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【摘 要】通过一例高压电机磁性槽楔应用中松动脱落的情况分析,总结导致其可靠性不高的原因并探讨改进安装工艺的措施,为磁性槽楔推广应用提供有益参考。
【关键词】磁性槽楔;安装
一、概况
电动机槽楔是定子的重要构成元件之一,一般分为非磁性槽楔和磁性槽楔。磁性槽楔应用在电机上,可以提高电机效率,降低温升,减小电机振动和降低电磁噪音。目前磁性槽楔在国内应用较多的是湘潭电机厂,主要是在中型高压电机上使用,积累了一定的经验,为节能降耗做出了重要的贡献。然而在电机实际运行中磁性槽楔容易出现松动脱落的问题,降低了电机运行可靠性,也增加了检修维护成本。本文以珠海电厂脱硫系统浆液泵电动机为实例分析磁性槽楔存在的问题和探讨改进的措施。
二、浆液泵电机磁性槽楔松脱原因分析
1、电机磁性槽楔松动脱落实例
珠海电厂脱硫系统浆液泵电机2006年开始投入运行,2011年检修时发现定子槽楔有多处脱落,还有多处已经明显松动。处理方式是将电机返厂修理,更换全部定子槽楔,仍然采用磁性槽楔,并重新真空浸漆處理。
2013年初,对该电机解体检查发现又有多处槽楔脱落,再次重新返厂修理。而在本次修理中,厂家采用增强性磁性槽楔。目前电机运行未见异常。该类电机在较短的运行周期内连续两次出现多台槽楔松动脱落情况,属于该批次电机的共性现象。
2、浆液泵电机铁芯设计分析
为了从电机电磁设计方面查找故障的原因,通过对比发现脱硫系统湘潭电机厂的浆液泵电机和主机制粉系统的磨煤机电机各参数都比较接近,具有一定的可比性。
浆液泵电机主要参数:
型号:YKK500-4 ,功率:800KW,额定电压:6000V,额定电流:93.3A,功率因素:0.87,转速:1489RPM,湘潭电机厂制造
磨煤机电机主要参数:
型号:F5KT-W(中心高500),功率:740KW,额定电压:6000V,额定电流:95A,功率因素:0.76,转速:1489RPM,日本三菱电机厂
铁芯测绘数据:
mm 浆液泵电机800kw 磨煤机电机740kw
铁芯长度L1 542 750
铁芯外径D1 800 820
铁芯内径D2 540 570
铁芯轭部深度H 87 63
铁芯槽深度 43 62
非驱动端定子长度 280 290
驱动端定子长度 260 230
槽楔材质 磁性槽楔 非磁性槽楔
浆液泵电机铁芯轭部截面积S1=L*H
L=K*(L1-NB铁芯通风沟)=0.94(542-NB)=509mm
铁芯轭部截面积S1=L*H=509*87=44324mm2
磨煤机电机铁芯轭部截面积S=L*H=0.94*750*63=44415mm2
对比两台电机铁芯通风沟设计类似,铁芯轭部截面积几乎相等,而浆液泵电机额定功率比磨煤机电机大8%左右,因此将夜泵电机铁芯磁通密度设计比较大,运行中发热也会较大。而且浆液泵电机铁芯轭部深部达到87mm,整体设计属于粗大型,相比较磨煤机的细长型铁性是不利于散热的。正是因为铁芯结构的设计不同,浆液泵电机采用磁性槽楔提高效率,降低电机运行温度,而实际运行中,浆液泵电机的温度比磨煤机电机高10℃~20℃。在夏季,其绕组运行温度在92~102℃之间,长时间需要外置工业风扇进行额外强迫冷却。
3、磁性槽楔应用的特点
据统计在我国工业用电中,电机用电占电能消耗的50%以上,因此降低电机能耗具有巨大的社会效益,国家政策也正大力推行高效能电机的应用。磁性槽楔作为电机节能技术之一,部分电机制造厂不断探索,取得成熟的经验。在磁性槽楔的实际应用中能起到提高电机效率的作用,但也存在可靠性不高的不足,其主要特点如下。
1)采用磁性槽楔后,电机定转子气隙系数减小(相当于有效气隙缩短),可降低励磁电流,改善功率因数,使空载电流下降,具有一定的节能效果,效率可提高1.0%左右。
2)由于磁性槽楔内部可流过部分磁通,使气隙中磁密分布趋于均匀,故可降低电机运行中的噪声和振动。
3)电动机制造厂通过大量试验证明,采用磁性槽楔,可降低电机铁芯损耗45%-55%,降低电机升温6-9℃,同时有效减少电磁噪音和震动。
4)不利变化,采用磁性槽楔后会降低启动转矩,由于磁性槽楔是导磁体,因此使电机的漏磁增强,启动转矩有所下降,下降大约5%左右。
5)由于磁性槽楔材料及制作的特点,其强度偏低,而且在运行中将受电磁力的作用,因此运行中容易出现松动甚至脱落,行可靠性不如非磁性槽楔。
6)磁性槽楔安装工艺要求严格,对涂胶、真空浸漆等工序控制必须统一到位,使磁性槽楔与绕组、铁芯形成一个牢固的整体。个别槽楔安装不良则容易在运行中松脱。
4、磁性槽楔性能分析
磁性槽楔主要是由玻璃纤维布、环氧树脂、铁磁材料(铁粉)、固化剂和其他添加剂采用压制方法制作而成。
常用的磁性槽楔类型:
模压磁性槽楔,导磁率高、铁耗小,但强度稍差,而且槽楔尺寸精度都取决于模具的精度,再加工性能差。
层压型磁性槽楔,其主要是由玻璃纤维布、环氧树脂、铁粉和其他添加剂组成。该槽楔综合性能好,力学强度高、磁性能适中、机加工性能好,国内外应用较多。
高强度磁性槽楔,是用玻璃丝带层压而成的,强度高,整体综合性能良好。
1)磁性槽楔的力学性能
磁性槽楔在装配和运行中要承受各种力。在运行中,承受电磁力和振动的影响。在装配中,槽楔要受到敲打的冲击力。因此其设计和加工在材料和模具等方面必须满足高强度的要求。 2)磁性槽楔的耐温性能
随着电机绝缘材料技术的发展,高等级耐热绝缘材料的应用对磁性槽楔的耐热等级也提出了更高的要求,以满足运行中高温工况的需求。另外,电机制造过程中VPI工艺对磁性槽楔的耐温也有严格要求。这些都要求磁性槽楔具有高温耐热性能及高温稳定性。
3)磁性槽楔磁性能
磁性槽楔应具有适当的导磁性能,相对磁导率过高,漏磁将增大,转矩将降低;反之,相对磁导率太低,导磁槽楔对提高电机效率、降低温升、减少噪音和振动的作用不明显。
5、导致磁性槽楔易松动脱落的因素
1)机械外力腐蚀
电机在运行情况下,槽楔上有交变的主磁通和漏磁通通过,在交变磁通的作用下,槽楔会受到双倍工频的电磁力作用,此拉力的大小主要取决于槽楔材料的磁导率。如果槽楔在槽内安装质量不良存在一定程度的松动,那么在交变磁力作用下,会在槽内以双倍工频频率振动,引起定子铁心硅钢片和槽楔的楔面不断的互相摩擦、磨损。长时间的运行,最终导致槽楔松动直至脱落,脱落的槽楔一般会被摩擦粉碎。
2)高温导致槽楔老化
电机运行时,在定子膛内产生交变磁场,磁性槽楔和铁芯上都会产生磁滞和涡流损耗,引起铁芯和槽楔发热。另外电机运行中定转子的铜损、铁损、杂散损耗都会导致电机温度升高,在其冷却系统的作用下,发热和散热达到平衡,即电机运行温度稳定在一定范围之内。电机膛内运行温度受限于绝缘材料的耐热等级,现在一般都是F级绝缘,所以电机铁芯温度一般在110℃左右。电机槽楔在较高膛内温度的作用下,槽楔所含的环氧树脂胶和固化剂将逐渐老化,强度降低,性能劣化。另外,如果电机容量设计裕度不足致使电机正常运行在接近满载状况,电机发热将更严重。
6、脱硫浆液泵电机磁性槽楔脱落状况分析
1)从电机解体后观察铁芯表面松动和损坏槽楔,损坏槽楔大約占总数的十分之一左右。其分布没有规律,已经脱落的槽楔完全粉碎,已经松动尚留在槽内的槽楔边磨得圆滑。说明槽楔在槽内处于受力振动或抖动,槽楔铁芯槽不断异动摩擦。槽楔受力主要来源于其处在交变磁场中产生的电磁力,同时材料热胀冷缩引起移动和电机膛内冷却风等因素都可能引起槽楔位移摩擦。最终槽楔松动、松脱。
2)仔细观察铁芯表面槽楔安装情况不是很一致,轻微翘角、侧偏、缺损、倒刺,这主要是安装工艺控制不良造成。
3)从槽楔脱落槽内看,磁性槽楔与线圈之间以及槽楔与铁芯槽壁之间没有绝缘漆的粘附痕迹,真空浸漆工艺控制不良导致绝缘漆未能达到槽楔两侧与铁芯接触的部位,这对将较大影响槽楔的固定。
4)利用小胶锤敲击检查其它槽楔,发现槽楔与定子绕组结合不紧密,存在一定的空洞,当电机运行时由于热胀冷缩和电磁力的作用将容易引起槽楔松动。
5)观察牢固的槽楔,其两侧浸漆完全覆盖、安装比较平整、没有空洞声音,而且槽楔整体强度良好。
6)分析总结,电机磁性槽楔的松动和脱落与其材质并关系部明显,可能的主要是槽楔制造安装过程中工艺或质量控制不到位所造成的。
三、槽楔牢固处理措施探讨
1、将磁性槽楔更换为非磁性槽楔的可能性分析
电机槽楔如果由磁性改为非磁性,电机铁损增大,功率因素降低,原设计的交变磁场将改变,则电机运行温度将上升同时振动也会加大,电机实际运行温度可能超过设计极限温度,无法保证电机稳定可靠运行。因此电机由磁性槽楔改为非磁性槽楔一般是不可行的。
2、保证或提高磁性槽楔质量强度
磁性槽楔制作过程中必须保证各工序质量统一,各材料组分混合均匀充分。目前磁性槽楔的作用一般都采用自动化工序,因此其强度性能是可以保证的。
3、改善和控制槽楔安装施工工艺
1)提高磁性槽楔的嵌装工艺,槽楔嵌装槽楔前应仔细检查定子铁心,对槽口凸片及边沿进行修理,除去毛刺。装配前仔细检查槽楔平整无毛刺,倒角光滑,严格控制槽楔与铁芯槽之间的配合间隙,使配合公差控制在合理范围内,既不使槽楔打入过分困难,又不使槽楔打入后太过松动。槽楔下垫条与绕组、槽楔之间的紧度配合不能过松防止空洞,也不能过紧防止打坏槽楔。控制槽楔伸出铁心端部部分保持整齐。若伸出端部过长,会增加端部漏磁导,伸出部分参差不齐,容易产生轴向电压,在槽楔上产生涡流。因此,槽楔装配时应控制与铁心槽口相对齐。
2)嵌装时槽楔与线圈或垫片相接触的一面先刷绝缘胶并在槽口壁两侧涂胶,确认涂抹均匀后再将磁性槽楔打入,保证槽楔装配后与绕组线圈、铁芯两壁紧密粘合,使槽楔、绕组、铁芯行成一个高强度整体。打入后,检查磁性槽楔端部不应当损伤碎裂,最后,在铁芯与磁性槽楔表面再刷一次绝缘胶,此工序尤为重要。
3)控制好真空压力整浸(VPI)设备的参数,保证油漆能渗入槽楔的各个接触面,提高槽楔的紧固程度。
四、结论
通过这例电机磁性槽楔松动脱漏实例的分析,我们可以得出磁性槽楔在电机中的使用能够提高运行效率,降低电机运行温度、振动和噪音,具有节能降耗的巨大社会效益。电机槽楔出现松动脱落在原因主要是槽楔的镶嵌安装工艺和质量控制不良导致,如果电机制造厂充分重视质量,那么磁性槽楔电机长周期可靠运行是可以实现的。
【关键词】磁性槽楔;安装
一、概况
电动机槽楔是定子的重要构成元件之一,一般分为非磁性槽楔和磁性槽楔。磁性槽楔应用在电机上,可以提高电机效率,降低温升,减小电机振动和降低电磁噪音。目前磁性槽楔在国内应用较多的是湘潭电机厂,主要是在中型高压电机上使用,积累了一定的经验,为节能降耗做出了重要的贡献。然而在电机实际运行中磁性槽楔容易出现松动脱落的问题,降低了电机运行可靠性,也增加了检修维护成本。本文以珠海电厂脱硫系统浆液泵电动机为实例分析磁性槽楔存在的问题和探讨改进的措施。
二、浆液泵电机磁性槽楔松脱原因分析
1、电机磁性槽楔松动脱落实例
珠海电厂脱硫系统浆液泵电机2006年开始投入运行,2011年检修时发现定子槽楔有多处脱落,还有多处已经明显松动。处理方式是将电机返厂修理,更换全部定子槽楔,仍然采用磁性槽楔,并重新真空浸漆處理。
2013年初,对该电机解体检查发现又有多处槽楔脱落,再次重新返厂修理。而在本次修理中,厂家采用增强性磁性槽楔。目前电机运行未见异常。该类电机在较短的运行周期内连续两次出现多台槽楔松动脱落情况,属于该批次电机的共性现象。
2、浆液泵电机铁芯设计分析
为了从电机电磁设计方面查找故障的原因,通过对比发现脱硫系统湘潭电机厂的浆液泵电机和主机制粉系统的磨煤机电机各参数都比较接近,具有一定的可比性。
浆液泵电机主要参数:
型号:YKK500-4 ,功率:800KW,额定电压:6000V,额定电流:93.3A,功率因素:0.87,转速:1489RPM,湘潭电机厂制造
磨煤机电机主要参数:
型号:F5KT-W(中心高500),功率:740KW,额定电压:6000V,额定电流:95A,功率因素:0.76,转速:1489RPM,日本三菱电机厂
铁芯测绘数据:
mm 浆液泵电机800kw 磨煤机电机740kw
铁芯长度L1 542 750
铁芯外径D1 800 820
铁芯内径D2 540 570
铁芯轭部深度H 87 63
铁芯槽深度 43 62
非驱动端定子长度 280 290
驱动端定子长度 260 230
槽楔材质 磁性槽楔 非磁性槽楔
浆液泵电机铁芯轭部截面积S1=L*H
L=K*(L1-NB铁芯通风沟)=0.94(542-NB)=509mm
铁芯轭部截面积S1=L*H=509*87=44324mm2
磨煤机电机铁芯轭部截面积S=L*H=0.94*750*63=44415mm2
对比两台电机铁芯通风沟设计类似,铁芯轭部截面积几乎相等,而浆液泵电机额定功率比磨煤机电机大8%左右,因此将夜泵电机铁芯磁通密度设计比较大,运行中发热也会较大。而且浆液泵电机铁芯轭部深部达到87mm,整体设计属于粗大型,相比较磨煤机的细长型铁性是不利于散热的。正是因为铁芯结构的设计不同,浆液泵电机采用磁性槽楔提高效率,降低电机运行温度,而实际运行中,浆液泵电机的温度比磨煤机电机高10℃~20℃。在夏季,其绕组运行温度在92~102℃之间,长时间需要外置工业风扇进行额外强迫冷却。
3、磁性槽楔应用的特点
据统计在我国工业用电中,电机用电占电能消耗的50%以上,因此降低电机能耗具有巨大的社会效益,国家政策也正大力推行高效能电机的应用。磁性槽楔作为电机节能技术之一,部分电机制造厂不断探索,取得成熟的经验。在磁性槽楔的实际应用中能起到提高电机效率的作用,但也存在可靠性不高的不足,其主要特点如下。
1)采用磁性槽楔后,电机定转子气隙系数减小(相当于有效气隙缩短),可降低励磁电流,改善功率因数,使空载电流下降,具有一定的节能效果,效率可提高1.0%左右。
2)由于磁性槽楔内部可流过部分磁通,使气隙中磁密分布趋于均匀,故可降低电机运行中的噪声和振动。
3)电动机制造厂通过大量试验证明,采用磁性槽楔,可降低电机铁芯损耗45%-55%,降低电机升温6-9℃,同时有效减少电磁噪音和震动。
4)不利变化,采用磁性槽楔后会降低启动转矩,由于磁性槽楔是导磁体,因此使电机的漏磁增强,启动转矩有所下降,下降大约5%左右。
5)由于磁性槽楔材料及制作的特点,其强度偏低,而且在运行中将受电磁力的作用,因此运行中容易出现松动甚至脱落,行可靠性不如非磁性槽楔。
6)磁性槽楔安装工艺要求严格,对涂胶、真空浸漆等工序控制必须统一到位,使磁性槽楔与绕组、铁芯形成一个牢固的整体。个别槽楔安装不良则容易在运行中松脱。
4、磁性槽楔性能分析
磁性槽楔主要是由玻璃纤维布、环氧树脂、铁磁材料(铁粉)、固化剂和其他添加剂采用压制方法制作而成。
常用的磁性槽楔类型:
模压磁性槽楔,导磁率高、铁耗小,但强度稍差,而且槽楔尺寸精度都取决于模具的精度,再加工性能差。
层压型磁性槽楔,其主要是由玻璃纤维布、环氧树脂、铁粉和其他添加剂组成。该槽楔综合性能好,力学强度高、磁性能适中、机加工性能好,国内外应用较多。
高强度磁性槽楔,是用玻璃丝带层压而成的,强度高,整体综合性能良好。
1)磁性槽楔的力学性能
磁性槽楔在装配和运行中要承受各种力。在运行中,承受电磁力和振动的影响。在装配中,槽楔要受到敲打的冲击力。因此其设计和加工在材料和模具等方面必须满足高强度的要求。 2)磁性槽楔的耐温性能
随着电机绝缘材料技术的发展,高等级耐热绝缘材料的应用对磁性槽楔的耐热等级也提出了更高的要求,以满足运行中高温工况的需求。另外,电机制造过程中VPI工艺对磁性槽楔的耐温也有严格要求。这些都要求磁性槽楔具有高温耐热性能及高温稳定性。
3)磁性槽楔磁性能
磁性槽楔应具有适当的导磁性能,相对磁导率过高,漏磁将增大,转矩将降低;反之,相对磁导率太低,导磁槽楔对提高电机效率、降低温升、减少噪音和振动的作用不明显。
5、导致磁性槽楔易松动脱落的因素
1)机械外力腐蚀
电机在运行情况下,槽楔上有交变的主磁通和漏磁通通过,在交变磁通的作用下,槽楔会受到双倍工频的电磁力作用,此拉力的大小主要取决于槽楔材料的磁导率。如果槽楔在槽内安装质量不良存在一定程度的松动,那么在交变磁力作用下,会在槽内以双倍工频频率振动,引起定子铁心硅钢片和槽楔的楔面不断的互相摩擦、磨损。长时间的运行,最终导致槽楔松动直至脱落,脱落的槽楔一般会被摩擦粉碎。
2)高温导致槽楔老化
电机运行时,在定子膛内产生交变磁场,磁性槽楔和铁芯上都会产生磁滞和涡流损耗,引起铁芯和槽楔发热。另外电机运行中定转子的铜损、铁损、杂散损耗都会导致电机温度升高,在其冷却系统的作用下,发热和散热达到平衡,即电机运行温度稳定在一定范围之内。电机膛内运行温度受限于绝缘材料的耐热等级,现在一般都是F级绝缘,所以电机铁芯温度一般在110℃左右。电机槽楔在较高膛内温度的作用下,槽楔所含的环氧树脂胶和固化剂将逐渐老化,强度降低,性能劣化。另外,如果电机容量设计裕度不足致使电机正常运行在接近满载状况,电机发热将更严重。
6、脱硫浆液泵电机磁性槽楔脱落状况分析
1)从电机解体后观察铁芯表面松动和损坏槽楔,损坏槽楔大約占总数的十分之一左右。其分布没有规律,已经脱落的槽楔完全粉碎,已经松动尚留在槽内的槽楔边磨得圆滑。说明槽楔在槽内处于受力振动或抖动,槽楔铁芯槽不断异动摩擦。槽楔受力主要来源于其处在交变磁场中产生的电磁力,同时材料热胀冷缩引起移动和电机膛内冷却风等因素都可能引起槽楔位移摩擦。最终槽楔松动、松脱。
2)仔细观察铁芯表面槽楔安装情况不是很一致,轻微翘角、侧偏、缺损、倒刺,这主要是安装工艺控制不良造成。
3)从槽楔脱落槽内看,磁性槽楔与线圈之间以及槽楔与铁芯槽壁之间没有绝缘漆的粘附痕迹,真空浸漆工艺控制不良导致绝缘漆未能达到槽楔两侧与铁芯接触的部位,这对将较大影响槽楔的固定。
4)利用小胶锤敲击检查其它槽楔,发现槽楔与定子绕组结合不紧密,存在一定的空洞,当电机运行时由于热胀冷缩和电磁力的作用将容易引起槽楔松动。
5)观察牢固的槽楔,其两侧浸漆完全覆盖、安装比较平整、没有空洞声音,而且槽楔整体强度良好。
6)分析总结,电机磁性槽楔的松动和脱落与其材质并关系部明显,可能的主要是槽楔制造安装过程中工艺或质量控制不到位所造成的。
三、槽楔牢固处理措施探讨
1、将磁性槽楔更换为非磁性槽楔的可能性分析
电机槽楔如果由磁性改为非磁性,电机铁损增大,功率因素降低,原设计的交变磁场将改变,则电机运行温度将上升同时振动也会加大,电机实际运行温度可能超过设计极限温度,无法保证电机稳定可靠运行。因此电机由磁性槽楔改为非磁性槽楔一般是不可行的。
2、保证或提高磁性槽楔质量强度
磁性槽楔制作过程中必须保证各工序质量统一,各材料组分混合均匀充分。目前磁性槽楔的作用一般都采用自动化工序,因此其强度性能是可以保证的。
3、改善和控制槽楔安装施工工艺
1)提高磁性槽楔的嵌装工艺,槽楔嵌装槽楔前应仔细检查定子铁心,对槽口凸片及边沿进行修理,除去毛刺。装配前仔细检查槽楔平整无毛刺,倒角光滑,严格控制槽楔与铁芯槽之间的配合间隙,使配合公差控制在合理范围内,既不使槽楔打入过分困难,又不使槽楔打入后太过松动。槽楔下垫条与绕组、槽楔之间的紧度配合不能过松防止空洞,也不能过紧防止打坏槽楔。控制槽楔伸出铁心端部部分保持整齐。若伸出端部过长,会增加端部漏磁导,伸出部分参差不齐,容易产生轴向电压,在槽楔上产生涡流。因此,槽楔装配时应控制与铁心槽口相对齐。
2)嵌装时槽楔与线圈或垫片相接触的一面先刷绝缘胶并在槽口壁两侧涂胶,确认涂抹均匀后再将磁性槽楔打入,保证槽楔装配后与绕组线圈、铁芯两壁紧密粘合,使槽楔、绕组、铁芯行成一个高强度整体。打入后,检查磁性槽楔端部不应当损伤碎裂,最后,在铁芯与磁性槽楔表面再刷一次绝缘胶,此工序尤为重要。
3)控制好真空压力整浸(VPI)设备的参数,保证油漆能渗入槽楔的各个接触面,提高槽楔的紧固程度。
四、结论
通过这例电机磁性槽楔松动脱漏实例的分析,我们可以得出磁性槽楔在电机中的使用能够提高运行效率,降低电机运行温度、振动和噪音,具有节能降耗的巨大社会效益。电机槽楔出现松动脱落在原因主要是槽楔的镶嵌安装工艺和质量控制不良导致,如果电机制造厂充分重视质量,那么磁性槽楔电机长周期可靠运行是可以实现的。