TDBS 5300-20交流调速同步电动机设计特点

马轶洋

(上海电气集团上海电机厂有限公司， 上海 200240)

TDBS 5300-20交流调速同步电动机设计特点

马轶洋

(上海电气集团上海电机厂有限公司， 上海 200240)

针对淮南矿业(集团)公司顾桥矿主井使用的某公司生产的2台交流调速同步电动机电机(TDBS 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)在实际使用中存在的定子温升高、定子线圈及转子磁极松动等问题，指出了其设计及制造中的不足点。详细介绍了本公司更改设计后的电机设计及结构特点，结合制造、工厂试验及现场实际使用情况，说明了改造效果，同时阐述了设计该类电机时需要注意的地方。

交流调速同步电动机；矿井提升系统；温升；改造

0 引言

淮南矿业(集团)公司顾桥矿主井提升系统使用2台中信重工生产的JKMD-5×4(Ⅲ)型多绳摩擦式提升机，配套2台国内某电机厂生产的交流调速同步电动机(TBP 5300-20/3250 5 300 kW、49.7 r/min、1 500 V)(电机图片见图1)。设备于2006年投入运行，但电机在使用过程中，出现以下问题：1)电机定子线圈出现松动，线圈直线部分与嵌线槽产生摩擦，对地绝缘损坏，电机振动及噪声变大；2)转子中部分磁极松动，造成阻尼环连接片断裂；3)电机温升偏高。在提升为32 t(最大提升33 t)时，电机定子温度可到130℃，严重影响生产。顾桥矿2010年向原制造厂订购了一台备机，但交货后仍存在电机定子温度高的问题。为此，用户转而向我公司订货，要求生产2台同规格电机，替换存在问题的电机。

图1 5 300 kW 0～49.7 r/min电机图片

1 原电机的规格和型式(原电机外形图见图2)

电机容量：5 300 kW；极数：20极；电压：1 500 V；转速：0～49.7 r/min；频率：0～8.28 Hz；功率因数：cosφ=1；绝缘：F级(B级考核)；电机过载能力：电动机短时过电流为2倍额定电流,时间80 s,在周期内等效负荷不超过电机额定负荷；效率的保证值为95%；冷却方式：电机主体采用半管道强制风冷却(IC 37)；安装形式：电机为锥套式无轴和轴承(IM 5710)；防护等级 ：IP 44；定子主出线6根,由电机底部引出；定子绕组埋置9个“Pt-100”测温元件,其引出线置于专用出线盒内；电机转子采用全阻尼绕组结构以改善电机的动态特性和谐波影响；电机负载端装有接地电刷；电机可做双向旋转运行，工作方式S8。

2 原电机问题分析

在查看了原制造厂随机图纸及在现场观察电机运行后，判断电机设计参数取值偏大，造成电机温升较高。现场风路漏风严重，加剧了这一现象。而结构及制造上的一些缺陷，又造成了定子线圈和转子磁极出现松动的状况。

图2 原电机外形图

1) 定子端部绑扎采用了软端箍形式，端箍无支架(原电机定子端部绑扎见图3)。在定子线圈与槽型配合不紧密产生松动的情况下对线圈轴向窜动的固定作用不大。

2) 定子线圈松动及绝缘迅速老化主要是制造上的缺陷所致。

3) 转子中磁轭外圆为圆形，与线圈接触的部位没有放置垫板，使磁极线圈与磁轭未完全贴合。磁极固定仅用一个螺母加止动垫圈，防松作用没有双螺母效果好。在频繁正反转的情况下，容易产生松动(线圈下无垫板见图4、单螺母加止动垫圈见图5)。

图3 原电机定子端部绑扎

图4 线圈下无垫板

图5 单螺母加止动垫圈

以上是原电机主要几处有待改进的地方，而我公司在这几处均采用了更加可靠的结构形式避免同类问题的发生。

3 改造方案确定及技术难点

因为原电机设计参数取值偏高，在备机制作时必须适当降低，使之在合理范围内。这势必要改变电机尺寸。而用户要求改造周期短、电机安装尺寸和通风形式位置不变，这就给方案的确定带来很大的难度。

3.1 用户要求新电机改进的地方

1) 定子温升要求尽管国家标准B级考核，定子温升允许为85 K。但用户从设备长期安全运行角度出发，要求定子计算温升必须小于60 K。

2) 为减小改造电机对提升系统的影响，要求电机转子不得超过36 t，转动惯量J≤42 000 kg·m2。

3) 考虑平时维护方便，集电环罩需由安装在后端盖上改为独立结构。

4) 增加防潮加热器。

5) 电机安装尺寸、通风形式、风管位置，均需按原电机。

3.2 电磁方案确定

根据用户提供的原电机相关资料，定子冲片外径：3 250 mm，内径：2 780 mm，铁心长：1 056 mm，槽数：192，槽高：120 mm，槽宽：21.5 mm，定子线规:6-3.55×5.3，铭牌上励磁电压：236 V 、励磁电压：581 A。用我公司公式计算，定子温升约在117 K，线负荷：1 176 A/cm，电流密度：4.88 A/mm2，热负荷：5 741。几个数值相对都是较高的，这是造成定子温升高的主要原因。在找到问题关键点后，经过反复演算比较，如果按原电机铁心尺寸及槽型，是不能满足温升要求的，只有新开定、转子冲片。最终新方案确定如下，定子冲片外径：3 250 mm、内径：2 780 mm、铁心长：1 152 mm、槽数：192、槽高：128 mm、槽宽：21.5 mm、定子线规:9-3.35×5.6。此时，定子温升约在60 K，线负荷：1 169 A/cm，电流密度：3.24 A/mm2，热负荷：3 791，励磁电压：236 V 、励磁电压：581 A，从理论计算上满足了要求。

3.3 电机外形尺寸确定(更新电机的外形图见图6)

根据外形图及现场勘察结果，电机冷却方式为半管道形式，冷却风由电机非负载端引入电机底部的风室，分别从前、后端盖进入电机内部，大部分由电机中间出风管引出，还有一部分进入集电环罩由集电环罩底部出风管引出。但从现场实际效果来看，大部分冷却风在非负载端进入电机内部和集电环罩，只有小部分从前端进入电机，且非负载端由于安装问题，漏风严重，这对电机冷却造成了一定影响。新电机设计时，由于电机铁心比原电机放长96 mm,而中心线同原电机，为满足改进要求，在不影响冷却效果的前提下，前端盖轴向缩短了40 mm，后端盖轴向缩短了240 mm。集电环防护罩为独立结构，考虑到集电环发热量较小，取消原来的出风管，采用了自然通风方式，防护等级IP23，安装于原集电环防护罩位置。经过以上调整，电机安装尺寸也完全满足改造要求。

4 电机主要结构特点

1) 定子铁心

由于定子新开冲片外径为3 250 mm，为保证定子能放进4.8 m浸漆罐中，定子铁心采用了外压装结构形式。用过渡铁心支架叠装冲片。为防止铁心在运行时由于过负荷产生转动，铁心压装固定后，沿径、 轴向用固定块将螺杆与支架壁焊接固定。

同时

图6 更新电机的外形图

也将铁心外圆与筋板焊牢，使铁心充分固定。嵌入槽内的线圈端部绑扎于带支架的端箍上，VPI处理后将铁心套入机座焊为一体，机座外罩板再最后焊接于机座上。定子绕组采用单绕组。

2) 定子绕组接线分别位于铁心两端，便于下线与连接。引出线6根,由电机底部引出；

3) 定子绕组埋置9个“Pt-100”测温元件,其引出线置于专用出线盒内；

4) 转子磁轭电机与提升机采用锥套式联接，由于磁轭与主轴过盈量δ=1要较以往产品δ=0.6～0.7大很多。对于此类配合，一般情况下采用整体锻件(上电磁轭结构图见图7)。但原电机转子磁轭由于外筒体与内锥套空间距离较大，采用的是同直流机一样的幅板与锥套焊接结构(原电机磁轭结构图见图8)。该结构优点在于质量较整体结构轻2～3 t，同时外筒体可采用铸件或厚钢板材料，降低材料成本，缺点是焊缝质量要求高。因为对转子有质量限制，应此磁轭结构仍同原电机，外筒体采用了焊接性能较好的铸钢ZG230-450H ，中间幅板采用厚钢板，内锥套采用锻钢件件15MnMoV，同时在磁轭外筒体两个磁极中间位置增加通风孔，加强磁极线圈散热能力；

图7 上电磁轭结构图

图8 原电机磁轭结构图

5) 磁极绕组为带散热匝的磁极线圈串联而成，有利于提高绕组的散热效果，降低转子温升；

6) 磁极与磁轭采用螺杆加双螺母形式固定，为使电机运行可靠，磁轭上开一与极身等宽的凹槽；同时将叠好的磁极铁心底面进行加工，保证两者紧密配合；

7) 电机采用有刷励磁方式，而主机轴不伸出磁轭，因此电机集电环通过装与磁轭上的过渡圆环固定，刷架装在独立的防护罩内壁上；

8) 电机前、后端盖设计为分半结构，并设置带观察窗的小门，方便平时的检修。

5 提升电机设计注意要点

矿井提升电机作为提升系统重要的组成部分，在矿山生产中承担着无可替代的重要作用。尽管电机过载要求较钢厂电机小，电气性能要求不高，但电机单次提升的间歇时间越来越短，电机始终在不停地正、反转运行。同时电机供电电源为变频电源，存在交变的短时峰值电压及谐波干扰。这些不利因素对电机设计及制造提出了较高要求，电机所采用的结构必须成熟、可靠。要充分考虑零、部件机械强度，定、转子计算温升需要要控制在一个较低的水平。这次顾桥矿原电机所出现的问题也警醒着我们，要时刻注意，针对电机使用场合合理设计，精心生产，才能向客户提供优质的产品。