西莫论坛研讨会第八期——大中型高速立轴凸极同步电机的设计

long98194

大中型高速同步发电机设计难度大，除了满足电磁要求还有考虑高速运转下能长期安全运行，本次研讨就是从电磁、结构两个方面并结合实际工程设计案例上来讨论高速大中同步电机的设计，希望业界的同行和对此感兴趣的网友们踊跃发言，共同探讨，共同提高。
    本次研讨会规则：
1、本贴主要讨论高速凸极同步电机电磁、本体设计及其相关内容，范围：容量5MW以上，转速750rpm以上凸极同步电机，对于其他类型的电机请勿涉及。
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4、本帖讨论内容仅限高速立轴滑动轴承同步电机，请勿发表题外内容，违者屏蔽或删帖。








下面我先抛砖引玉简单介绍概念和基础知识，以便大家讨论。

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1、同步电机的应用领域
     同步电机主要用作发电机；也用于大型机械如轧钢机、压缩机、鼓风机、球磨机等的驱动电机；此外也用作电网的调相机调节电网无功功率及抽水储能电站电动—发电等。
同步电机应用于水电站简介图

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2、立轴凸极同步电机主要组成部件
   2.1、滑环刷架或励磁机，主要起到给同步电机提供励磁的作用；
   2.2、上载荷机架，主要承载同步电机转动部件重量及轴向推力。里面包含滑动式推力轴承、滑动上导轴承、油箱及冷却器等；
   2.3、定子，由电枢、铁心及机座等组成，是实现能量转化的枢纽。
   2.4、转子，由磁极、磁轭、转子支架、主轴等组成，主要起到建立磁场及传动扭矩的作用；
   2.5、下载荷机架，主要包含机架、径向轴承、冷却器、油箱等，起到支撑电机的作用；
   2.6、辅助设备系统，包含制动系统、润滑系统、冷却系统、消防系统、监控系统等，为电机安全提供保障。

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3、电磁计算
   3.1、传统路算
    传统路算就是把电磁场转化成简单的等效电路，取其中的一对磁极来计算，大大简化及减少的计算量。
    路算时主要参数取值原则：
a、λ=lt/τ=0.8~2，主要考虑经济性、发热及结构等来综合考虑。
b、A—线负荷，取值范围250~700A/cm，取决于电机容量、温升、及冷却方式。
c、Βδ—气隙磁密，通常6500~7500 GS，对于水冷或氢冷的电机取值要大一些。
d、q—每极每相的槽数，q主要与τ有关，τ值越大q越多，q的取值满足绕组对称原则，并考虑容易分片、电压波形好、避免产生噪音等。
e、bs—槽宽，槽宽取值一般为齿距离的0.36~0.6之间，同时考虑齿部磁密在14000~16000GS范围内。
f、hs—槽高，一般为槽宽bs的2.85~6.5倍之间。
g、hc—轭高，一般要使得轭部磁密在12000~14500GS范围内，同时要考虑冲片利于压紧。
h、δmin—最小气隙，要综合电机效率、短路比、谐波等来考虑，一般不宜取值过大和过小，采用实芯磁极时，最小气隙不宜取值太小，应尽量使得槽宽/最小气隙≤1.4。
i、αp—极弧系数，通常取值0.65~0.72之间。
k、hm、bm极身高度及极身宽度，bm/τ一般取0.45~0.5之间，hm/τ一般取0.3~0.8之间，同时考虑Βm在11000~15000GS及磁极绕组的温升在合理的范围内。
l、阻尼绕组的面积通常应取每极范围内定子铜面积的0.15~0.3倍，阻尼条直接最好小于0.4倍极靴高度，阻尼条节距要考虑启动、损耗等因素来决定。

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总体方案调整差不多后，通过计算谐波、电压波形畸变率、噪音等来决定最终方案。总之，参数的调整 是一个反复的过程，要综合电机的性能来考虑，互相兼顾。

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3.2、场算即有限元仿真
     电机有限元软件很多，比如，ANSYS、ANSYS Maxwell、FLUX、JMAG等等。对于初学者建议采用ANSYS Maxwell，通过路算结果代入RMxprt自建2D模型或利用CAD等绘图软件建立后导入。RMxprt自建2D模型方便快捷，不容易出错，还可以参数化某些参数以便获得最佳的电磁方案。通过仿真求解结果，可以看出电机设计是否合理，并给以优化设计。

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4、结构设计
   工程实例发电机总图

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4.1、滑环刷架设计
                        图1

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滑环考虑导电截面、散热、绝缘等因素，典型滑环结构如下：

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刷架要考虑碳刷布置及支撑牢固，避免运行中出现晃动。

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4.2、上载荷机架结构设计
                        载荷机架结构图

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上载荷机架设置有推力轴承及径向轴承，轴承的尺寸根据负荷的大小来设计，并通过润滑计算来校核。对于高速机往往径向力比较大，所以径向轴瓦采用球面支撑及楔键来调整轴瓦间隙，球面支撑使得轴瓦具有良好的自适应性。推力瓦采用弹性支撑结构，使得轴瓦受力均匀，避免局部过热。轴瓦的温度靠冷却器带走，以保证轴瓦的安全运行,冷却器的换热容量根据轴瓦的润滑计算来决定。高速机组容易出现甩油、油雾等问题，因此，密封上要充分的考虑，典型的密封结构见上图，同时避免油雾溢出必须设计有油雾吸收装置。

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4.3、定子结构设计
     4.3.1 机座设计
      机座设计时要考虑电磁设计尺寸、运输条件、机械刚度、电压等级的安全间距、通风散热、端部漏磁场的影响等；
   4.3.2 定子铁心
        冲片分片要考虑接缝数避免产生轴电流、重叠及扣片等因素；
   4.3.3 电枢绕组结构设计
         根据电压等级不同绕组结构有所不同，但是制作工艺差别不大，目前比较常用的有热压和VPI真空压力浸渍；

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4.4、转子结构设计
4.4.1、磁极铁芯，高速机通常采用电工钢片叠压或实心磁极铁芯，由于转速高挂装方式必须要充分考虑，严格计算。
下面是几种常用的挂装方式：
4.4.2、磁极线圈，对于高速机组磁极线圈与磁极铁芯必须牢固挂扣。
常见磁极线圈结构图：

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4.5、下载荷机架结构设计

补充内容 (2014-8-8 19:20):
欢迎大家参与讨论！！！！！！！！！！！！！！！

long98194

4.6、辅助设备系统设计

补充内容 (2014-8-8 17:57):
附属系统包含润滑油系统、压力气系统、技术供水系统，润滑油系统考虑润滑用油量、油箱体积及换热器设计结合上述的润滑计算来设计；压力气系统，主要考虑停机制动、检修用气及安全阀用气，通常都设置有储气罐；技术供水考虑用水量来设计，避免管路损失过多等设计缺陷。

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long98194 发表于 2014-7-23 19:43
总体方案调整差不多后，通过计算谐波、电压波形畸变率、噪音等来决定最终方案。总之，参数的调整 是一个反 ...

龙版主，请问你的噪音是如何算的？用什么工具

long98194

forlink 发表于 2014-7-23 21:26
龙版主，请问你的噪音是如何算的？用什么工具

依据附件编程并结合实际经验来修正，同时校核机座和铁心固有振动频率。

p2012139

学习了，此贴必火！占楼。