TAW2000-18增安型无刷励磁同步电动机的研制

董　存

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



TAW2000-18增安型无刷励磁同步电动机的研制

董存

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

以研发TAW2000-18同步电动机为例，介绍了增安型无刷励磁同步电动机的设计要点，对电磁设计、tE时间计算、绝缘系统、吹扫装置等关键点进行了阐述，同时通过试验数据的验证，进一步对该系列电机进行改进。

增安型；同步电动机；tE时间

0　引言

在爆炸性气体环境中使用的电气设备具有防止引燃爆炸的特殊性能要求，以防止因电气设备的原因造成爆炸性安全事故。所谓爆炸性气体环境是指具有爆炸性气体混合物的环境，石油、化工等企业均存在爆炸性气体的混合物的可能。因此，在这些工厂企业某些场合所使用的电气设备均应具有防爆性能的要求。增安型电气设备作为最重要和最常见的一种防爆形式，尤其对电动机而言，获得了越来越广泛的应用。本次项目即为某化工单位生产制造的增安型同步电动机，具体规格如下：

型号： TAW2000-18

额定功率： 2 000 kW

额定电压： 6 000 V

额定电流： 223 A

额定频率： 50 Hz

额定转速： 333.3 r/min

堵转转矩/额定转矩≥0.6

牵入转矩/额定转矩≥1.0

失步转矩/额定转矩≥1.8

堵转电流/额定电流≤6.5

功率因数： 0.9(越前)

绝缘等级： F级(B级考核)

电动机飞轮力矩： 20 t·m2

防爆级别： Ex e ⅡC T3 Gc

1　电磁设计

增安型防爆电机的主要特点有两个：一是需要在正常或允许过载的条件下不会产生电弧、火花或点燃爆炸性气体混合物的危险温度，以避免产生爆炸安全事故；二是tE时间应不小于当专职堵转时热过载保护装置能够切断电动机电源所需要的时间。而所谓tE时间就是当电动机发生堵转时，其发热部件(主要是定、转子绕组)的温度上升至最低危险温度的时间，如果电动机的tE时间大于图1中按电流比IA/IN确定的tE时间最小值，则一般可以满足上述要求。

图1　电动机tE时间的最小值与启动电流比IA/IN

要做到以上两点，必须采用特殊电磁设计。增安型同步电动机的电磁设计必须保证电动机任何部位的温度都不能达到与其接触的爆炸性气体混合物的最低点燃温度。不同环境温度组别对应的最高温度限制见表1。

表1　Ⅱ电气设备最高表面温度分组　℃

这就要求在进行电磁设计时充分考虑每一个局部发热点。为保证可靠性，与普通同步机相比，增安型同步电动机的电磁负荷相应降低1～2档功率。经多个方案对比，初步电磁设计相关计算参数如下。

定子冲片外径：φ2 600 mm

定子铁心长： 370 mm

定子计算温升： 25 K

转子计算温升： 48.7 K

堵转转矩/额定转矩： 0.7

牵入转矩/额定转矩： 1.43

失步转矩/额定转矩： 2.0

堵转电流/额定电流： 6.0

效率： 95.8%

上述方案考虑借用原有中胶系统冲片结构，从而使电动机定子温升余量很大。但此方案节约了冲片模具费用，提高了电动机的经济型。

确定初步方案后，对其进行tE时间的验算。

1) 定子绕组的tE时间可按下式计算：

式中：tE1为定子绕组的tE时间，s；θ1为tE时间内的允许温升，K，其值等于定子绕组的极限温升减去电动机额定运行时定子绕组的稳定温升；α为材料的计算常数，对铜绕组为0.006 5；j为启动电流密度，A/mm2；b1为定子绕组的散热系数，取b1=0.85；环境温度为40 ℃。

所以本项目定子绕组

2) 启动笼tE时间按下式计算：

式中：tE2为启动笼的tE时间，s；θ2为tE时间内的允许温升，K，其值等于启动笼的极限温升减去电动机额定运行时启动笼的稳定温升(当励磁绕组的稳定温升高于定子绕组的稳定温升时，则启动笼的稳定温升取励磁绕组的稳定温升，当励磁绕组的稳定温升低于定子绕组的稳定温升时，启动笼的稳定温升取两者的平均值)；C为系数，黄铜：0.38kW·S/(kg·℃)；G为启动笼质量，kg；Tst为堵转转矩，N·m；TN为额定转矩，N·m；P为额定功率，kW；b2为启动笼的散热系数，b2=0.75。

所以本项目启动笼

从上述计算可以看出，此电磁方案满足增安型电机的特殊要求，tE时间远大于防爆规程和技术要求允许的数值秒，其他参数也满足技术要求，方案完全可行。

2　绝缘设计

根据GB 3836.3—2010要求，绝缘系统需要在爆炸性气体混合物中做如下两项试验：

a) 施加1.5倍额定线电压，历时3 min。电压最大上升率为0.5 kV/s。电压应施加在一相和地之间，其他相接地。

b) 绝缘系统还应承受3倍于峰值相对地的10个电压脉冲，电压上升时间在0.2～0.5 μs，并且幅值在峰值一半以上的时间至少为20 μs.脉冲应施加于相对相和相对地之间。

这一点要求是GB 3836.3—2010升版以来最大的改动，直接否定原有的定子绕组绝缘规范。为了满足新标准的要求，在本项目中绝缘系统做了如下改进：

1) 放弃原中胶绝缘系统，采用全新少胶绝缘系统。少胶系统属于广泛推广的绝缘系统，该系统绝缘性能好，厚度薄，属于先进的绝缘结构。在原有少胶绝缘基础上进行加包，使绝缘性能得到进一步的加强。

2) 绝缘增加高、低阻带。低阻带包出铁心一定长度，与低阻带搭接，在绕组出铁心位置形成完整的防晕层。

3) 经过多次暗室试验发现，槽楔及定子铁心出槽口位置极易产生电晕。为此工艺规范要求严格控制定子冲片及槽楔的毛刺，同时槽楔长度应短于定子铁心长，不得伸出定子铁心。

4) 绕组端部间隙足够的空间，避免电晕的产生。同相线圈和异相线圈端部间隙不同，需区别对待。

5) 对绝缘与接地部件之间的距离有明确规定。如定子压圈距离绕组绝缘在20 mm以上，引线电缆距离金属部件50 mm以上等。

通过上述措施的采取，定子绝缘系统顺利通过检验机构的试验验证。

对于同步电机通常是靠启动笼进行异步启动，全压直接启动时，由于出现强电流，启动笼要承受瞬态转矩、热膨胀和离心力的作用，笼条在高磁场强度的作用下将产生两倍于转差频率的震动，可能引起电流断续，并在不利的条件下，在笼条和贴心的间隙中产生火花。为了避免此问题，本项目中将笼条包绝缘带，将笼条和铁心绝缘开，避免二者产生火花。

3　结构设计

采用上水冷结构，使冷却器与电动机联成一个整体，风路短，利于散热，对低转速电机尤为明显。同时上水冷结构也节省了安装空间，减轻拆装时部件质量，便于吊装与运输。本次项目为无刷励磁结构，为了减小机座长度，将交流励磁机和旋转整流盘设计成在轴承外侧，减小了整机的外形尺寸和质量。通风采用IC81W冷却方式，转子自带风扇，利用自身旋转产生压差形成内风路。励磁机内部设有自冷风扇，通过管路将主机和励磁机连接形成风路回路，简化结构，满足冷却需求。原设计结构和本次设计结构分别见图2和图3。

图2　长端罩结构图

图3　短端罩结构图

4　吹扫系统

根据GB 3836.3—2010的规定，增安型防爆电动机需配备吹扫装置，在电动机起动前进行吹扫，保证电机启动时腔体内没有爆炸性气体的存在。根据本项目协议要求，需要配备EXPO D888吹扫系统。EXPO系列吹扫系统属于广泛应用于防爆行业的产品，该产品全部为气动元件，无点燃元。在电机运行前，该装置按照预设时间、压力进行预吹扫，当预吹扫结束时，该装置进入保压状态，保证电机腔体内压力高于外界环境压力，使爆炸性气体无法进入腔体内部。当电动机出现故障，内部压力降至500 Pa时，该系统向电控发出报警信号，当压力继续下降至250 Pa时，该系统发出停机信号，在外接爆炸性气体进入电机内部之前停机，避免事故的发生。

在电动机的密封工作上，本项目进行了如下改进：

1) 采用整体式机座，焊接处采用连续焊；

2) 冷却器与机座，端盖与机座等结合处采用嵌入式密封橡胶条；

3) 轴贯通位置采用多道连续铜带，安装时与轴配车，采用小间隙配合。

经最后气密试验验证，该电动机泄漏量小于3 000 NL/min，满足技术要求。

5　主要试验数据(见表2)

表2　技术参数对比

根据试验数据，各项指标满足技术要求。但电动机堵转转矩倍数偏差较大，需进一步进行分析。

6　结语

本次研制总结了以往增安型同步电动机的经验，借鉴国内外同类电机结构，同时大胆创新，研制开发先进的绝缘系统，采用新的结构形式，在满足安全使用的同时，尽可能减小电机质量，提高经济性。该项目的研制成功，对TAW系列电动机提供了具体数据和研发方向。