TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机国产化设计

刘继国（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516000）

TZYW/TAW 10000-20/3250WTHF1正压外壳型/增安型无刷励磁同步电动机国产化设计

刘继国（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516000）

本文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

近年来，石化煤炭行业对无刷励磁同步电动机的需求与日俱增，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随着越来越大，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、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（133单元）往复式新氢压缩机负载。

1 电机主要技术参数

TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1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）

失步转矩/额定转矩：1.6（保证值）

堵转电流/额定电流：5.0（保证值）

牵入转矩/额定转矩：0.6（保证值）

堵转转矩/额定转矩：0.6（保证值）

飞轮转矩GD2：＞100t·m2

防爆标志：ExepzIIT3Gc+ExeIICT3Gc

(取得了安型防爆和正压外壳型和增合格证)

2 设计重点

该设计的重要环节主要有以下几点：

（1）选择合适的防爆型式；

（2）设计低起动电流；

（3）设置规划结构；

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，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，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GB3836.1-29.6多种防爆型式的相关规定。

（2）该产品不仅仅通过了严格的防爆检验，还顺利通过了绝缘系统检测。在此基础上，还陆续通过了正压外壳型防爆试验，但这并没有丢失其自带的众多优点，例如：机电不产生火花、温度不危险、电弧、TE时间保护等。另外，它还具备安全性能更高、可使备用电机处于保压状态随时起车的优势，总而言之，该产品有效提高了其原有的安全性和适用性。

（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：

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。

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）。

值得一提的是，经过国际的检验和查新，该产品在技术上的创新尤其是在防爆技术上的应用，特别是将两种防爆形式应用在同一产品之上，开创了国内首例和先河，值得借鉴。

2.2 低起动电流的设计

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。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：

▲加热器；

▲漏水保护器；

▲定子测温装置；

▲轴承测温装置；

▲电机进出风测温装置；

▲正压保护装置及泄露补偿装置；

▲磁平衡电流互感器；

▲轴振动传感器；

▲励磁机转速测量装置。

2.3.1 电机的轴系计算

本次设计的TZYW/TAW10000-20/3250WTHF1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。

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注：[τ]为许用剪切力；

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

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。

2.3.2 定子电流波动与飞轮力矩的选择计算

在保证曲轴转角速度在正常的波动范围内，最重要的就是要选择合理的飞轮转矩，飞轮转矩是整个系统的驱动设备，如何选择就显得异常关键，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 ΔJ≤66%J额定，振荡角的电角度Δθ≤20°，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。

2.3.3 科学合理的密封技术

该产品借鉴我公司无刷励磁同步电动机的设计理念和经验，采用新型工艺和材料，不仅可靠性极高，而且机身含有耐腐蚀和耐高温的材料，这使得产品不仅仅能够很好控制电机泄漏量，还可以在一定程度上提高电机的密封功能和可靠性，该产品在选取材料时还进行了一定数量上的实验检测，具有可行性和实用性，为产品的使用成功夯实基础。

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/TAW10000-20/3250WTHF1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］徐灏.机械设计手册[M]北京：机械工业出版社，2010: 26-14～26-32.

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