Описание конструкции синхронного вертикального двигателя типа ВДС-325
В вертикальном синхронном двигателе различают активные и конструктивные части. Активными частями, участвующими в процессе преобразования энергии, являются магнитопроводы ротора и статора с обмотками. Части, обеспечивающие работу активных частей, называются конструктивными.
Основным исполнением вертикального электродвигателя является подвесное с подпятником, расположенным выше корпуса ротора, и двумя направляющими в верхней и нижней крестовинах.
Система вентиляции машины – замкнутая с циркуляцией воздуха благодаря напору, создаваемому полюсами, распорками в радиальных каналах остова ротора и центробежными вентиляторами, прикрепленными к торцам остова.
Обмотка статора (5) двигателя мощностью 7500 кВт выполнена из катушек с термореактивной изоляцией класса В.
Двигатель допускает прямой пуск от сети. Для обеспечения синхронизации при пуске на подсинхронной частоте вращения используется форсировка возбуждения. Двигатель серии ВДС рассчитан на 200 пусков в год. Двигатель по условиям нагрева демпферной обмотки допускает два пуска подряд из холодного состояния, а третий пуск, если двигатель не вошел в синхронизм, через час.
Статор представляет собой неподвижный полый шихтованный сердечник (6) с продольными пазами внутри, в которых расположена обмотка статора. Во внутренней полости статора расположена вращающаяся часть машины – ротор, который имеет явнополюсное исполнение. В роторе крепится обмотка возбуждения и демпферная клетка, которая служит для пуска и успокоения ротора при резком изменении режимных параметров. Обмотка возбуждения создает неподвижное поле. К валу ротора подводится нагрузка.
Рассмотрим более подробно, из каких частей состоит синхронный вертикальный двигатель ВДС-325/69-20, мощностью 7500 кВт.
1.2.1 Корпус статора
Корпус статора - конструктивная часть вертикального синхронного двигателя. Он служит для передачи на фундамент усилий от веса размещенных на нем узлов, деталей, электромагнитных усилий, возникающих в различных режимах эксплуатации.
Корпус статора имеет круглую форму и выполнен сварным из листовой стали. Он состоит из горизонтально расположенных круглых фланцев, промежуточных рам, распорных ребер и цилиндрической обшивки с отверстиями для выхода нагретого воздуха.
Расположение ребер, промежуточных рам и обшивки обеспечивает получение секционных камер для прохождения нагретого воздуха к отверстиям в обшивке для выхода воздуха в окружающую среду.
Нижняя торцевая рама является опорной поверхностью, статор которой устанавливается на фундамент. К корпусу статора с обеих сторон прикрепляются торцевые щиты.
На верхнюю часть корпуса установлена грузонесущая крестовина (4). Поэтому жесткость корпуса должна быть рассчитана на дополнительные усилия от силы тяжести вращающихся частей насосного агрегата и реакции воды. Для подъема двигателя краном к корпусу приварены цапфы.
1.2.2 Сердечник статора
Сердечник статора (6) синхронного электродвигателя состоит из гладких штампованных сегментов электротехнической стали марки 2411с выштампованными по внутреннему диаметру открытыми пазами для катушек обмотки, сегментов с вентиляционными распорками и концевых сегментов с нажимными пальцами. Сегменты собраны в пакеты и стянуты посредством нажимных фланцев и шпилек в корпусе статора.
Пакеты сердечника разделяются между собой сегментами с вентиляционными распорками, образующими радиальные вентиляционные каналы шириной по 10 мм. Сегмент с вентиляционными распорками представляет собой сложенные два штампованных листа электротехнической стали, к которым приварены точечной сваркой или приклепаны стальные полоски из специального нормализованного профиля двутаврового сечения.
Сердечник удерживается в корпусе статора посредством приваренных к рамам шихтованных клиньев и установленных с обеих сторон стальных нажимных гребенок. С помощью стяжных шпилек пакеты активной стали статора опрессовываются в монолитный сердечник. Нажимная гребенка состоит из стального фланца и приваренных к ней нажимных пальцев.
В корпусе статора сердечник устанавливается уже в обмотанном виде и закрепляется в нем посредством планок и болтов.
Так как машина имеет термореактивную изоляцию обмотки статора, то пропитка обмотки изоляционными лаками производится после ее укладки в пазы сердечника.
1.2.3 Обмотка статора
Обмотка статора (5) выполнена из проводов прямоугольного сечения со стекловолокнистой (ПСД) изоляцией. Конструкция обмотки – двухслойная катушечная, петлевая с укороченным шагом, при котором значительно улучшается формы кривых М.Д.С. и Э.Д.С.
Для проводов прямоугольного сечения применены открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим способом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. При укладке проводников в пазы, дно и стенки паза покрывают изоляционным материалом. Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолированы друг от друга. Укреплены проводники в пазах статора с помощью стеклотекстолитовых клиньев.
Проводники, находящиеся в пазах, соединены между собой, образуя ряд катушек. Все катушки разбиты на одинаковые группы по числу фаз, которые расположены симметрично вдоль окружности статора. В каждой такой группе все катушки электрически соединены между собой, образуя одну фазу обмотки.
1.2.4 Ротор
Ротор двигателя имеет явнополюсную конструкцию. Основные части ротора: вал, остов, обод, полюсы с обмоткой возбуждения, вентилятор, тормозные сегменты. Ротор является в первую очередь индуктором, создающим магнитное поле в машине при холостом ходе и участвующим совместно со статором в создании магнитного поля при различных нагрузках. Также ротор является маховиком, обладающим необходимым моментом инерции, вентилятором, создающим движение воздуха для охлаждения и тормозным диском для его торможения при остановке. Конструктивный тип ротора зависит от конструкции его остова и обода. Остов представляет собой внутреннюю часть ротора, насаживаемую непосредственно на вал. На нем закреплен обод ротора, являющийся магнитопроводом. На ободе ротора крепятся полюсы.
Остов ротора выполнен в виде сварной конструкции, состоящей из кованой стальной втулки, двух круглых рам из толстого листа и поперечных ребер прямоугольного сечения. Кроме приварки, рамы закрепляются на втулке стальными цилиндрическими штифтами. На остов ротора насажен обод, выполненный из стального литья марки Ст 3. Обод имеет многогранную форму с 16 гранями, соответствующим числу полюсов ротора. На каждой грани имеется по одной продольной канавке для крепления полюсов с Т-образным хвостовиком. Обод насаживается на остов с натягом в горячем состоянии.
На рисунке 3 показан ротор двигателя ВДС
Рис. 3- Ротор синхронного вертикального двигателя типа ВДС
1.2.5 Полюсы ротора
Полюс ротора представляет собой стальной магнитопровод с намотанной на него катушкой обмотки возбуждения. В пазах, выштампованных в наконечниках сердечников полюсов (7), размещена демпферная обмотка.
В сердечнике полюса условно различают наконечник, сердечник и хвост, с помощью которого полюс крепят к ободу. Сердечники полюсов выполнены шихтованными для уменьшения пульсационных потерь. Они набраны из стали Ст 3 толщиной 1.5 мм. По торцам сердечника установлены массивные стальные щеки специального профиля. Гайки стяжных шпилек установлены в предусмотренные выемки. В машине полюсы закреплены в соответствующих пазах обода ротора вала с помощью Т-образных хвостов, расклинивающихся двумя встречными парами клиньев прямоугольного сечения. Снизу к ободу ротора приварены пластинки, закрывающие паз, служащие для упора полюса и для предотвращения выпадения клиньев.
Полюсные наконечники выполнены такой формы, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.
Для увеличения устойчивости полюсов производится проварка головки хвоста. При проваренных хвостах допускаемые нагрузки в среднем увеличиваются на 35%. Величины допускаемых нагрузок составляют примерно половину от нагрузки, при которой полюс теряет устойчивость
1.2.6 Обмотка возбуждения
Обмотка возбуждения двигателя выполнена из отдельных полюсных катушек с открытыми наружной и внутренней поверхностями.
Обмотка возбуждения наматывается из голой полосованной меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга и от поверхности сердечника полюса изоляционными прокладками.
Витковая изоляция катушки выполнена из стеклоткани, пропитанной эпоксидным лаком. Для придания монолитности катушки опрессованы и выпечены под большим давлением на прессе (не менее 150 кгс/см2 площади витка).
Для закрепления катушек на полюсах используются полюсные наконечники. Все катушки соединены последовательно при помощи пакетов из тонкой листовой фосфористой бронзы, образуя полное число витков обмотки возбуждения.
Для подвода тока к обмотке возбуждения на роторе расположены два контактных кольца. Токосъем с контактных колец осуществляется при помощи щеток – прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки установлены в специальных щеткодержателях и прижимаются к контактной поверхности при помощи пружин.
1.2.7 Демпферная обмотка
Демпферная обмотка двигателя предназначена для успокоения колебаний ротора при переходных процессах; гашения поля обратной последовательности, создаваемого токами обратной последовательности при несимметричных режимах работы; улучшения условий входа в синхронизм; уменьшения перенапряжений при несимметричных коротких замыканиях.
Изготовлена демпферная обмотка из круглых бронзовых стержней, вставленных в пазы, выштампованные в полюсных наконечниках. По торцам стержни одного полюса припаяны к массивным медным шинам-сегментам твердым припоем. Короткозамыкающие сегменты полюсов соединены между собой эластично пакетом тонких изогнутых пластин.
1.2.8 Контактные кольца
Обмотка возбуждения, размещенная на полюсах ротора, питается постоянным током, проходящим через скользящий контакт, вращающиеся контактные кольца - неподвижные щетки. Контактные кольца выполнены из стали.
Контактные кольца собраны на сварном остове-звезде на изоляционных прокладках и затем насажены на вал. Токосъем с контактных колец осуществляют при помощи щеток – прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки установлены в специальных щеткодержателях и прижимаются к контактной поверхности при помощи пружин.
1.2.9 Вал
Вал изготовлен кованным из стали. Для сопряжения с приводом он выполнен с фланцевым концом для непосредственного сопряжения. На вал насажены наглухо втулка нижнего направляющего подшипника и съемная втулка подпятника. Для обеспечения соосности втулок и вала и параллельности опорной поверхности втулки подпятника и фланца окончательная обработка вала произведена с уже насаженными втулками.
Для укладки токоподвода от обмотки ротора до контактных колец верхняя часть вала выполнена с центральным отверстием.
Для закрепления на валу остова ротора, контактных колец, втулок и других деталей применены стальные призматические шпонки. В вертикальном электродвигателе вал передаёт только вращающий момент и рассчитан в основном только на скручивание. Вертикально расположенный вал испытывает относительно небольшой изгибающий момент от сил одностороннего магнитного притяжения при неравномерном зазоре между статором и ротором электродвигателя. Кроме того, незначительные изгибающие усилия испытывают валы от небаланса вращающихся частей электродвигателя.
1.2.10 Подпятник
Весьма ответственной частью двигателя является упорный подшипник, или подпятник, который воспринимает вес вращающихся частей.
В подпятнике различают две основные части: вращающуюся (пяту), укрепленную на роторе и неподвижную, находящуюся под пятой. Вертикальные усилия ротора через вращающуюся пяту передаются неподвижной части и от нее на фундамент. Единственный тип упорного подшипника, который может передавать усилия от вращающейся части на неподвижную - подшипник скольжения. Таким образом, подпятник данной машины является упорным подшипником скольжения. Между трущимися поверхностями создан достаточно большой слой смазки (минеральное масло) для уменьшения сил трения. Для подпятника применена втулка, изготовленная из стальной поковки.
Втулка насажена на верхний конец вала ротора. Так как при каждой разборке и сборке электродвигателя втулку приходится снимать с вала или насаживать на вал, то для облегчения этих операций в посадочные места втулки подпятника установлены бронзовые литые кольца. Наружная поверхность верхней части втулки является цапфой для направляющего подшипника.
К верхнему торцу втулки прикреплено болтами запорное стальное кольцо, удерживающее ротор электродвигателя и присоединенное к нему колесо насоса. К нижнему торцу втулки через изоляционную прокладку прикреплен вращающийся диск подпятника.
1.2.11 Крестовины
Крестовины служат для восприятия и передачи вертикальных и радиальных усилий непосредственно на фундамент или корпус статора, закрепленный на фундаменте. В них размещены направляющие подшипники и подпятники. В вертикальном электродвигателе верхняя крестовина является грузонесущей, она опирается на корпус статора.
Крестовины выполнены лучевого типа сварной конструкции из листовой стали. Крестовина состоит из центральной части и приваренных к ней лап. Центральная часть крестовины изготовлена: из внутреннего цилиндра (выгородка крестовины), внешней обечайки цилиндрической формы, верхнего и нижнего фланцев, основных и промежуточных ребер, сваренных между собой. К основным ребрам приварен опорный диск, непосредственно воспринимающий нагрузку от подпятника. Центральная часть крестовины является масляной ванной и в ней расположены опорный подпятник, верхний направляющий подшипник (1) и маслоохладители (3). Пространство между лапами закрыто перекрытием, состоящим из отдельных листов и являющимся одновременно верхним статорным щитом. Подпятник крестовины воспринимает нагрузку, складывающуюся из силы тяжести вращающихся частей электродвигателя и насоса и гидравлического усилия, действующего на рабочее колесо насоса.
Размеры верхней крестовины определяются из условия обеспечения ее вертикальной жесткости и допустимых механических напряжений в сечениях лап, во фланцах центральной части, в ребрах и других частях крестовины.
На нижнюю крестовину (10) в радиальном направлении действует несбалансированная односторонняя нагрузка, воспринимаемая направляющим подшипником. Кроме того при пуске двигателя, крестовина нагружается моментом сил трения, возникающим на поверхности сегментов подпятника. Нижняя крестовина располагается своими лапами на фундаментных плитках, закрепленных непосредственно на фундаменте.