揚(yáng)水泵站同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

魏銀秀

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州 730030)

1 電動(dòng)機(jī)概述

電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何解決電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)徑比，減小電動(dòng)機(jī)的撓度，提高電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，筆者結(jié)合設(shè)計(jì)重點(diǎn)，闡述了采用改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸承結(jié)構(gòu)和集電環(huán)連接型式提高電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性，達(dá)到減少制造電動(dòng)機(jī)的原材料及壓縮電動(dòng)機(jī)成本的目的。

(1)電動(dòng)機(jī)型號(hào)和規(guī)格

型號(hào):T710－6;額定功率:1250 kW;額定電壓:6 000 V;頻率:50 Hz;防護(hù)等級(jí):IP23;工作方式:S1;安裝方式:IMB3;冷卻方式:IC01。

(2)電磁設(shè)計(jì)

絕緣規(guī)范采用我公司6 kV絕緣規(guī)范。定子采用2．0×4．5 的繞包線，轉(zhuǎn)子采用 2．12×31．5 的銅帶，定子槽楔為環(huán)氧布板。定子電密4．04 A/mm2，線負(fù)荷474 A/cm，定轉(zhuǎn)子氣息6 mm，定子溫升41 K，轉(zhuǎn)子溫升58 K。絕緣等級(jí)為F級(jí)，考核溫升為105 K。

(3)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)安裝形式為IMB3。電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)路采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用半管道出風(fēng)。轉(zhuǎn)子鐵心兩端不帶冷卻風(fēng)扇。為了確保電動(dòng)機(jī)性能的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)電磁方案時(shí)盡量使氣隙磁場(chǎng)分布接近合理化，性能指標(biāo)達(dá)到最高，定、轉(zhuǎn)子均采用新系列通用冷軋硅鋼片設(shè)計(jì)。圖1為電動(dòng)機(jī)軸承均采用滾動(dòng)軸承，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圓柱滾子軸承只用于承受徑向載荷，且承載能力強(qiáng)，使用中對(duì)同軸度要求高，在滾子軸承中極限轉(zhuǎn)速較高。允許外圈與內(nèi)圈軸線偏斜度較小(2'～4')，故只能用于剛性較大的軸上，并要求支撐座孔很好地對(duì)稱［1］。此次設(shè)計(jì)中，對(duì)大軸及相關(guān)零部件的加工質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，特別是軸承檔的全跳不得超過(guò)0．025 mm。

深溝球軸承主要用于承受徑向載荷，但當(dāng)增大軸承徑向游隙時(shí)，具有一定的角接觸球軸承的性能，可以承受徑向、軸向聯(lián)合載荷。在轉(zhuǎn)速較高又不宜采用推力球軸承時(shí)，也可用來(lái)承受純軸向載荷。深溝球軸承裝在軸上后，在軸承的軸向游隙范圍內(nèi)，可限制軸或外殼兩個(gè)方向的軸向位移，因此可在雙向作軸向定位。此外，該類軸承還具有一定的調(diào)心能力，當(dāng)相對(duì)于外殼孔傾斜2'～10'時(shí)，仍能正常工作，但對(duì)軸承壽命有一定的影響。與尺寸相同的其他類型軸承比較，此類軸承摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、噪聲低，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。外圈帶止動(dòng)槽的可簡(jiǎn)化軸向定位，縮小軸向尺寸［1］。

綜合兩種軸承的性能特點(diǎn)，在該同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)軸伸端采用深溝球軸承6244M/C3和圓柱滾子軸承NU244M/C3相結(jié)合(見(jiàn)圖2)，非軸伸端用一件圓柱滾子軸承NU244M/C3，這種軸承組合在力求成本最低的情況下，充分利用了各個(gè)軸承的優(yōu)勢(shì)，滿足電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求［2］。

圖1 改進(jìn)后電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

圖2 軸承結(jié)構(gòu)圖

2 電動(dòng)機(jī)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

2．1 軸 承

傳統(tǒng)的同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)是采用座式滑動(dòng)軸承，電動(dòng)機(jī)機(jī)座與端罩及軸承同裝在一個(gè)底板上，兩軸承中心的軸向距離為2 000 mm(圖3)。而采用端蓋滑動(dòng)軸承后兩軸承中心的軸向距離壓縮為1 770 mm，(圖4)。通過(guò)本次改進(jìn)，采用滾動(dòng)軸承后的兩軸承中心的軸向距離壓縮到了1 297 mm(圖1)。

圖3 座式軸承電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4 端蓋滑動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2．1．1 轉(zhuǎn)軸撓度的計(jì)算［3］

(1)用端蓋滑動(dòng)軸承時(shí)的轉(zhuǎn)軸撓度計(jì)算

G=2 935 kg，D=79．8 cm，L=49 cm，g=0．6 cm，m=5，n=5(未注長(zhǎng)度單位為 cm)，d1=20，d2=25，d3=29，d4=26．5，d5=27，d1'=20，d2'=25，d3'=29，d4'=26．5，d5'=27，L1=11，L2=20，L3=26，L4=47．5，L5=84．5，L1'=10．3，L2'=20，L3'=26．3，L4'=55．5，L5'=92．5，D2=44，b=8．7，t=6。

撓度數(shù)值:f=0．037 mm

撓度占?xì)庀兜陌俜直?f/e=0．61%(OK)

臨界轉(zhuǎn)速:nk=5 814 r/min

(2)用滾動(dòng)軸承時(shí)的轉(zhuǎn)軸撓度計(jì)算

G=2 670 kg，D=79．8 cm，L=49 cm，g=0．6 cm，m=4，n=4(未注長(zhǎng)度單位為 cm)，d1=22，d2=25，d3=26．5，d4=27，d1'=22，d2'=25，d3'=26．5，d4'=27，L1=6．5，L2=19．5，L3=24．1，L4=61．1，L1'=3．3，L2'=11．3，L3'=31．7，L4'=68．7，D2=44，b=8．7，t=6。

撓度數(shù)值:f=0．011 mm

撓度占?xì)庀兜陌俜直?f/e=0．18%(OK)

臨界轉(zhuǎn)速:nk=11 049 r/min

(3)采用滾動(dòng)軸承的電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸撓度僅為滑動(dòng)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)軸撓度的2/7，而臨界轉(zhuǎn)速卻約達(dá)2倍。

2．1．2 滾動(dòng)軸承基本負(fù)荷計(jì)算［2］

轉(zhuǎn)子外徑D=798 mm，有效鐵心長(zhǎng)L=400 mm，氣隙 δ=6 mm，氣隙磁密 Bδ=0．7277 T。

轉(zhuǎn)子重量 G=2 670 kg，單邊磁拉力 P0=0．06DLBδ

2=1 014 kg。計(jì)算得:軸伸端載荷F1=19．49 kN，非軸伸端徑向載荷 F2=17．35 kN。

軸承NU244M/C3的基本額定靜負(fù)荷為Cr=702 kN，F(xiàn)1、F2符合范圍。

2．1．3 兩種軸承淺析

(1)滑動(dòng)軸承存在的缺點(diǎn):①滑動(dòng)軸承軸瓦一般為巴氏合金瓦，其磨損快，壽命短，更換頻繁，故障多;②檢修瓦工期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度較高;③滑動(dòng)軸承傳動(dòng)阻力較大;④滑動(dòng)軸承不宜維護(hù)檢修，若刮研瓦或安裝稍微達(dá)不到要求精度及潤(rùn)滑跟不上時(shí)，就將發(fā)生高溫?zé)吖收隙绊懮a(chǎn)。

(2)滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn):①節(jié)電:滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈之間由滾子支撐，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾子沿內(nèi)外圈的滾道滾力滾動(dòng)，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，由滑動(dòng)軸承的0．04降低到滾動(dòng)軸承的0．0025，只有原來(lái)的1/16。起動(dòng)電流減小，工作電流也減小;②節(jié)省潤(rùn)滑油:滾動(dòng)軸承為滾動(dòng)式線接觸，用油量少，油質(zhì)的劣變現(xiàn)象很小。去掉了潤(rùn)滑站，主軸承的維修使用都非常方便。消除了缺油斷水、瓦升溫、修機(jī)停產(chǎn)的事故發(fā)生;③維修方便，質(zhì)量可靠:省去一系列復(fù)雜技術(shù)要求及供油、供水的冷卻系統(tǒng)，因此維修工作量大大減少;④滾動(dòng)軸承由專業(yè)廠家生產(chǎn)，材料、精度均按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，質(zhì)量有保障;⑤滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，有效降低了摩擦能耗，解決了大負(fù)荷下軸承壽命、機(jī)組軸向竄動(dòng)、軸承密封等一系列問(wèn)題。

2．2 集電環(huán)

對(duì)用戶要求集電環(huán)防護(hù)等級(jí)為IP23的同步機(jī)，原來(lái)設(shè)計(jì)的集電環(huán)為下端采用支架承托和上端用螺桿拉緊聯(lián)合固定形式(到機(jī)座端面距離為850 mm)。

在本電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)改變大型同步機(jī)集電環(huán)的支撐形式，在電動(dòng)機(jī)端蓋上加工止口，并設(shè)計(jì)了高度為100 mm的連接環(huán)，實(shí)行過(guò)渡連接(集電環(huán)端面到機(jī)座端面距離為650)。由于連接環(huán)的高度有限，原用軸承測(cè)溫元件WZP－280體積大，考慮到安裝特別困難，設(shè)計(jì)時(shí)改用體積小，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的端面熱電阻WZPM－201來(lái)檢測(cè)軸承溫度。改進(jìn)集電環(huán)連接形式后，安裝方便，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)因此而更加緊湊。

2．3 連接環(huán)

設(shè)計(jì)連接環(huán)時(shí)，在保證連接環(huán)與軸承外蓋不干涉的情況下，考慮用戶給軸承加脂以及排脂時(shí)的空間、方便安裝軸承測(cè)溫和把合螺絲，所以連接環(huán)的圓周設(shè)計(jì)為輻射筋、周邊為敞開(kāi)的形式。

3 結(jié)語(yǔ)

節(jié)材分析見(jiàn)表1。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)各點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行了仔細(xì)的檢測(cè)，7臺(tái)電動(dòng)機(jī)最大振點(diǎn)的振速為2．2 mm/s，國(guó)標(biāo)要求不得超過(guò) 2．8 mm/s，符合標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)及參數(shù)都符合設(shè)計(jì)值和相關(guān)要求。

該產(chǎn)品是從改變電動(dòng)機(jī)的軸承和集電環(huán)連接型式方面做了改進(jìn)，達(dá)到節(jié)材的目的。為以后設(shè)計(jì)同類產(chǎn)品、完善產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

表1 主要部件節(jié)材對(duì)照表

［1］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．第2卷．第四版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［2］ 吳恒顓．電機(jī)常用材料手冊(cè)［M］．西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2001．

［3］ 白延年．水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．