大型直流電動機設計及結構特點

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(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

本文所述電機是為某公司中板廠增容改造設計的主傳動直流電機。改造前的老電機是西屋公司上世紀五十年代制造的產品，絕緣性能已經下降，其功率轉速比不能滿足用戶增產的要求。本文所述的改造后的電機在滿足用戶對安裝尺寸要求的前提下，達到了用戶所需要的功率轉速比。

1 電機的型號及規格

改造后的電機銘牌參數：

型號Z2800/1240；額定功率3 800kW；額定電壓950V；額定電流4 440A；轉速50/100r/min；他勵電壓230V。

2 電磁設計簡述

改造后電機的電磁方案是在某廠中板軋機設計經驗的基礎上進行設計的，完全滿足某公司中板廠對電機性能的要求。

改造后的電機選用電樞直徑2 800mm，鐵心長1 240mm，共14極，換向器直徑1 780mm。電樞483槽，每槽換向器2片導體，繞組采用單迭異槽形式，電樞繞組電密5.8A/mm2，線負荷697A/cm，熱負荷4043，電樞1/3齒磁密2.2627T，電樞軛磁密1.3448T。定子補償繞組電密4.76A/mm2，補償百分比99%，換向極繞組電密4.44A/mm2，主極繞組電密1.92A/mm2，定轉子氣隙磁密0.9389T，主極極身磁密1.3796T，主極極靴齒磁密1.6195T，機座磁密1.2384T。換向器平均片間電壓13.8V，高速電抗電勢4.6V。改造后的電機單位轉矩的轉動慣量值達到0.225tm/kN，利用系數C達到7.8×10-6kW/cm3r，電磁設計上所達到的技術水平高于改造前的電機。

3 結構設計

3.1 改造后的電機采用臥式安裝，結構如圖1所示。

圖1 電機結構圖

3.2 電樞結構特點

改造后的電機電樞采用斜槽電樞鐵心，斜槽可以消除由電樞齒、槽產生的磁通脈動以及換向片間電壓的脈動，從而減少低速運行時的轉速脈動和轉矩脈動并降低電機噪聲。電樞槽采用無槽楔結構，降低槽形高度，減少槽漏抗，從而降低電抗電勢、改善換向。電樞鐵心由10張扇形沖片拼成整圓，扇形片槽由數控沖槽機沖制，沖制時各片要編號，迭裝片按編號順序裝迭。電樞鐵心帶有徑向通風溝，通風溝寬度為8mm。電樞迭片后用兩排拉緊螺桿拉緊鐵心，其中外圓一排拉緊螺桿為絕緣螺桿；靠近沖片內圓一排拉緊螺桿為非絕緣結構。為提高抗扭振與機械強度，緊靠支架筋的兩根螺桿，在螺帽下加裝鋼套，并將鋼套牢固地焊在電樞壓板上，既起到定位作用又能承受電樞壓板與鐵心的剪應力。電樞繞組采用全節距異槽式單迭繞組，這種繞組電抗電勢波形平坦、對稱性好，易與換向極磁場波形相匹配，電抗電勢可以較理想的被換向極磁勢抵消。同時，每槽2片導體的設計，可以使每個元件都和槽壁接觸，散熱情況較好。電樞支架采用三層星形輻板和盒形支臂，與支架轂焊接成一體，具備整體性好，結構簡單，節省材料，通風空間大，抗彎抗剪和機械強度高的特點。電樞支架與軸的配合采用加熱鐵心和支架，用干冰冷卻軸的冷熱套軸法。換向器梯排采用銀銅合金材料，增加換向器的耐磨性能。升高片采用銅-鋼-鋼結構，并以硬釬焊連接，提高了升高片的機械強度。

3.3 電樞絕緣特點

改造后的電機電樞沖片采用涂漆冷軋硅鋼片，電樞線圈采用裸銅帶加工成型后外包絕緣，導線絕緣半迭繞0.07mm聚酰亞胺薄膜上膠帶一層，主絕緣半迭繞0.05mm聚酰亞胺薄膜二層(端部一層)、0.14mm環氧聚酯薄膜粉云母帶一層，線圈熱壓成型后下線。支架絕緣采用絕緣壓制件扣放在支架筋上，結構簡單可靠。均壓線采用蝸卷式結構，全臺均壓線做成一個整體，結構合理，安裝方便，成型后整個均壓線懸掛固定在電樞壓板上。換向器端軸承采用絕緣軸承，以防止軸電流損壞軸瓦。傳動端裝有接地電刷，防止軸電壓損壞軸瓦。

3.4 定子結構特點

改造后的電機定子機座采用了上下分瓣結構，結合部用螺栓連接，便于安裝和檢修。整圓定子鐵心由14張扇形沖片組成，機座板與沖片一起迭裝后，加壓、焊接成型，增加了機座剛度。機座成形后內圓加工，保證圓度。主極鐵心用1.5mm薄鋼板迭成，沖片上開有大孔，迭片后插入鋼棒，磁極螺栓擰入鋼棒中的螺孔，使得把合牢靠、穩固。定子采用較多的補償槽，每極補償槽數14，可有效地消除電樞反應的影響。換向極鐵心也是用1.5mm薄鋼板迭成。換向極鐵心鉚壓后進行真空整浸，鐵心剛度好、不變形。定子主回路連線采用兩路并聯，補償連接線采用與補償線圈同一規格的銅帶。補償繞組連接線與補償繞組、換向極連接均采用硬釬焊技術。定子主極線圈、換向極線圈和補償線圈各裝有Pt100鉑熱電阻兩只。為防止機座變形，機座下部裝有千斤頂支撐機座。

3.5 定子絕緣特點

改造后的電機定子主極沖片、換向極沖片、機座沖片均采用涂漆薄鋼板。主極鉚釘、換向極鉚釘、機座沖片拉緊螺栓和電樞鐵心拉緊螺栓均采用絕緣結構，以便適應整流電源供電的要求。主極線圈繞制時刷膠粘劑，繞制后在加熱爐中熱固化成型，主極極身絕緣墊環氧酚醛玻璃布板，前后端放絕緣間隔墊塊，使主極線圈前后端與鐵心之間有20mm間隙，有利于通風散熱。補償線圈為拉制成形的銅帶，半迭繞聚酰亞胺薄膜四層，卷包聚酯薄膜一層，槽絕緣為聚芳纖維紙聚酯薄膜復合箔一層，補償線圈插入槽后與主極一同進行整體真空壓力浸無溶劑漆(VPI)。換向極繞組采用四角焊接結構，用硬銅母線每匝四角焊接成型，繞組用橫穿鐵心的絕緣螺桿固定，露出繞組的螺桿、螺母用絕緣帽封住，其外形整齊、美觀，通風散熱良好。

4 結語

目前，本文所述的改造后的直流電動機已順利通過了產品設計、制造和所有型式試驗項目。經過現場運行的情況來看，各項考核指標正常，技術水平明顯優于改造前的電機，滿足了用戶的使用需求，得到了認可。這為以后改造此類電機奠定了良好的基礎。

[1] 梁曦東，邱愛慈，孫才新，等.電機工程.中國電氣工程大典(第9卷).北京：中國電力出版社，2009.

[2] 胡虔生，胡敏強.電機學.中國工業出版社，2009.7.

[3] 寶鋼2050軋機大電機產品鑒定技術文件.哈爾濱電機廠，1991.