦散熱能力所采取的措施。

關(guān)鍵詞：隔爆電機(jī)；高速；自潤(rùn)滑；軸瓦

0　引言

由于石油輸送管線大部分在荒郊野外，石油輸送泵配套電機(jī)的供電條件、控制保護(hù)等受到環(huán)境的限制，一般采用隔爆型高速自潤(rùn)滑電機(jī)，自潤(rùn)滑電機(jī)省去了油站及其控制系統(tǒng)，因此投資小、故障環(huán)節(jié)少。但由于輸送泵配套電機(jī)一般為3000轉(zhuǎn)/分鐘的高速電機(jī)，當(dāng)電機(jī)容量大于2000kW及以上時(shí)，電機(jī)軸瓦潤(rùn)滑產(chǎn)生的熱量靠自身散熱降溫難度加大，本文就大型自潤(rùn)滑隔爆型電機(jī)的研制關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

目前，國(guó)內(nèi)2極大容量隔爆型滑動(dòng)軸承電機(jī)均采用強(qiáng)迫潤(rùn)滑，原因是滑動(dòng)軸承與軸之間為面接觸，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸與軸瓦摩擦?xí)a(chǎn)生很大的熱量，其中大部分熱量是通過流動(dòng)的潤(rùn)滑油帶走(即流動(dòng)的潤(rùn)滑油不僅起到潤(rùn)滑的作用還起到冷卻的作用)，而自潤(rùn)滑電機(jī)僅靠自身的散熱，很容易造成軸瓦溫度過高，因此控制軸瓦的溫度是本電機(jī)的首要關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]可以看出，高速自潤(rùn)滑電機(jī)軸瓦發(fā)熱關(guān)鍵點(diǎn)在于如何降低軸瓦產(chǎn)生的熱量和如何把熱量盡快地散出去，本文從這兩點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合石油輸送管線研制的YB800-2 2500kW隔爆型高速自潤(rùn)滑三相異步電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了分析和論證。

1　電磁設(shè)計(jì)方案的確定[2]

1.1 電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

a)功率：2500kW

b)額定電壓：6kV

c)額定電流：288A

d)額定頻率：50Hz

e)額定轉(zhuǎn)速：2985r/min

f)防護(hù)等級(jí)：主體IP54、接線盒IP55

g)熱分級(jí)：155(F)級(jí)

h)防爆等級(jí)：ExdⅡBT4

i)工作制：S1

j)冷卻方式：IC511

k)安裝方式：IMB3

l)旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針

m)效率：94.0%

n)功率因數(shù)：0.89

o)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.6

p)Z大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.80

q)堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)：6.5

1.2 電磁設(shè)計(jì)的基本原則

考慮到電機(jī)自潤(rùn)滑的要求，電機(jī)的電磁方案本著兩個(gè)原則[3]來進(jìn)行設(shè)計(jì)：

a)電機(jī)溫升設(shè)計(jì)盡量低，避免電機(jī)由于內(nèi)部風(fēng)溫過高，使軸瓦與電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路接觸部分溫度過高，無法散熱甚至加熱軸瓦。

b)電機(jī)的轉(zhuǎn)子盡量減輕，鑄鋁轉(zhuǎn)子、采用高強(qiáng)度轉(zhuǎn)軸，盡量縮短轉(zhuǎn)子鐵心，目的是減少軸瓦的負(fù)荷，減少發(fā)熱量。

電機(jī)軸瓦承受的載荷主要來自轉(zhuǎn)子的重量和由于定、轉(zhuǎn)子不同心所產(chǎn)生的單邊磁拉力，為了降低軸瓦承受的載荷，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮電機(jī)的三圓[4]，在各項(xiàng)負(fù)荷允許的范圍內(nèi)盡量降低轉(zhuǎn)子外徑，從而降低鐵心重量，在導(dǎo)條材質(zhì)上選擇重量更輕的鑄鋁轉(zhuǎn)子。

1.3 絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了降低溫升，采用上Z先進(jìn)的環(huán)氧酸酐漆及其相配套的少膠絕緣結(jié)構(gòu)(主絕緣減薄到1.0mm，匝間絕緣0.4mm，不帶槽襯)，同時(shí)采用真空壓力浸漆，使絕緣系統(tǒng)固化為一個(gè)整體，這樣不但提高了槽利用率，也更利于繞組的散熱[5]。

1.4 電磁負(fù)荷的確定和溫升估算

既要考慮軸瓦自潤(rùn)滑，降低電機(jī)溫升，又要考慮適當(dāng)降低轉(zhuǎn)子重量，降低軸承負(fù)荷。因此，結(jié)合以往類似電機(jī)的試驗(yàn)情況，定子電密設(shè)定為2.66A/mm²、熱負(fù)荷設(shè)定為1750A2/cm·mm²。

根據(jù)電磁計(jì)算情況和以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及德國(guó)西門子公司溫升計(jì)算公式，對(duì)本次設(shè)計(jì)電機(jī)溫升估算為：63.9K。

2　總體結(jié)構(gòu)及主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

電機(jī)結(jié)構(gòu)安裝形式IMB3；冷卻方式為IC511；防護(hù)等級(jí)IP54；接線盒防護(hù)等級(jí)為IP55；圓柱形單軸伸；端蓋式滑動(dòng)軸承自潤(rùn)滑；鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；定子采用扣片式外裝壓結(jié)構(gòu)；電機(jī)內(nèi)部采用兩邊對(duì)稱的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)；電機(jī)內(nèi)部帶有兩個(gè)軸流式內(nèi)風(fēng)扇；外風(fēng)扇采用后傾式離心風(fēng)扇，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 隔爆外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6-8]

電機(jī)采用隔爆外殼防爆結(jié)構(gòu)，機(jī)座外殼由12鋼板Q235A卷制而成，兩端板為50鋼板Q235A，機(jī)座內(nèi)焊8個(gè)加強(qiáng)筋，機(jī)座周圍分布冷卻管，冷卻管通過漲緊工藝固定在機(jī)座端板上。

端蓋與機(jī)座采用止口隔爆面配合，接線盒與機(jī)座為平面隔爆面配合，軸貫通處采用推蓋式隔爆結(jié)構(gòu)，其隔爆原理是推蓋與軸之間有直徑0.15～0.2mm的直徑差，這樣不但能保證推蓋在軸上能自由地竄動(dòng)，又可以大幅度地減小軸向的隔爆間隙，提高安全性，而推蓋通過軸上的鍵隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有相對(duì)摩擦，避免了由于間隙小容易抱軸的可能。當(dāng)機(jī)座內(nèi)腔發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸壓力推動(dòng)?蓋，使推蓋向外竄動(dòng)與軸承套碰撞，將爆炸火焰?zhèn)鞑サ穆窂蕉滤溃鸬搅烁舯淖饔?同時(shí)，由于推蓋在軸上可以通過自由的竄動(dòng)來調(diào)節(jié)徑向摩擦，所以推蓋的磨損是很輕微的。根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，隔爆面要求采取防銹措施，與推蓋配合的隔爆面均為不銹鋼材質(zhì)，其中包括：不銹鋼軸套(與軸過盈配合)、內(nèi)套及擋板，推蓋的材質(zhì)為耐磨材料硅黃銅，硅黃銅與不銹鋼均屬于不易產(chǎn)生火花材質(zhì)，提高了電機(jī)運(yùn)行的安全性。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 降低軸瓦發(fā)熱量的措施

由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定，為降低軸瓦的發(fā)熱量，只能通過減小軸頸來降低線速度和提高油膜質(zhì)量來減少摩擦損耗，因此本電機(jī)軸材質(zhì)選為優(yōu)質(zhì)的合金鍛造鋼42CrMo[9]，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的合金鋼無論在強(qiáng)度和硬度上均有所加強(qiáng)，這樣能在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)Z大限度地減少軸頸。經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算，電機(jī)的軸瓦臺(tái)處直徑由正常的φ140mm可以減小至φ110mm，線速度得到有效降低，減少發(fā)熱量。

在提高油膜質(zhì)量上，首先根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速及軸瓦承受的載荷來確定潤(rùn)滑油牌號(hào)，并在軸瓦結(jié)構(gòu)上選擇雙油環(huán)結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)對(duì)軸瓦進(jìn)行刮研處理，保證軸與軸瓦之間形成收斂的楔形間隙，使其運(yùn)行時(shí)更有利于油膜的形成。

2.4 減少對(duì)軸瓦的熱傳遞

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的溫升會(huì)通過軸直接傳遞到軸瓦上，在機(jī)座內(nèi)腔，由于定子溫升產(chǎn)生的高溫空氣直接吹到軸瓦上，也會(huì)造成軸瓦溫度升高，因此本電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格地控制了電機(jī)溫升，同時(shí)在機(jī)座內(nèi)增加一個(gè)推蓋裝配，將軸瓦與機(jī)座內(nèi)腔分開，防止機(jī)座內(nèi)腔的高溫空氣直接吹到軸瓦上。

2.5 改進(jìn)軸瓦結(jié)構(gòu)

電機(jī)采用端蓋式滑動(dòng)軸承油環(huán)自潤(rùn)滑方式，按照技術(shù)協(xié)議的要求，軸承溫度不超過95℃，油溫不超過65℃，經(jīng)過軸瓦溫升的計(jì)算，Z后確定電機(jī)軸瓦的型號(hào)為DQZ12-110B/BJ，軸承的具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖3[10]。

該系列軸承在軸承座的設(shè)計(jì)上采用有較大的散熱面積，并把油室儲(chǔ)油量增大，增加了軸承的散熱面積，安裝后整個(gè)瓦球在電機(jī)腔體外側(cè)，更利于散熱，同時(shí)軸承帶有2支油環(huán)，增加了油環(huán)帶油量，可以滿足全膜潤(rùn)滑的需求，加快潤(rùn)滑油循環(huán)速度，促進(jìn)熱交換。

通過改進(jìn)，在現(xiàn)有條件下對(duì)軸承在額定工況下的溫升進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如下。

電機(jī)轉(zhuǎn)速：2985r/min

每個(gè)軸承徑向載荷：12205N

軸承相對(duì)間隙：1.9‰

Z小油膜厚度：25μm

潤(rùn)滑方式：自潤(rùn)滑

潤(rùn)滑油牌號(hào)：ISOVG32

軸承溫升：32K

2.6 加強(qiáng)軸瓦的冷卻

結(jié)合我公司以往的試驗(yàn)結(jié)果，電機(jī)尾端的軸瓦由于外風(fēng)扇的間接冷卻，比軸伸端軸瓦溫度低8℃～13℃，可見風(fēng)扇對(duì)軸瓦的冷卻效果非常可觀。因此，在本電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在電機(jī)的軸伸端也增加了一個(gè)軸流風(fēng)扇，該風(fēng)扇能有效地將伸端軸瓦產(chǎn)生的熱量及時(shí)地帶走，降低了軸伸端軸瓦溫度。

2.7 避免陽光的直接照射

由于此電機(jī)使用在戶外無人值守的場(chǎng)所，當(dāng)陽光直接照射到軸瓦上時(shí)，也會(huì)造成軸瓦的溫度升高，因此在電機(jī)軸伸端增加了一個(gè)防護(hù)罩，該防護(hù)罩不但能使軸伸端的軸流風(fēng)扇的風(fēng)路更加通暢，還能避免陽光的直接照射。

3　結(jié)語

通過采取以上措施，該電機(jī)一次性通過了型式試驗(yàn)，電機(jī)定子溫升63.5K，軸瓦在Z高環(huán)溫40℃運(yùn)行時(shí)溫度不超過85℃，與國(guó)內(nèi)使用的進(jìn)口電機(jī)相比軸瓦溫度更低。并且與泵進(jìn)行了聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，一次通過了各項(xiàng)性能考核。

參考文獻(xiàn)

[1]傅豐禮,唐孝鎬.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].湖南:湖南人民出版社,1978.

[2]陳興衛(wèi),于兆生.高效率隔爆型電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].防爆電機(jī),2009,44(1):15-18.

[3]楊萬青,劉建忠.實(shí)用異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、安裝與維修[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[4]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[5]湯蘊(yùn)