TBP 8000-16交交变频同步电动机的研制

(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳 473008)

0 引言

TBP 8000-16交交变频同步电动机用于某公司3500mm中板精轧项目。该产品不同于以往的同步电动机，是集电力电子、自动控制、变频调速、电机和机械加工为一体的高技术含量产品，且工况条件比较苛刻，项目的研制成功将是我公司开拓的又一个新的经济增长点。

该电机为轧钢线上关键设备，鉴于研制该电机的重要性和设计难度，公司将该电机按重大新产品组织技术开发，先后对该电机的初步设计、技术设计、施工图设计及工艺设计等进行了详细评审，现在电机已经完成各项试验，性能满足要求。

1 电动机的技术参数

型号： TBP 8000-16；额定功率：8000kW；额定电压：1650V；额定电流：2897A；额定频率：(8～20)Hz；转速：(60～150)r/min；相数:3相；定子绕组接法：Y；防护等级：主体IP44集电环IP23；绝缘等级：F/F；冷却方式：侧水冷(IC8A6W7)；安装方式：IM7315；旋转方向:双向；定额:S9(连续工作制)；使用系数:1.0；电机飞轮转矩GD2：180 t·m2；功率因数：1.0；效率:96%(不含励磁损耗)；噪声限值：106dB(A)(声功率级)；振动限值：<0.075mm(双倍振幅)。

2 主电机电磁计算

主电机电磁计算，输入数据：定子冲片外径/内径：φ2900/φ2420mm；定子冲片槽数：192；定子绕组接法：8Y；定、转子铁心长：2120/2120；定子每槽导体数：10；定子线规：6-2.24×5.6；转子每极导体数：71.5；转子线规：5.6×40；气隙：9.5。得到的电气数据见表1。

表1 主要电气数据表

3 结构设计[1]

3.1 结构设计的原则

(1)满足电气性能的要求。

(2)采用合理先进的通风散热结构。

(3)提高运行可靠性，零部件强度留有较大的裕度。

(4)考虑使用维护的方便性。

(5)提高零部件的通用化程度。

(6)在满足整体强度的基础上，考虑外观造型，推出精品电机。

3.2 总体结构

(1)该机架的电动机为两台，上下辊布置。机组为上电机在前，下电机在后(靠轧机侧为前)，下电机带中间轴、第五轴承及轴承底座；电机中心高800，两电机中心距为2300mm。电机为卧式结构，定子电源引出线位于机座底部非传动端；加热器和测温元件接到辅助出线盒内，辅助出线盒装在机座下部侧面；励磁引线从刷架向下引，穿过电机底板位于电机底坑内。电机的传动端装有接地电刷。非传动端装有励磁滑环并留有安装测速编码器的位置，电机总装图见图1。

图1电机总装图

(2)电机轴伸端和中间轴两端为整段法兰结构，法兰连接尺寸满足主机要求。

(3)电机的轴承为钢板焊接结构式座式轴承，非传动端为绝缘球面滑动轴承，在两轴承底部均有键，另在非传动端轴承还设有键挡，起提高座式轴承抗冲击的作用。电机轴承带低压力油循环及甩油盘复合式润滑，轴承带高压油顶装置，采用高、低压油润滑油沾供油润滑冷却(高压油长期工作)。

(4)在电机非传动侧设有阻尼止推轴承，在电机运行时能承受一定的外来轴向推力。轴承能长期承受轴向±1250kN的推力，并能承受轴向双向推力±4500kN的负荷；传动端与非传动端轴承窜动量为±12mm，阻尼轴承窜动量为±3mm。

(5)电机采用有刷励磁方式，集电环自带风机通风冷却。

(6)空水冷却器位于电机两侧，冷却风路两进一出：冷却空气由两端罩的进风口进入，冷却电机后的所有热空气，回到机座中部出风口经冷却后进入下一循环。

(7)电机自带地脚螺栓，锚固板。

(8)在机座的外面罩有一分半大罩，一是起到美观，二是形成电机的冷却风路。

3.2.1 定子

主要由定子机座、定子铁心、线圈、外罩、端罩等构成。

(1)定子机座

定子机座采用钢板焊接结构，为便于定子下线及端部绑扎，机座为短机座，机座端板为60厚Q235A，由多层辐板和钢管组焊接成统一的整体。机座安装面以上为裸露机座(没有面板)，最后在机座外罩一大罩，用以安装冷却器和形成密闭的风路。设计制造中，其强度、刚度能长期承受轧钢特殊工况的冲击载荷，能承受事故状态下扭矩作用无有害变形。考虑吊装和运输需要增加翻转吊攀和运输孔。

(2)定子铁心

定子铁心冲片采用高导磁率、无取向、厚度0.5mm的硅钢片(50W470)冲制叠装而成。硅钢片去除毛刺后涂F级片间绝缘漆。冲片背部开鸽尾槽，定子压圈将铁心冲片压紧，定位筋与机座的连接，足以能承受电机过载产生的切向力和磁拉力产生的径向力的同时作用的剪应力。

(3)定子绕组及其端部固定

定子线圈采用双层叠绕组。铜线采用单聚酰亚胺—氟46复合薄膜绕包铜扁线MYFB-21/180，主绝缘为F级少胶云母带。

考虑到变频器供电，存在电压、电流“毛刺尖峰”(即谐波特别丰富)的特点，绕组除加强对地绝缘外，特别加强了匝间绝缘。

下线后所有端头银铜焊。考虑到轧钢电机的定子绕组在冲击负荷下的可靠性，保证线圈在各种运行工况下长期安全运行，并能防止线圈在最大过载情况下所可能发生的振动和变形。

嵌线后，将整个定子置于整浸罐中进行F级VPI无溶剂真空压力浸渍处理。固化后，定子的绝缘性能、热的传导性能、结构的整体性能都得到了加强。

线圈直线出槽口处设绝缘垫块；线圈端部通过端箍、端箍支架和端部垫块等绑扎固紧。

3.2.2 转子

3.2.2.1 转轴

电机的轴颈、轴伸强度按能长期承受600%瞬时机械冲击力矩要求考虑。电机轴有足够的强度、刚度，并能承受轧制工况的冲击和扭转，确保转轴的挠度不超过气隙的6%，临界转速>1.3倍正常工作转速。

为满足电机频繁正反转和快速响应的要求，电机的转轴由“传动端轴+中间段空心筒体+非传动端轴”三段组成，材质为优质锻钢，通过SKF公司的超级螺栓销(进口)和超级高强度螺栓(用锻件自制)将三者连成一个整体，超级螺栓销主要用来传递力矩，而高强度螺栓主要是起连接作用。

锻件进厂，在精加工前，按照标准JB/1271相关检查项目，进行厂内本体取样复检合格，经超声波探伤确认无缺陷后，方可进行下序加工。

3.2.2.2 转子磁极[2]

磁极采用1.5mm厚钢板冲制叠压而成。电机磁极铁心采用42CrMo芯棒加拉紧螺杆结构，磁极与电机中空轴间的固定采用高强度拉紧螺栓连接式结构。

磁极线圈与磁极极身间垫环氧酚醛玻璃布板夹适形材料填实，磁极铁心与磁级线圈装配为一体，经VPI浸渍处理。

3.2.2.3 磁极线圈

磁极线圈用扁铜线制成，并带有一定数量的散热匝，匝间垫好Nomex纸和玻璃坯布后热压成一体，磁极线圈与极身间用环氧玻璃布板夹适形材料填实，确保线圈紧固，磁极线圈上下端垫绝缘托板，磁极线圈与磁轭间用压缩弹簧，在弹簧较大的预紧力下固定磁极线圈，可靠地防止运行中由于热变形、机械冲击、电磁力矩等因素作用下可能出现的磁极松动现象。

极间撑块用锻制铝合金加工，粗加工后经无损探伤检查合格方可进行精加工。

磁极线圈的引出线通过轴上线夹把合引接到集电环上。

3.2.2.4 阻尼绕组[3]

考虑到轧机负载具有的特殊工况，同步电动机阻尼绕组的设计为全阻尼绕组。其结构为阻尼杆与阻尼环银铜焊连接，阻尼环间通过Ω连接片用螺栓及止动片予以短路，从而形成完整、可靠、两端闭合的全阻尼形绕组。这种结构分别实现电气连接和机械固定，结构成熟、连接与固定十分可靠。阻尼绕组通过打洋冲的方法固定在磁极铁心上，在阻尼绕组的两端通过银铜焊将阻尼环与阻尼绕组连成一体。

3.2.2.5 转子装配

(1)装配时，转子磁极螺栓的把合有严格的工艺措施作保证。

(2)阻尼条在运行过程受到三个力的作用：离心力、热膨胀应力、电机运行过程中突然加负荷的冲击力作用，因此阻尼条的固定特别重要。阻尼环间通过柔性联接和刚性联接，该结构允许阻尼条受热后轴向自由伸长，且能有效防止电机旋转产生的离心力和频繁正反转产生的切向力的作用。

(3)磁极之间用锻制铝合金加工的极间撑块支撑固定。极间撑块粗加工后进行无损探伤检查合格后，再进行精加工。撑块螺栓通过蝶形弹簧组给螺栓施加预紧力，防止运行中因热变形、机械冲击以及电磁作用等可能出现的磁极松动，使电机的整个磁极形成一个整体，阻止线圈的匝间绝缘产生相对位移而使绝缘受到损坏。

磁极线圈的引出线通过轴上线夹把合引接到集电环上。

(4)转子磁极挂装后，转子整体经精密静平衡校正。所有转子部件装配后整体经1.2倍最高转速运行考核2min而不产生有害变形。

3.2.3 轴承

3.2.3.1 轴承座由厚钢板焊接而成，所有焊缝采用CO2气体保护焊，轴承结构设计充分考虑了需承受电动机经常正反转、经常冲击过载和可能的非常事故的冲击。

电机轴承为球面调心滑动轴承，非传动端轴承设有止推装置(双向推力)，承受运行时来自轧机侧产生的轴向推力。液压阻尼轴承的原理就是利用液体的不可压缩特性来承受轴向推力，液压阻尼轴承允许轴向单边窜动量为3mm，而此时推力瓦和推力盘不发生机械接触。

为防止轴电流损坏轴瓦，在传动端加接地电刷，非传动端轴承绝缘。

轴瓦浇铸钨金后进行无损探伤检查，确保钨金与瓦坯贴合紧密，内外球面精加工后进行研刮修配。

高压油管技术要求：(1)油管全部采用铜管或高压软管；(2)油管90度及三通采用自制加工件连接；(3)焊接部分使用氩弧焊；(4) 外接软管用管卡固定；(5) 轴承座内高压油管不与转子的甩油盘碰触。

电机轴承采取以下防漏油措施(采用国外成熟技术)：(1)轴承座焊后退火处理以消除内应力，油箱经煤油渗漏检查，加工后再进行煤油渗漏检查；(2)轴瓦两端各有一道瓦封，以加强油密封；(3)油封内圆设多道迷宫(金属片组成)，轴上设断油槽，利用迷宫阻力及轴上断油槽防止漏油(该结构已成功运行多年)；(4)所有把合面涂密封胶；(5)总装工序进行高压油顶起试验，以检验轴顶起高度和顶起压力；(6)轴承上盖与轴承座间的把合面间设有回油沟。

3.2.3.2 轴承润滑

精轧电机机组共5个轴承均采用压力油带甩油盘复合润滑，并设高压油顶装置，采用高、低压润滑油站集中供油润滑冷却(高压油长期工作)。甩油盘的作用是当油站出现故障不能正常供油时，在一定时间内(20分钟左右)确保不会因为油站断油而烧毁轴瓦。

精轧电机机组配置一个稀油润滑油站(从专业厂家整体外购)。油站为整体式，上、下辊电机所有轴承及其第五轴承共用一套油站供油。油站的高、低压泵组为一用一备配置。油站为整体式结构。供油系统设有压力、流量显示与仪表监测和自动保护。我公司应保证润滑系统的完整性及与电机配套的可靠性；所有接口至轴承的法兰止，其余管件由业主供货。

油站的具体技术要求满足技术协议。

3.2.4 通风冷却系统

电机采用密闭循环强迫通风冷却，从冷却器出来的冷却空气由电机整体式风罩侧面两端的进风口进入电机，冷却定子绕组端部后分成两路，其中一路沿气隙及转子极间经定子铁心径向通风沟进入定子铁心背部空腔，另一路经转子轭径向通风孔、中空轴的通风孔、极间及定子径向通风沟进入定子铁心背部空腔。冷却电机后的所有热空气，由机座侧面的出风口进入冷却器，冷却后的空气又按上述路线循环。冷却器从专业厂家整体外购，届时向冷却器厂家提供订货图(图中含换热容量、风量、风压、风阻、接口尺寸等)。

机外设漏水检测装置，一旦出现漏水即可报警。

3.2.5 集电环及刷架

集电环/刷架布置在非传动端，其外壳防护等级IP23。转子绕组引线经由转轴表面与滑环连接。集电环罩上装有强迫风机(型号为L-06型离心通风机)，用以冷却集电环和刷架。

3.2.6 中间轴由优质钢锻造而成，两端均为整锻法兰，一端与机械侧接口连接，另一端与下电机法兰相连。中间轴布置在上电机的正下方，为了便于中间轴的检修，还专门设有检修中间轴的小车。

3.2.7 第五轴承

第五轴承主要用于支撑中间轴的重量，由于其布置于上电机的传动端轴承的正下方，为便于轴承的维护，第五轴承的轴承上盖沿径向分为左右两半，同时在上电机的传动端轴承底板的下方设有检修第五轴承的移动葫芦，可以很方便地将第五轴承吊开或翻瓦维护。

3.3 电机试验[4]

电机按照GB/T 1029《三相同步电动机试验方法》进行了试验，各项性能指标满足要求，试验结果与协议值对比见表2。

表2 电机试验值和协议值对比表

4 结语

该电机通过满足变频工况大容量同步电动机电磁计算、三段轴连接用螺栓强度及把合磁极用螺栓强度计算、大型旋转结构可靠性分析技术、承受频繁正反转冲击和大转矩、低转速的转子设计、低转速下集电环、电刷通风散热技术、承受大推力滑动轴承及高压油顶起装置及配套油站设计、定子的可靠性设计、制造和模态分析(承受频繁正反转冲击和变频器高次谐波及避免低速共振)等关键技术的实施，并且经过公司内各项试验，全面满足技术协议书的要求，现在已经在用户现场稳定运行，为我公司后续开发该类同步电动机奠定了基础，将会成为我公司新的经济增长点。