Báo Cáo Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất đến 200kW

Lời mở đầu

Đề tài khoa học cấp nhà nước "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một
chiều công suất đến 200kW" được Bộ Khoa học và Công nghệ giao cho Công ty
TNHH Nhà nước một thành viên Chế tạo Điện cơ Hà nội chủ trì thực hiện.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo được máy điện một chiều có công suất
đến 200kW đạt tiêu chuẩn quốc tế IEC, có giá thành ≤ 80% sản phẩm nhập ngoại, hoàn
thiện được công nghệ chế tạo và các phương tiện kiểm nghiệm máy điện một chiều,
nâng cao năng lực chế tạo máy điện một chiều của ngành thiết bị điện Việt Nam và của
Công ty Chế tạo Điện cơ Hà nội.
Trong các đề tài trước đây do Công ty CTAMAD thực hiện như đề tài KC-04-05
"Nghiên cứu công nghệ chế tạo động cơ điện và thiết bị đồng bộ đến 500kW"; đề tài
KHCN-05-02 "Nghiên cứu thiết kế và công nghệ để chế tạo động cơ điện không đồng
bộ công suất đến 2100kW"; đề tài 119 "Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động
cơ điện đồng bộ công suất đến 500kW" có các nội dung nghiên cứu có thể áp dụng cho
quá trình chế tạo sản phẩm mẫu của đề tài như: công nghệ tẩm sấy chân không, cân
bằng động, công nghệ gia công các chi tiết cơ khí. Tuy vậy nội dung nghiên cứu của đề
tài vẫn rất lớn do máy điện một chiều có kết cấu và công nghệ chế tạo rất phức tạp. ở
nước ngoài máy điện một chiều được chế tạo từ vài W đến hàng chục nghìn kW. Các
hãng sản xuất máy điện-thiết bị điện lớn đều có các dây chuyền sản xuất máy điện một
chiều ở châu Âu, châu Mỹ có hãng ABB (Thụy điển), hãng VEM, hãng SIEMEN
(CHLB Đức), hãng GENERAL (Mỹ), hãng ALSTOM (pháp), hãng ALSALDO
(Italya) .ở châu á, Trung Quốc có tập đoàn máy điện Thượng Hải, nhà máy điện cơ
Tương Đàm, Tây An ., các nước Nhật Bản, Đài Loan có công nghệ chế tạo máy điện
quay rất tiên tiến, sản phẩm máy điện một chiều của các nước kể trên được sử dụng
nhiều trên các dây chuyền sản xuất và trong các ngành kinh tế quốc dân như ximăng,
thép, hóa chất, mía đường, đường sắt, giao thông vận tải .
Với sự tiến bộ không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, nhiều loại vật liệu
tiên tiến được nghiên cứu chế tạo. Liên quan đến máy điện có các vật liệu dẫn từ, vật
liệu cách điện ngày càng đạt chất lượng cao với công nghệ chế tạo hiện đại. Trên cơ sở
nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới, máy điện một chiều ngày càng được thiết kế nhỏ
gọn nhằm giảm đến mức tối đa các chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ của sản phẩm.
Các máy điện một chiều có công suất trung bình và lớn được chế tạo theo đơn
đặt hàng, do vậy khi cần thay thế thì thời gian chế tạo, vận chuyển từ nước ngoài về
thường kéo dài 6 đến 7 tháng. Hiện tại ở Việt nam không có cơ sở nào chế tạo được
máy điện một chiều mặc dù máy điện một chiều được sử dụng ngày càng nhiều do có
các tính năng ưu việt về khả năng điều chỉnh tốc độ và ổn định tốc độ khi tải thay đổi.
Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài có 6 chương với các nội dung
chính như sau:
Chương 1. Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW ở Việt
Nam.
Qua nghiên cứu khảo sát ở các cơ sở sản xuất, các ngành kinh tế quốc dân, qua
các đơn hàng, khách hàng của Công ty, qua hội thảo đề tài đã tìm hiểu nhu cầu thực tế
các loại máy điện một chiều được sử dụng nhiều ở Việt Nam, các yêu cầu khi sử dụng
ở Việt Nam, nơi có môi trường làm việc và điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Đề tài đã chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-
440V là sản phẩm có công suất tối đa trong phạm vi nghiên cứu, được sử dụng nhiều
và có điều kiện thử nghiệm thực tế.
Căn cứ vào nhu cầu sử dụng, các tiêu chuẩn cần đạt được như tiêu chuẩn quốc tế
IEC, tiêu chuẩn Việt Nam, các yêu cầu kỹ thuật, các thông số kỹ thuật của động cơ đã
được xác định làm căn cứ cho việc triển khai thiết kế sản phẩm.
Chương 2. Thiết kế máy điện một chiều.
Công việc thiết kế sản phẩm được chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 là thiết kế
tính toán và giai đoạn 2 là thiết kế kết cấu.
Thiết kế tính toán được bắt đầu từ việc tiến hành lựa chọn phương pháp thiết
kế tính toán. Qua nghiên cứu các tài liệu, sách, các giáo trình, đề tài đã lựa chọn
phương pháp tính toán thiết kế của Liên Xô (cũ) được dựa trên cơ sở lý thuyết vững
chắc và Liên xô có nền công nghệ chế tạo máy điện phát triển mạnh. Phương pháp tính
được sử dụng để tiến hành tính toán phần điện từ, viết các thuật toán, thiết kế giao diện,
đồ hoạ, thiết kế các môdul nhập dữ liệu cho phần mềm tính toán phần điện từ. Phần
mềm tính toán vận dụng ngôn ngữ lập trình tiên tiến, thuật toán phù hợp, kết quả
chính xác đã nhanh chóng thực hiện hàng trăm phép tính và cho ra nhiều phương án
sản phẩm khi thay đổi các dữ liệu cho phép người thiết kế chọn được phương án tối ưu
cho sản xuất (phương án sản phẩm đạt thông số kỹ thuật với chi phí thấp nhất). Phần
mềm tính toán xác định được toàn bộ các kích thước và thông số cơ bản của các bộ
phận dẫn điện và dẫn từ như gông thân, phần ứng, các bộ dây, các cực từ.v.v
Thiết kế tính toán kết cấu bao gồm tính toán các kích thước cơ bản của cổ góp,
tính kiểm tra độ cứng vững của trục, tính chuỗi kích thước.v.v Các kết quả nhận được
từ phần mềm tính toán và tính toán thông thường được kiểm chứng bằng cách so sánh
với nhau và so sánh với kết quả của các thông số kỹ thuật của động cơ do Liên xô (cũ)
chế tạo và động cơ do đề tài chế tạo cho thấy độ tin cậy và khả năng sử dụng phần
mềm cho công tác thiết kế máy điện một chiều.
Đề tài tổ chức nghiên cứu kết cấu tổng quan của động cơ do Liên xô chế tạo và
phân tích lựa chọn kết cấu, vật liệu để chế tạo. Kết cấu của động cơ phải chắc chắn, dễ
dàng tháo lắp, phù hợp để lắp đặt lên máy xúc, có tính công nghệ. Vật liệu phải là các
vật liệu mới đang được sử dụng để chế tạo máy điện một chiều tại các nước có công
nghiệp phát triển được lựa chọn để chế tạo sản phẩm, đề tài sử dụng cách điện cấp F để
tăng khả năng làm việc quá tải cho động cơ.
Dựa vào các kích thước cơ bản nhận được từ thiết kế tính toán để thực hiện thiết
kế kết cấu trên máy tính toàn bộ các chi tiết, cụm chi tiết, tổng đồ của động cơ 200kW.
Chương 3. Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy điện một chiều
Nghiên cứu công nghệ là nội dung quan trọng của đề tài, trong đó bao gồm các
công việc lập phương án công nghệ; thiết kế và chế tạo các thiết bị chuyên dùng,
khuôn, gá, dưỡng, dụng cụ cho các bước công nghệ; chế tạo thử chi tiết, cụm chi tiết để
hiệu chỉnh hoàn thiện; xây dựng quy trình công nghệ. Đề tài tập trung nghiên cứu công
nghệ để chế tạo các cụm chi tiết đặc thù của máy điện một chiều như:
- Công nghệ chế tạo các bộ dây máy điện một chiều (cuộn dây cực chính, cực
phụ, bộ dây phần ứng);
- Công nghệ chế tạo cổ góp điện;
- Công nghệ chế tạo cực từ (cực chính, cực phụ);
- Công nghệ chế tạo cụm giá than;
- Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí;
- Công nghệ băng đai;
- Công nghệ tẩm sấy và cân bằng động;
- Công nghệ lắp ráp máy điện một chiều;
Nghiên cứu chế tạo cổ góp điện là nhiệm vụ khó khăn phức tạp nhất và cũng là
quan trọng nhất của đề tài. Cổ góp được ghép từ nhiều chi tiết rời (cổ góp động cơ
200kW có 348 chi tiết), bề mặt lắp ghép là mặt côn hình nón. Khi làm việc cổ góp chịu
tác động của lực li tâm, lực ma sát, của nhiệt độ, tia lửa điện, bụi than nên các lam
đồng có xu hướng bung ra, bị xây xước, đánh lõm, ăn mòn bề mặt dẫn đến làm hỏng
bộ dây phần ứng, gây hư hỏng cổ góp và phá huỷ máy điện một chiều. Chế tạo một chi
tiết không đạt dung sai kích thước, yêu cầu kỹ thuật, thực hiện sai hay nhầm lẫn một
bước nguyên công, một thao tác cũng có thể làm hỏng cổ góp. Trong công nghệ chế
tạo cổ góp đề tài tập trung giới thiệu:
- Công nghệ chế tạo lam đồng;
- Công nghệ chế tạo vành góp;
- Công nghệ gia công các cốc ép;
- Công nghệ chế tạo phễu cách điện;
- Công nghệ định hình cổ góp;
Quy trình công nghệ để chế tạo các chi tiết, cụm chi tiết máy điện một chiều
200kW được xây dựng thành bộ quy trình và được sử dụng để chế tạo ra sản phẩm. Bộ
quy trình công nghệ đã được hoàn thiện và ban hành để sử dụng theo các quy định
trong các tiêu chuẩn quản lý chất lượng ISO 9001:2000.
Chương 4. Chế tạo sản phẩm của đề tài-động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-
440V.
Đề tài đã tiến hành thiết kế, chế tạo toàn bộ các thiết bị chuyên dùng, các khuôn
gá, dưỡng kiểm, các dụng cụ để thực hiện các bước công nghệ; tổ chức nghiên cứu chế
tạo thử các chi tiết, cụm chi tiết để hoàn thiện và đưa các thiết bị khuôn gá vào chế tạo
sản phẩm của đề tài.
Động cơ một chiều 200kW được tổ chức chế tạo tại Công ty CTAMAD. Có
nhiều công nghệ phức tạp như chế tạo phễu cách điện, chế tạo cổ góp, chế tạo cuộn
cực phụ, chế tạo bộ dây phần ứng gặp không ít lần thất bại. Trong khi chế tạo cổ góp
điện đã bị loại bỏ khi đã qua hầu hết các bước công nghệ phức tạp chỉ vì lý do là đã
phay xẻ rãnh sau khi ghép hoàn thiện cổ góp.
Đề tài đã tổ chức đoàn khảo sát các cơ sở sản xuất máy điện một chiều ở Trung
Quốc, tổ chức hội thảo khoa học "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều
công suất đến 200kW" nhằm học tập, lắng nghe, nhận được các ý kiến đóng góp cho
đề tài của các nhà chế tạo; các chuyên gia, các giáo sư, tiến sỹ và các cơ sở sử dụng
máy điện một chiều.
Chương 5. Thử nghiệm đánh giá chất lượng máy điện một chiều.
Nhiệm vụ thử nghiệm đánh giá chất lượng động cơ một chiều 200kW rất quan
trọng. Chất lượng của động cơ cũng là chất lượng nghiên cứu của đề tài. Dựa vào các
yêu cầu kỹ thuật, các thông số kỹ thuật, các tiêu chuẩn quốc tế (IEC), tiêu chuẩn Việt
Nam liên quan đến thử nghiệm, các sách tham khảo đề tài đã nghiên cứu để xây dựng
tiêu chuẩn thử nghiệm, phương pháp thử nghiệm, quy trình thử nghiệm động cơ một
chiều và biên soạn các tiêu chuẩn cơ sở "Máy điện một chiều, tiêu chuẩn thử nghiệm,
TCCS 35-05", "Máy điện một chiều, quy trình thử nghiệm, TCCS 35-06".
Tổ chức tiến hành thử nghiệm điển hình đối với động cơ một chiều 200kW là
nhiệm vụ phức tạp do động cơ có chế độ làm việc đặc biệt mà phòng thí nghiệm của
Công ty CTAMAD không đáp ứng hết được.
Động cơ có chế độ làm việc danh định gián đoạn, có tốc độ quay thay đổi, có
đảo chiều quay thường xuyên, tốc độ của động cơ có thể lên đến 1,28 lần tốc độ danh
định, tải của động cơ luôn thay đổi. Động cơ được thử nghiệm theo 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Thử nghiệm đến 45% tải tại phòng thí nghiệm máy điện quay của
Công ty.
- Giai đoạn 2: Thử nghiệm tại hiện trường theo đúng chế độ làm việc và công
suất thiết kế (động cơ được lắp trên máy xúc ]7∋-5A của Công ty Apatit Việt
Nam)
- Giai đoạn 3: Thử khả năng làm việc lâu dài của động cơ. Động cơ tiếp tục được
vận hành phục vụ sản xuất. Giai đoạn này do đơn vị chủ trì đề tài đề xuất thực
hiện nhằm chứng minh tính ổn định của công nghệ, chất lượng chế tạo và giá trị
sử dụng thực tế của sản phẩm.
Tham gia thử nghiệm đề tài ngoài cơ quan chủ trì đề tài còn có Tổ công tác gồm
các chuyên gia trong lĩnh vực máy điện, các giáo sư, tiến sỹ và các cán bộ kỹ thuật,
công nhân vận hành của Công ty Apatit Việt Nam.
Qua thử nghiệm đã xác định được toàn bộ các thông số kỹ thuật, các đường đặc
tính của động cơ. Động cơ được thống nhất đánh giá có kiểu dáng, mẫu mã công
nghiệp, đạt toàn bộ các thông số kỹ thuật đề ra. Động cơ làm việc ổn định, vận hành
3ca/ngày phục vụ sản xuất đạt năng suất thiết kế từ ngày 21/11/2005 đến nay, các
thông số kỹ thuật tương đương động cơ do Liên xô chế tạo.
Chương 6. Đánh giá kết quả nghiên cứu của đề tài.
Các nghiên cứu của đề tài đã đưa ra các kết quả là các sản phẩm theo yêu cầu
mà Bộ KH&CN đề ra cho đề tài.
Các kết quả nghiên cứu chính của đề tài như phần mềm thiết kế tính toán, tập
thiết kế sản phẩm, các quy trình công nghệ, các tiêu chuẩn tiếp tục được sử dụng như
tài liệu kỹ thuật của Công ty.
Các thiết bị, khuôn gá, dụng cụ đã được thiết kế chế tạo để nghiên cứu công
nghệ và chế tạo động cơ 200kW tiếp tục được sử dụng để chế tạo các sản phẩm khác.
Động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V qua thử nghiệm đã chứng minh
được phần mềm tính toán, tập thiết kế sản phẩm, các nghiên cứu công nghệ, quy trình
công nghệ là đạt yêu cầu; Công nghệ chế tạo ổn định; Động cơ có khả năng làm việc
lâu dài đạt công suất thiết kế.
Quá trình thực hiện đề tài, cơ quan chủ trì đề tài đã tổ chức và tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho đông đảo các kỹ sư thiết kế, công nghệ, kỹ thuật xưởng, công nhân kỹ
thuật, cử nhân kinh tế tham gia nghiên cứu thực hiện các nội dung của đề tài (có trên
70 người tham gia). Qua đó đã nâng cao được trình độ chuyên môn, tay nghề, phương
pháp nghiên cứu khoa học, tính năng động sáng tạo cho đội ngũ CBCNV còn rất trẻ
của Công ty.




Mục lục
Mục lục Trang
Lời mở đầu . 3

Chương 1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW ở Việt Nam 9
1.1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW . 9
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 11
1.3 Xác định thông số kỹ thuật, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm mẫu 13

Chương 2 Thiết kế máy điện một chiều 17
2.1 Thiết kế tính toán máy điện một chiều . 17
2.1.1 Thiết kế tính toán điện từ 17
2.1.2 Lập trình phần mềm thiết kế tính toán điện từ 19
2.1.3 Xác định giá trị sử dụng của phần mềm thiết kế tính toán 22
2.1.4 Thiết kế tính toán kết cấu 23
2.2 Thiết kế kết cấu máy điện một chiều 41
2.2.1 Lựa chọn kết cấu của sản phẩm mẫu 42
2.2.2 Giới thiệu về kết cấu và vật liệu sử dụng 42

Chương 3 Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy điện một chiều . 50
3.1 Công nghệ chế tạo cổ góp điện . 51
3.1.1 ảnh hưởng của kết cấu và chế độ làm việc đến công nghệ chế tạo cổ góp 51
3.1.2 Công nghệ chế tạo các chi tiết cổ góp điện . 52
3.1.3 Định hình cổ góp 63
3.2 Công nghệ chế tạo các bộ dây 64
3.2.1 Công nghệ chế tạo bộ dây phần ứng . 64
3.2.2 Công nghệ chế tạo cuộn dây cực từ 67
3.3 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí . 69
3.3.1 Công nghệ chế tạo thân 69
3.3.2 Công nghệ gia công thân 70
3.3.3 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí khác 71
3.4 Công nghệ chế tạo cụm giá than 71
3.4.1 Công nghệ chế tạo giá thanh gá hộp than . 71
3.4.2 Công nghệ chế tạo cụm hộp than 72
3.4.3 Kiểm tra cụm hộp than 73
3.5 Lắp ráp máy điện một chiều 73
3.6 Xây dựng bộ quy trình công nghệ chế tạo máy điện một chiều 78

Chương 4 Chế tạo sản phẩm của đề tài-động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V . 81
4.1 Chuẩn bị điều kiện kỹ thuật cho chế tạo sản phẩm . 81
4.2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ để chế tạo sản phẩm . 83

4.3 Giá trị sử dụng của bộ quy trình công nghệ 86
Chương 5 Thử nghiệm đánh giá chất lượng máy điện một chiều 88
5.1 Xác định các tiêu chuẩn thử nghiệm . 88
5.1.1 Xác định các tiêu chuẩn thử nghiệm máy điện một chiều 88
5.1.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm động cơ một chiều 200kW 90
5.2 Xây dựng phương pháp và quy trình thử nghiệm 95
5.3 Thử nghiệm sản phẩm của đề tài - ĐCMC 200kW-750vg/ph440V 97
5.3.1 Chuẩn bị điều kiện kỹ thuật cho thử nghiệm 97
5.3.2 Thành lập Tổ công tác nghiệm thu sản phẩm . 98
5.3.3 Thử nghiệm động cơ 200kW-750vg/ph-440V 99
5.3.4 Xác định các chỉ tiêu thông số kỹ thuật, đánh giá chất lượng sản phẩm 108
5.3.5 Xác định giá trị sử dụng của sản phẩm . 110

Chương 6 Đánh giá kết quả nghiên cứu của đề tài 112
6.1 Kết quả nghiên cứu của đề tài . 112
6.2 Khả năng ứng dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài . 114
6.3 Đánh giá kết quả đào tạo nguồn nhân lực . 117

Kết luận và kiến nghị . 120
Lời cảm ơn . 128
Tài liệu tham khảo . 130
Phụ lục . 131