铸造吊主起升用绕线转子三相异步电动机设计

唐庆华

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)

0 引言

冶金铸造起重机是一种适应金属冶炼、轧制等热加工工况，直接用于冶金铸造生产工艺流程中的特种起重机。其中使用于钢(铁)水包升降和倾倒位置的电动机称为铸造吊主起升电动机。受现场高温及多金属粉尘环境的影响，变频调速控制系统不方便布置在主电机附近而只能安装在远端的控制室内，这样将使输电线路过长(通常都在200m 左右)。在逆变器与电机之间长电缆连接情况下，PWM 脉冲波电压经电缆传输在电机端子上产生反射，引起电机端子过电压，增加电机绕组的电压应力，缩短了绕组绝缘寿命。脉冲波在电缆上的传播速度为150 ～200m/μs，如果一个脉冲波从逆变器到电机端的传播时间超过上升时间的1/3，会在电机端子上产生一个两倍于直流侧电压的过电压［1］，这将导致du/dt 增强、变频器上电时的尖峰电流加剧，使变频电机绕组的绝缘系统过早失效。另外冶金铸造吊主起升电动机额定功率一般在300 ～500kW 左右，使用过程中如果要实现3.5 倍左右的过载能力则需要变频器的输出电流也需要足够大，这样将使配套变频器容量加大很多、整个调速控制系统造价昂贵。

而传统的转子回路串电阻调速的控制方式，通过在绕线转子电动机的转子回路中外串电阻就可以比较容易地获得最大转矩，同时起动电流还可以控制在2 倍额定电流附近，而且控制策略也相对简单、系统整体造价更经济。

基于以上因素，目前对于调速精度要求不高的冶金铸造吊系统，国内各制造厂商在进行主起升电动机的选型时也多数选取中型绕线转子三相异步电动机。

本文简要叙述了铸造吊起升用绕线转子三相异步电动机的设计与制造规范，并且希望通过各关键节点的控制，能够提供与冶金铸造吊主起升工况优良匹配的电机产品。

1 电磁设计

国内冶金铸造吊的吨位一般在240 ～520t 左右，其主起升机构的工作级别为M7。配套选用的绕线转子三相异步电动机(以下简称电机)的中心高范围一般在450 ～560mm，电机额定功率约300 ～600kW 左右，电机工作制为S3 60%(即工作制为S3，负载持续率60%，每一个工作周期为10min)，电机极数一般为8p 或者10p，防护等级IP54 以上，绝缘等级H 级，冷却方式通常为IC411。

下面从气隙选取、定转子槽配合、绕组设计、磁密、电密取值和最大转矩倍数等方面浅谈电机的电磁设计基本规范。

1.1 气隙δ 的选取

气隙δ 的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转轴长度。因为机座、端盖、铁心等在加工和装配时均会存在一定的偏差，而电机的转子外径和轴承间的距离均比较大而使转轴挠度增加。当电机装配完后，定子铁心内径和转子外径的不同心度决定了气隙的不均匀度，当气隙数值选取过小时，不均匀度会增加明显，对电机的运行性能有很大的影响［2］。而且当气隙过小时，除影响电机的机械可靠性外，还会使谐波磁场及谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，定转子内部空气流动不畅，进而造成较高温升和较大的噪声。在电磁设计时，中型绕线转子电动机气隙一般按1.4 ～1.6mm进行选取。

1.2 定转子槽配合及绕组设计

1.3 磁密、电密的选取

磁密的选取通常是以电机额定运行于磁化曲线的弯曲部分为原则。若磁密取值太高，则电机磁路会出现过饱和而性能难于保证;若磁密取值过低，则电机的铜铁用量增加，材料利用率差。根据经验积累，一般情况下电机的磁密大致按表1范围取值。

表1 电机磁密数值

对于过载能力要求高的电机，气隙磁密取较大值。电流密度的合理选取对电机的性能及成本也非常关键。取值过高，则导体截面积减小，有效材料利用率提高，电机成本降低，但是同时会导致电机损耗增大，效率降低，伴随着电机温升增高，绝缘材料老化速度加剧，电机的使用寿命和可靠性均降低。通常定子电流密度为3.5 ～5A/mm2，转子电流密度为3 ～4.5A/mm2。

1.4 最大转矩倍数

根据《GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用绕线转子三相异步电动机技术条件(机座号450 ～500)》4.6条的规定:“电动机在额定电压下，基准工作制时，最大转矩对额定转矩之比的保证值应不低2.8 倍。”［3］在实际设计过程中，考虑到铸造吊主起升特殊工况，一般最大转矩倍数按3.5 倍左右设计。

2 主要零部件的设计和制造

严格按照产品设计图样和工艺文件正确施工是保证电机制造质量和电机可靠性的关键因素之一。电机制造过程的关键质量控制点有铁心加工、成型线圈的绕制、带绕组定子铁心的整形、焊接和浸漆等。

铁心加工的关键是控制叠压系数和槽形整齐度，目的是提高铁心有效长度，使磁路饱和程度适宜，降低电机的电磁振动和噪声，同时便于嵌线。由于中型电机定转子冲片很少采用复工冲模制造，所以在加工过程中最主要保证措施是控制叠压胀胎的公差和表面粗糙度，减少冲片的表面毛刺，同时在叠压过程中利用槽样棒梳理整齐槽形。定子铁心采用外压装工艺，定子冲片外圆均布18 个扣片，压紧后扣片两端焊接牢固。

定子绕组和转子绕组均为成型绕组，加工过程必须严格按照工艺文件实施。定子成型绕组线圈尺寸按文献［4］第四章第一部分“定子硬绕组线圈计算”中的公式进行计算，要特别注意线圈鼻端的抬高尺寸、线圈的跨距、线圈间隙合理，以保证线圈尺寸合理，嵌入铁心后与槽形贴合顺畅，绕组整体美观。线圈按规定进行绝缘处理线圈成型后按3 000V 进行耐电压冲击试验，历时1min，冲击5 次。

定子绕组在嵌线过程中用绑扎带将第个线圈的两个元件边分别收紧打箍，带绕组定子铁心整形焊接完后，3 个引线导流环先用亚胺带半叠包4 层，再用涤纶带半叠包1 层。3 个导流环之间保持适当的距离，环与环之间沿圆周等距离用绑扎带收紧，待浸漆固化后形成互相支撑，提高耐电磁拉力冲击的能力。如图1 所示。

图1 定子绕组局部图

考虑到转子的开路电压问题，每槽导体一般按一匝布置，采用紫铜条弯制，经模具压制一端预先成型，除了首尾两端外再在导体表面包裹好绝缘材料(用环氧少胶粉云母带半叠包1 层，再用亚胺胶粘带半叠包2 层)，线圈成型后按4 000V 进行耐电压冲击试验，历时1min。嵌线时由槽的两端分别插入上下层转子线圈，最后通过并头套将同一槽的上下层端部联接，通过中线环将星点连接一体，3 根扁铜引线穿过转子挡尘板与集电环相连形成回路。

在焊接定子绕组头尾端和转子并头套时，一般采用氧焊，过程中要特别注意保护绕组的绝缘，减少焊接高温对绝缘的损伤。如图2 所示，通过使用湿润的石棉绳或者瓦楞纸从距离绕组焊接点约30mm 处进行间隔，可以很好地起到保护绝缘的作用。并头套焊接完成后，外部再用内衬NHN复合箔的硅胶绝缘套管套牢。

图2 并头套焊接

绕组焊接完后，按工艺文件要求进行VPI 真空压力浸漆工序，带绕组定子铁心和转子均需浸漆两次。经VPI 工艺处理后，绕组之间的空气隙得到有效填充，无气泡，绝缘性能好、增加绕组的机械和电气强度、解决运行过程的松动现象、防止短路等绝缘故障、提高防潮能力、延长电机使用寿命。另外对于端盖加工，必须严格控制轴承室与端盖止口的形位公差，避免超差带来电机装配不良，轴承受力不均而导致电机机械振动和机械噪声加剧，轴承发热增高，寿命受损。

轴承建议采用3 轴承结构，驱动端为圆柱滚子轴承和深沟球轴承的组合(装配时深沟球轴承靠内侧，圆柱滚子轴承靠驱动端一侧)，非驱动端为深沟球轴承。轴承振动等级代号为Z1，径向游隙为3 组。轴承在转轴上安装位的公差一般为k6，采用热套安装。

集电环和碳刷的选择则需要根据电机转速和转子电流选择合适的材料。集电环铜环材料一般为冷拉锡青铜，绝缘材料为酚醛玻璃纤维压塑料，集电环压制成型后应进行铜环相间及对地绝缘面耐电压试验，试验电压为4 000V，历时1min。碳刷则需要选择电阻系数较小、允许电流密度大的电化石墨材料。碳刷导流板采用黄铜制造，刷盒推荐选择铸铜件。刷握装置通过止口定位，安装在高端盖上面，如图3 所示。电机在通电运转前，碳刷需要用细砂纸研磨充分，以保证其圆弧部分有2/3 以上与集电环充分接触，导电良好。

图3 刷握安装

3 电动机的保护措施

由于冶金铸造吊的特殊作业工况，电机一旦发生运转故障，轻则破坏整个设备的正常工作造成停产停工;重则发生人身伤害导致严重的安全事故，所以对电动机的运行安全性和使用可靠性均提出了更高的要求。在平常的设计制造过程中，根据保护部位的不同，主要进行以下几种保护措施的处理。

3.1 过热保护

绕组是电机的核心部件，在实际使用过程中由于超载使用产生的过电流冲击或者工作频次超过设计工作制的要求，将会导致电机温升过高，绝缘加速老化和破坏，最终导致电机寿命受损。因此预防电机绕组过热，增加过热保护措施是很有必要的。

在中大型电机的制造中，一般是通过埋置Pt100 铂热电阻来实现电机绕组的过热保护功能。通过与智能型温度控制仪配合使用可直接显示电机的绕组的实际工作温度。它的埋置位置在电机定子绕组的出线端，每台电机共6 支(每相各两支，一用一备)。

另外为防止电机长时间停机，温差变化较大或湿热环境下绕组上有冷凝水形成，在定子绕组端部绑扎防潮加热带，利用它对电机进行预热去潮，使电机绕组的温度始终高于环境温度5℃，从而避免了电机线圈绕组因潮湿结露，不会因绝缘性能下降而导致电气故障，保证了电机在潮湿环境中仍能正常运行。

Pt100 铂热电阻和防潮加热带在安装过程中都要注意避免敲击，以免破坏感应元件而导致温度保护失效。当安装并绑扎好后与电机绕组一起浸漆。

轴承过热保护也是通过Pt100 铂热电阻来实现的。安装时要注意保证铂热电阻传感器的端头与轴承外圈直接充分接触。如果轴承室上的安装孔没有贯通，铂热电阻与轴承外圈若没有直接接触，温度显示的真实性会大打折扣。

3.2 电动机超速保护

在冶金铸造吊的运转过程中，由于设备故障或者调速装置失灵可能导致负荷的突然降低或解除，这些均会导致电机的转速失控，大幅度超过额定转速，这种现象叫做电机的“飞车”。通过在电机上加装超速开关，可以很好地起到保护作用，预防“飞车”的产生。

超速开关与电机通过止口固定，轴与轴之间通过弹性联轴器传递扭矩，在安装联接时必须保证机械安装要求，保证超速开关小轴与电机转轴连接的同心度和连接可靠，电机转轴的径向圆跳动公差一般控制在10 丝以内。超速开关基本参数见表2。

表2 超速开关基本参数

4 结语

我公司曾先后为国内冶金铸造起重机龙头生产企业设计和制造冶金铸造吊主起升专用绕线转子三相异步电动机，电机中心高从450 ～500mm，额定功率从300 ～500kW，电机极数为8p 或10p，产品自投入使用至今一直运行良好，用户满意度高。由此可见，此设计的方案切实可行，值得推荐。

［1］ 万健如，林志强，禹华军.电缆长度对PWM 逆变器驱动电机端电压的影响，电力电子技术，2001.12.

［2］ 陈世坤.电机设计(第2 版).北京:机械工业出版社，1990.

［3］ GB/T 30143—2013 YZR 系列起重及冶金用绕线转子三相异步电动机技术条件(机座号450 ～500).

［4］ 湘潭电机厂.交流电机设计手册.长沙:湖南人民出版社，1978.