正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机国产化设计

赵地，历锐

(1中海油惠州石化炼油六部，广东惠州516086;2佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机国产化设计

赵地1，历锐2

(1中海油惠州石化炼油六部，广东惠州516086;2佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

结合一台为国外压缩机配套的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机，研究了正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机的防爆优势，单支撑同步电机的设计关键点，以及与国内外电机相比该电机的优势。

正压外壳型/增安型；无刷励磁；同步电动机；国产化设计

0 引言

近年来，随着国民经济和我国防爆电机工业的发展，石油、化工、化肥、煤炭等行业对大型防爆无刷励磁同步电动机的需求量越来越大，尤其是近年石化行业产量不断提升，大型防爆无刷励磁同步电动机功率也越来越大，与国外相比，国内大功率无刷励磁同步电动机相对市场占有量较小，因此大功率防爆无刷励磁同步电动机的国产化设计已迫在眉睫。

为此，中海石油炼化有限责任公司和佳木斯电机股份有限公司(以下简称“佳电”)共同合作进行惠州炼油二期2200万吨/年改扩建及100万吨/年乙烯工程项目用正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机的国产化设计，该同步电动机应用在2区，IIC(氢气)场所，拖动渣油加氢装置往复式新氢压缩机负载。

1 电机主要技术参数

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1主要技术参数如下：额定功率：10000kW；极数：20P；额定电压：10kV；额定电流：661A；额定频率：50Hz；相数：3相；同步转速：300r/min；绝缘等级：F级；安装方式：IM7115(单轴承支撑，伸端与压缩机共用一个轴承)；冷却方式：IC81W(上水冷)；旋转方向：逆时针(从电机轴伸端看)；工作制：S1；功率因数：0.9(超前)；效率：97%(保证值)；堵转电流/额定电流：5.0(保证值)；堵转转矩/额定转矩：0.6(保证值)；牵入转矩/额定转矩：0.6(保证值)；失步转矩/额定转矩：1.6(保证值)；飞轮转矩GD2：>100 t·m2；防爆标志： ExepzIIT3 Gc + ExeIICT3 Gc；同时取得正压外壳型和增安型防爆合格证。

2 设计关键点

该电机在设计上主要有以下几个关键点：(1)防爆型式的选择；(2)低起动电流的设计；(3)结构设计。

2.1 防爆型式的选择

该电机应用在2区，IIC场所，考虑到增安型、隔爆型、正压外壳型几种防爆型式的优缺点[6]，为保证机组长期稳定运行，本次电机设计防爆型式选用正压外壳型/增安型[1]、[2]，该型式是佳电2012年研制的一种新型防爆型式，具有以下优点

(1)正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机同时设有两套铭牌即增安型防爆电机铭牌和正压外壳型防爆电机铭牌，电机同时获得增安型防爆电机合格证及正压外壳型防爆电机合格证，两种防爆型式同时起作用，当一种防爆型式失效时另一种防爆型式仍可保证设备安全运转。即同一设备设计制成不同的防爆型式，符合GB 3836.1—29.6多种防爆型式的相关规定。(2)产品通过了双重防爆检测，既通过了增安型电机绝缘系统试验，又通过了正压外壳型防爆试验，既保留增安型电机不产生火花、电弧和危险温度，tE时间保护等优点，同时又具备正压外壳型电机防爆安全性高，备用电机可处于保压状态随时起车的优点。安全性、可靠性提高。(3)正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机克服了单一防爆形式的缺点。

①正压外壳型电机一旦出现失压或外部管路故障，电机就必须停机进行检查，该产品具备当一种防爆型式失效时另一种防爆型式仍可保证设备安全运转，无需停机。

②正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机正压保护系统模块设计进行智能化升级，主备机切换过程中无需等待，克服了增安型电机每次起动前需重新进行吹扫换气的问题(即由一种防爆型式向另一种防爆型式切换过程顺畅，不会出现电机互锁停机问题)。

该产品通过在国际范围内的查新，证实了该产品在防爆技术运用上的创新性。将两种防爆型式应用在同一产品上，为国内外首创。

2.2 低起动电流的设计[5]

2.3 结构的设计

电机安装方式IM7115, 冷却方式为IC81W，防护等级IP54，单支撑结构，法兰轴伸，尾端设座式滑动轴承, 电机采用径向通风结构，避免产生轴向力，同时可以有效地保证电机铁心温度场的均匀分布(电机总体结构见图1)。从轴伸端看，电机右侧带一个主接线盒；在电机的保护上，电机带有以下辅助及保护措施：(1)加热器；(2)漏水保护器；(3)定子测温装置；(4)轴承测温装置；(5)电机进出风测温装置；(6)正压保护装置及泄露补偿装置；(7)磁平衡电流互感器；(8)轴振动传感器；(9)励磁机转速测量装置。

图1 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1电机整体结构

2.3.1 电机的轴系计算[3]

本次设计的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机是我公司设计的最大功率的单支撑电机，由于其轴系的特殊性，特对整个轴系进行了详细的计算，轴系见图2。

图2 TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 轴系结构

计算结果如下

轴的挠度为：0.4623mm，挠度占气隙的百分数4.17%<8%(许用值)；

轴临界转速计算值为：1352r/min 注：考虑磁拉力；

1352r/min>2.3×300=690r/min，因此轴的临界转速满足要求；

轴的疲劳强度安全系数量小值为：2.34>1.5(许用系数)；

轴的静强度安全系数最小值为：2.40>1.5(许用系数)；

轴的扭转强度计算值为12.97MPa<[τ]=30MPa，[τ]—许用剪切力；

轴的扭转刚度计算值为：0.038(°/m)<[φ]=0.25(°/m)[φ]—许用扭转角。

另外，通过采用有限元软件对轴的挠度及轴临界转速进行分析，上述分析结果与手工计算相符。如图3所示。

图3 轴的临界转速和挠度有限元分析计算

2.3.2 定子电流波动与飞轮力矩的选择计算[4]

本次设计的TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机用于驱动往复式压缩机，由于压缩机的自身特性，设计时必须保证压缩机曲轴的旋转角速度变化在合理范围内，以避免在运动机件连接处引起附加动载荷及在垂直于曲轴的平面内产生振动，影响机件的强度和降低机械效率。也可避免电动机直接驱动压缩机时，引起电动机中电流脉动和供电网中的电压波动。如何保证曲轴的旋转角速度在允许的波动范围，关键就是合理选择系统的飞轮转矩，作为整个系统的驱动设备，同步电动机的飞轮转矩正确选择十分重要，因此在本次设计中佳电引进了定子电流波动与飞轮力矩的选择计算。一般同步电动机的电流波动(振荡的振幅)要求采用，振荡角的电角度，经计算，在压缩机最高运行功率100%负载额定电压下，计算结果符合上述要求，且电机自身飞轮力矩满足主机厂的要求(见图4)。

图4 电机转子结构及其飞轮力矩计算

2.3.3 可靠的密封技术

该产品借鉴了我公司生产的成熟的TZYW系列正压型无刷励磁同步电动机的产品设计和制造经验，采用了密封可靠性极高的新结构、新工艺、新材料，尤其是在密封材料的选取上进行了大量的试验验证，选取了耐腐蚀、抗老化、耐高温的优质密封材料，从而控制电机的泄漏量，提高了电机的密封可靠性，确保产品的一次性成功。

2.3.4 创新的试验方法

由于本次项目用电机为单支撑结构，试验时难度较大，以往单支撑电机试验时采用加长轴与电机轴伸法兰对接，加长轴上加工有轴承台，设置支撑轴承、试验底架与电机对接后进行试验。本次直接采用试验轴承，对电机轴伸端轴颈部位精加工，在此部位支撑后进行试验，与以往相比节约时间，降低成本，可靠性高。

3 与国内外同类产品的比较优势

结构优势：电机采用单支撑结构，现场安装对中更加方便，降低了系统损耗，提高了系统效率，环保节能。

防爆优势：采用双重防爆型式，克服了单一防爆型式的缺点，提高了产品的安全性和可靠性。

技术优势：采用先进的有限元软件精确设计，电机的电磁、结构设计方案更精确合理，采用先进的计算方法及手段，提高了产品的科技含量，使产品性能更佳。

服务优势：与国内外其它企业相比，佳电通过多年的发展，在全国各主要城市都设有销售及售后服务机构，在全国范围内服务网络发达。

4 结语

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机研制生产成功，将使我国大型防爆电机的地位得到提升，进一步推进国内三相同步电动机发展，填补国内空白。同时为我国大型防爆电机的设计制造积累大量宝贵的经验，为今后大电机的设计生产、大型设备国产化打下了坚实的基础。

[1] GB 3836.3—2010，爆炸性环境 第3部分：由增安型“e”保护的设备[S].

[2] GB 3836.5—2004，爆炸性气体环境用电气设备 第5部分：正压外壳型“p”[S].

[3] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010:26-14～26-32.

[4] 陈兴卫.驱动压缩机用同步电动机的定子电流波动计算与飞轮力矩选择[J].电机技术，2014.5.

[5] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000:253-258.

[6] 陈兴卫.无刷励磁同步电动机的防爆技术特点[J].防爆电机，2014.4.

Chinalized Design of TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 Pressurized Enclosure/Increased-Safety Brushless Excitation Synchronous Motor

ZhaoDiandLiRui

(1.CNOOC Huizhou Petrochemical Refinery Sixth Business Unit, Huizhou 516086, China；2.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Taking a TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1 pressurized enclosure/increased-

safety brushless excitation synchronous motor matched with an foreign compressor as an example, this paper researches explosion-proof advantages of this kind of motors, key points of designing single-supporting synchronous motors, and advantages of this kind of motors compared with domestic and international motors.

Pressurized enclosure/increased-safety；brushless excitation；synchronous motor；chinalized design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.10

TM357

A

1008-7281(2017)03-0032-004

赵地 男 1980年生；毕业于北京化工大学机械工程及自动化专业，现从事设备管理工作.

2016-01-30