球磨机用三相同步电动机TMW1950—30 10kV IP54的设计

球磨机用三相同步电动机TMW1950—30 10kV IP54的设计

摘要：文章介绍了球磨机用TMW1950-30 10kV IP54三相同步电动机的设计过程，无刷励磁及防护等级IP54是设计开发的重点。通过具体分析和试验，详细介绍了此型号电机的结构设计及性能参数。

关键词：球磨机用同步电动机电磁计算结构设计

1、引言

为新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产的球磨机机用大型三相同步电动机，是我公司（泰豪沈阳电机有限公司）前身-沈阳电机厂首次自主生产防护等级为IP54（上水冷）的无刷励磁磨机用同步电动机，以其较高的防护形式，可适应恶劣的工作环境，更具有意义的是为将来相关的电机产品升级换代及寻找机会打入国际市场奠定基础。型号为TMW1950-30 10kV IP54，功率为1950kW。

2、设计分析

该电机具有独特的结构形式是由两方面因素造成的：首先，现场环境恶劣，有刷电机难以满足要求，被迫采用无刷励磁技术。同步电机无刷励磁包括两种形式：一种是以转枢式凸极同步发电机作为无刷励磁机，另一种是以绕线式感应发电机作为无刷励磁机。前者一般为工频同步电动机励磁。后者既可为工频同步电动机励磁也可为变频调速同步电动机励磁。这里我们选择前者，主要由于此电动机无需变频调速，该形式励磁机定子整体铸造成型，冲片材质选用Q235A钢板，材料成本较低且技术比较成熟。其次，电机要求整体防护等级达到IP54（防尘、防溅水），电机、励磁机主体均封闭于密闭空间内、具有封闭的冷却系统，这就要求电机各个主要部分结构紧凑、布局合理，且能被冷却器通风回路覆盖。这里我们设计成励磁机、整流盘分别在转子支架两侧的分布式结构，这样做可比以往的整流盘励磁机均在电机尾部结构节省大量结构空间，且有效利用了冷却器下部的空余空间。

2.1 电磁计算

根据本台电机的功率﹑转速、电压等级来确定电动机主要尺寸，按照所选取的冲片开槽尺寸与绝缘要求来选取定子线规的尺寸，调节其定子线圈匝数，并联路数，铁心长，以满足磁密的要求，并保证定﹑转子的温升和起动性能。无刷励磁机的性质为小型三相转枢式同步发电机，具有半闭口槽、散线线圈等特点，电磁计算程序是在凸极同步发电机的电磁计算程序基础上考虑这些因素开发的，满足同步电动机励磁电压、电流由旋转整流盘输出端提供，旋转整流盘所需的三相交流电压、电流由励磁机输出端提供；除此，电机还需计算冷却器的容量，冷却器容量由电机的额定功率和计算效率选取：Pa=PN×（1/η-1），PN—电机的额定功率，η—电机的计算效率，冷却器进水温度28℃，冷却器出风温度40℃。

2.2 结构设计

该电机采用卧式结构，座式滑动轴承，电机轴伸为标准圆柱形，电机顶部装有空-水冷却器，内部带空间加热器，底部带底板（见附图1）。主要部件结构设计如下。

定子，包括机座、定子铁心、定子线圈。机座是电机定子中的主要结构件，由多个加工后的钢板单件焊接而成，起承受冷却器重量、定子重量，固定铁心的作用。定子铁芯采用内压装，径向通风道结构，拉紧螺杆紧固。定子绕组为双层叠绕组，下线前定子铁芯喷整浸防晕低阻漆，下线后用环氧玻璃布板槽楔固定，绕组相邻端部用玻璃丝箍绳定距固定。定子引线与接头采用强力冷挤压后搪锡，线圈按标准规定进行耐压及防电晕试验后，整个定子采用VPI真空加压浸漆工艺，绕组端部和直线部位固化成整体，从而减小匝间短路的可能，同时，浸渍漆充分占满槽内空间，提高散热性能。

转子，包括转轴、转子支架、磁极铁芯、磁极线圈、风扇。转轴承受整个转子的重量及负载施加给电机的扭矩，轴材质采用35CrMo，经过计算使其机械性能满足以下几点：允许挠度为气隙的百分数不超过8%；轴承及轴肩处按疲劳计算的相当应力不超过500；选取轴径时，轴承的计算负载不超过其允许的负载；转子支架材料采用ZG230-450铸造而成。根据旋转整流装置和三相交流励磁机分别安放在转子支架的两侧设计思路，需要在转子支架上多开三个走线用的孔（用于连接三相交流励磁机和旋转整流装置），经过反复衡量磁极引线、三相交流励磁机和旋转整流装置的相互位置和关系后确定位置。磁极铁芯，由材质为1.5mm厚A3钢板的磁极冲片叠压而成，磁极铁芯两端用压板借磁极铆钉固定，中间放置拉杆。根据经验数据和绝缘等级要求确定磁极线圈的线规，绕线方向由上面出线头起为逆时针方向，匝间垫绝缘，引线与线圈联接采用银焊焊牢，且各拼焊处须焊透、修平，引线端搪锡。

通风系统。电机本体与基础地坑形成一个空间，采用电机两端对称进风的径向通风系统。在电机转子支架两端装有风叶，它将电机内部热气流由电机机座中心吹入顶部的空-水冷却器，经过冷却后，冷空气从顶罩的两端进风口进入，然后经机座两端的挡风罩，进入电机两端空腔内。一部分经定子绕组端部，通过通风孔经定子铁芯外圆表面流出；一部分经定、转子绕组，通过定、转子气隙，经定子通风道流出；两路气流汇合，从定子铁芯外部溢出，再进入顶部的空-水冷却器，完成内部冷却空气循环流动散热的功能。这个风路循环使电机各部分的温升能较均匀地分布，降低最高局部温升，提高绝缘寿命。

3、总结

电动机经过我厂试验站型式试验，各项指标均达到国家标准，并与设计目标一致。该电机的研制使拖动球磨机的无刷励磁同步电动机具有适应恶劣环境的特点。并且在各个使用大型同步电机的行业里有很广阔的应用前景。高防护等级无刷励磁同步电动机的开发，填补了国内这方面的空白，并为电机行业的外延做了有益的尝试。

参考文献：

[1]陈世坤：《电机设计》第二版，机械工业出版社，2000。

[2]湘潭电机厂：《交流电机设计手册》，湖南人民出版社，1977。

[3]许实章：《电机学》，机械工业出版社，1992。

[4]机械电子工业部上海电器科学研究所全国旋转电机标准化技术委员会秘书处：《中国电机标准宣贯资料》，1991。