输油管线用电动机主要设计特点

袁登攀

(1.上海交通大学，上海 200240;2.上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着国内输油管线泵机组所需电动机容量不断提升，要求电动机的功率已增加至2500 kW，极数为2极，封闭式异步电动机。输油管线通常地处偏僻的荒郊野外，压力循环油和循环水很难提供。因此，要求电动机润滑方式为滑动轴承自润滑是此类电动机的主要特点，可以节省油站及其配套的控制、防爆等方面的要求，冷却方式为空－空冷。为满足轴承自润滑要求，可以采用特殊设计的轴承。但这样既增加了成本，又要求较长的交货期，这对于目前输油管线用电动机仅有3个月的交货期，以及非常低的价格成本是不相符合的。因此，下面主要是讲述在使用标准轴承的前提下，为满足轴承自润滑要求，结合普通强迫润滑电动机的设计、制造经验，经过计算分析，对2500 kW高速自润滑电动机实施方案所提出的几个措施。

1 转子设计

轴承的温升与轴承产生的摩擦损耗成正比关系，其中轴承摩擦损耗与轴颈载荷成正比关系。同一轴承结构在相同的转速条件下，转子越重，轴承档载荷越重，旋转所产生的摩擦损耗将越多，会有更多的热量需要轴承依靠自身散热结构冷却，这会给轴承冷却带来很大困难。为满足轴承自润滑的要求，降低转子重量，减少摩擦损耗，是满足轴承自润滑的重要措施之一。例如，普通H500－2电动机转子冲片三圆尺寸为φ515/505/280。根据电磁计算结果，转子较重，摩擦损耗较大，无法满足自润滑要求。为了降低转子重量，在普通方案基础上缩小定子内径和转子外径，拟定三圆尺寸为φ455/445/240，转子采用挠性设计。经计算，铁心长度相同，转子较轻，可以满足自润滑要求。两种方案对比见表1。

表1 两种方案转子重和单边磁拉力对比 kg

特殊设计的方案，增加了定子轭部高度。因此，定子槽型可以设计为深槽结构，相同铁心长度情况下，电动机功率也可以到2500 kW。另外，因转子比普通转子细，挠度会增加，可以适当增大气隙以降低挠度与气隙的比值，经计算挠度小于气隙值的4%，满足要求。

2 内部风路设计

两端轴承内部均与电动机内风路循环风直接接触。若电动机内部直接与轴承接触的是冷风而不是热风，将对轴承自润滑有很大好处。因此，内部设计采用对称双循环冷却结构，由冷却器进入机座内的冷风正好吹至轴承内测，有利于降低轴承温度，见图1。内风路若为单循环混合通风，将会有一端轴承内侧直接与热风相接触，对轴承散热不利。此外，轴承内侧增加一道挡油圈，既可以减少风扇后端负压造成轴承油雾进入电机里面，又可以减少内部风温对轴承温度的影响。

图1 电动机冷却风路图

3 冷却器设计

3.1 冷却管设计

自润滑电动机为了满足轴承自润滑要求，通常会将转子设计得较轻。因此，转子部分无论是导条或是铁心，热负荷参数会取得较高，并且要求由冷却器回到电动机的冷风温度尽可能低。这就要求冷却器有比较好的散热能力。其中一种方式为改变冷却管结构，如:采用椭圆管，既可以增加冷却面积，又可以降低风阻，有利于冷却，见图2。

3.2 外部冷却风路设计

对空空冷却的电动机，最高环境温度按40℃考虑。通常情况下，内风路冷却风经冷却器后进入电动机的冷风温度不允许超过60℃，那么外风路冷却风最高温度约为50℃。对大容量高转速自润滑电动机而言，轴瓦温度往往会升高至八十多度(注:报警90℃，停机95℃)。考虑到轴瓦与轴承座之间的温差约10℃，因此，将外风路冷却风引致轴伸端用于冷却轴伸端轴承，可以增加此处空气流动，对轴承冷却有较大好处，见图1。

图2 冷却管形状对比

4 轴承及润滑油选择

4.1 轴承结构选择

通常端盖式滑动轴承分两种型式，法兰偏置式(图3)和法兰居中式(图4)。对于相同规格的滑动轴承而言，法兰偏置式轴承整个油室都在电动机外部，润滑油的热量直接通过轴承座表面散热筋将热量传递出去，而法兰居中式滑动轴承油室有一半在电机外部，另一半在电动机内部，电动机内部温度相对较高，不利于轴承散热。此外，对于同一轴承座号的两种轴承而言，法兰偏置式外部散热表面积大，如11号瓦座轴承，法兰偏置式比法兰居中式轴承座外露部分体积大，对比值见表2，较大的储油体积和散热面积将有利于轴承散热。法兰偏置式轴承油室较大，并且外部冷却散热筋较多，对自润滑轴承靠内部油环带动油冷却转轴和轴承的电动机而言，选择法兰偏置式轴承散热效果将优于法兰居中式轴承。

图3 法兰偏置式滑动轴承

表2 法兰偏置式和法兰居中式轴承油室尺寸对比 mm

4.2 润滑油的选择

在可以形成油膜的情况下，轴承摩擦损耗与润滑油粘度成正比例关系。通常情况下，滑动轴承结构2极电动机，压力油供油情况下，经常采用32号汽轮机油。润滑油的牌号越高，运动粘度将越大，对高转速轴承而言，在转轴和轴承间会产生较大的摩擦损耗。对2500 kW自润滑2极电动机而言，选择22号汽轮机油，将会减少轴旋转产生的损耗，进而降低轴承温度。经过计算，在两种润滑油润滑的情况下，轴承温度值相差近4℃，见表3。

表3 轴瓦温度计算值对比 ℃

4.3 绝缘结构选择

对于采用压力油循环供油的电动机而言，轴旋转所产生的热量直接由外部循环油带走。在轴承座与轴瓦之间增加一层0.5 mm厚聚四氟乙烯绝缘层，对轴承温度影响较小，通常在2～3℃。但对于自润滑轴承而言，如果增加一层绝缘，将直接影响轴瓦和轴承座间热量传递，对轴承散热有很大影响。如上例中2500 kW电动机，经计算，轴承若采用绝缘轴承将无法满足自润滑要求。如果是变频器供电或是电动机需采取防止轴电流措施，可以在端盖处采取绝缘措施。

4.4 轴承档加工精度要求

轴承所产生的热量主要是由轴旋转过程中产生的摩擦损耗。对于压力油循环冷却的轴承，轴承档表面粗糙度通常在0.63～0.8之间均可满足要求。但对自润滑轴承轴承档表面粗糙度应达到0.4，较高的加工精度可以减少轴旋转产生的摩擦损耗，降低轴承温度。

5 结语

随着输油管线项目的国产化，对此类高转速自润滑电动机的需求将越来越多。根据日常电机设计经验，分析了满足高速自润滑轴承要求的几种设计要点，希望对有设计此类要求电动机的设计提供一些经验。