27 MW高炉风机用同步电动机转子设计与计算.pdf

高炉风机用同步电动机转子设计与计算阚 旭陈建国张振禹(哈尔滨电气动力装备有限公司哈尔滨)摘 要:对 高炉风机用同步电动机的转子设计和计算进行了全面的介绍主要介绍了轴和极靴结构、转子引线结构并计算了转子各部分的刚强度 通过认真研究和自主创新熟悉并掌握了此类电机转子的设计和分析技术为同类型电机的转子设计提供了一些有益的参考关键词:转子结构极靴引线中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言 高炉风机用同步电动机具有转速高、转矩大惯量大等特点其负载设备为高炉风机 该电机为凸极同步电机采用变频启动、工频运行的方式 电机励磁方式为无刷励磁由励磁电源给励磁机供电通过整流将交流电变为直流电向主机提供励磁电流 转子部件的机械性能、制造质量是整个电机是否能安全、平稳运行的主要因素 因此转子机械部分在整个电机设计中就显得尤为重要 本文主要介绍转子的结构设计和强度计算 电机基本参数以及转子的有关参数电机功率:额定电压:转速:/频率:功率因数:.绝缘等级:定子接法:励磁方式:无刷励磁冷却方式:极数:工作制:转子结构设计在初始设计时根据用户要求电机转子采用凸极结构、无刷励磁即不依靠碳刷滑环等部件而是设计与研究上海大中型电机.由与转子同轴的发电机对主电机进行励磁的结构形式 在设计冷却方案时有两种方案可以考虑:一是电机冷却器上安装风机即 的形式另一个是在电机转子上安装风扇的形式即 考虑到该电机转速为 /且转子直径较大根据以往项目经验以及计算结论在电机转子上安装轴流式风扇能提供足够的风量所以最终选择了在电机转子上安装轴流式风扇结构的形式此结构虽然增加了设计和安装调试上的难度但简化了冷却器的结构减少故障点可节约项目的后期维护成本按照凸极转子、无刷励磁、轴流式风扇的设计理念转子主要由轴、极靴、极靴与轴的连接螺栓、磁极线圈、转子引线装配(即导电杆)、风扇装配(包括风扇及风扇座圈)等组成 由于高炉风机电机转速高转子外径大所以需特别注意离心力对转子各个部件的影响 另外设计时轴系要尽量短以提高电机的临界转速使之远离电机额定转速 转子结构图见图图 转子结构简图.轴、极靴和把合螺栓为满足设计要求减少离心力的影响转子采用实心磁极结构并且轴和极身锻造成一个整体 与常规同步电动机磁极处采用的鸽尾或 尾结构相比与轴一体化的极身可以极大地增加磁极与轴连接处的强度 当磁极线圈套入极身后再将极靴扣在磁极线圈上并用高强度螺栓将极靴固定在极身上以此确保整体的可靠性考虑到极身需要导磁所以轴锻件磁性能应符合以下要求:./则./则./则./则./则./则.其中 为磁场强度 为磁感应强度极靴锻件、极靴把合螺栓的磁性能要求与之相同根据相关标准及以往设计经验轴、极靴、极靴把合螺栓均选用 材质的合金钢 该材质合金钢是汽轮发电机轴常用材料 锻件材质经过调质其屈服强度可以达到 以上且满足导磁性能要求 极靴用螺栓把合在极身上时须确保施加足够的预紧力以及采取必要的防松措施 为避免出现第二气隙需要对极靴与极身进行研配确保极靴与极身接触良好为保证安全运行对电机的转轴、极靴及把合螺栓的强度均进行了强度核算 经计算极靴的最大应力出现在 /时极靴的圆角处为 用屈服极限考核安全系数.因此是安全的螺栓的最大应力出现在 /时螺帽的圆角处为 为局部最大应力用屈服极限考核安全系数.螺栓的平均应力为 左右用屈服极限考核安全系数.因此是安全的从有限元计算看转轴上的应力远低于极靴、螺钉的应力所以是安全的(见图、图)图 极靴应力图.高炉风机用同步电动机转子设计与计算设计与研究图 螺栓应力图.磁极和转子引线磁极线圈材料选用硬铜带 材料导电性能好强度高可焊性也好 磁极线圈采用四角焊结构即每匝磁极线圈采用四根铜带银焊连接到一起与绕制的磁极线圈相比这种结构在不降低性能的前提下省去了线圈模具的成本且易于制造可有效缩短产品制造周期 线圈有普通匝和散热匝散热匝可以有效降低转子绕组的温升 磁极线圈带匝间绝缘、极身绝缘其材料均采用 级绝缘材料其中线圈的匝间绝缘采用两层 厚上胶 纸极身绝缘采用 纸粘贴在线圈内框和上下平面 装配时先安装下绝缘托板而后将磁极线圈套入与转轴锻成一体的极身在磁极线圈和极身之间预先设置好中温上胶固化涤纶毡 线圈安装好之后再安装上绝缘托板 需要注意的是上绝缘托板的厚度与磁极线圈的高度及下绝缘托板之和应高于极身的高度而后根据极身实际高度对上托板厚度进行实配确保极靴能压紧磁极线圈且极靴不能与极身有缝 磁极、极靴等安装完成后入加热炉烘干填充在线圈与极身之间的中温上胶固化涤纶毡在加热烘干后会有效定型可使磁极线圈与转轴极身固化成为一体增强其机械上的稳定性通常同步电动机的转子引线有安装在轴表面的(多见于低速电机)也有在转轴中心开孔并将引线安装在孔中的形式(多见于高速电机)本项目转子引线安装在转轴中为进一步增强引线强度采用了导电杆结构 电机轴中心非传动端加工有不贯穿的中心孔并在靠近磁极铁心附近处的转轴径向开孔与轴向孔打通在孔中设绝缘管用于给导电杆绝缘 轴向的导电杆分两半均带有螺孔安装时将导电杆插入轴的中心孔内的绝缘管内同时在两半导电杆之间垫绝缘板 两根径向导电杆两端带有外螺纹插入径向孔中之后分别把合在两个轴向的导电杆上电机磁极线圈引线开有通孔将引线套入径向的导电杆上再用螺母压紧确保安装可靠 通过对导电杆进行强度计算显示 /超速时引线螺钉的最大应力为 按屈服强度考核安全系数为 因此是安全的(见图)安装完成后向轴孔内灌注绝缘胶使其固化成一体导电杆引出端最终与励磁机引线连接图 引线螺钉应力图磁极之间引线连接后需固定安装在转轴上的高强度螺栓上 通过对引线进行强度计算显示磁极引线的最大应力出现在超速情况下为 按材料抗拉强度考核安全系数.因此是安全的(见图)图 磁极引线应力图.风扇风扇由风扇叶片和风扇座圈两部分构成 选择合适的风叶角度使之能满足风量、风压的要求并对风叶强度进行计算 风扇叶片选用高强度铝合金材料其屈服强度 计算显示风扇叶片的最大应力出现在叶片的螺孔处最大应力为 经考核安全系数为.因此是安全的(见图)(下转第 页)设计与研究上海大中型电机.图 组态控制界面图 结论本文以永磁转子装配车间温度控制系统为研究对象应用 和组态软件的结合来实现对永磁转子装配车间温度的自动控制系统设计 采用西门子 和 完成了永磁转子装配车间温度控制系统的功能设计、控制程序编写、系统运行、在线调试、监控界面设计与运行等功能为同类型产品系统温度控制设计提供了一定的参考参考文献 唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社.王瀚泽位长飞张飞.基于 和 的智能双开门电梯的控制系统设计.中国电梯():.郭树青岳玲玲田金鑫等.西门子 与 的 通信.设备管理与维修():.胡汉才.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社.向晓汉刘摇摇李霞等.编程从入门到精通.北京:化学工业出版社.李红萍.工控组态技术及应用:组态王(第三版).西安:西安电子科技大学出版社.作者简介:张飞女沈阳工学院信息与控制学院副教授研究方向为永磁电机设计及电气控制(上接第 页)风扇座圈采用锻钢材料其屈服强度 由于转子轴区域不适合加平衡块为了满足电机的动平衡需求在风扇座圈上加工了环槽以及螺孔这样在后期电机进行平衡实验时可以在风扇座圈处加平衡块图 风扇叶片应力图风扇座圈内孔与轴为过盈配合装配时需热套而后将风扇叶片通过高强度螺栓把合在风扇座圈上螺栓用锁片锁住止动 对风扇座圈进行强度分析计算显示风扇座圈的最大应力出现在把合孔处为 经考核安全系数为.因此是安全的(见图)图 风扇座圈应力图 结论 同步电机转子的设计与制造是我公司大功率、高转速、实心磁极电机转子的一次综合创新在结构设计、强度计算等方面也为同类型电机转子提供了一些的有益的参考参考文献 陈世坤.电机设计.北京:机械工业出版社.作者简介:阚旭男 年生毕业于沈阳工业大学机械设计制造及其自动化专业现从事电机的设计与开发工作.永磁转子装配车间温度控制系统设计设计与研究