大型無刷勵磁電機的結(jié)構(gòu)特點

劉兆江,李俊亭,楊旭東

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

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大型無刷勵磁電機的結(jié)構(gòu)特點

劉兆江,李俊亭,楊旭東

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過實例介紹了大型無刷勵磁電機的結(jié)構(gòu)和風(fēng)路特點，其中主要介紹了冷卻結(jié)構(gòu)、鐵心和繞組結(jié)構(gòu)、交流勵磁機旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)。驗證了無刷勵磁電機雖然結(jié)構(gòu)特殊、制造難度大，但性能十分可靠，為同類電機提供了一定的參考價值。

無刷勵磁電機；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

0 引言

無刷勵磁電機是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而研制起來的，是集防爆技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體，并與電機相結(jié)合而產(chǎn)生的新型電機。它消除了易產(chǎn)生拉弧、電火花且需定期維護(hù)更換的碳刷和滑環(huán)機構(gòu)，徹底杜絕了碳刷和滑環(huán)接觸不良、碳刷長期磨損而發(fā)生的各種電機故障，因此在礦山、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合某項目電機，詳細(xì)介紹無刷勵磁電機的主要結(jié)構(gòu)的特點。

1 電機技術(shù)參數(shù)

1.1 技術(shù)參數(shù)

額定功率：7800kW；額定轉(zhuǎn)速1000r/min，勵磁電壓：110V；勵磁電流：397A；工作制：S1；冷卻方式：IC81W。

2 電機結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由主機、勵磁發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)整流器三部分組成，勵磁機的本體結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機相同，即定子為隱極勵磁磁極，轉(zhuǎn)子為電樞，定轉(zhuǎn)子均采用三相對稱繞組，定子側(cè)接三相交流調(diào)壓器。旋轉(zhuǎn)整流器是一個隨電動機主磁場和勵磁機電樞一起旋轉(zhuǎn)的圓盤體，其上裝有旋轉(zhuǎn)整流二極管。當(dāng)同步電動機旋轉(zhuǎn)時，無刷勵磁機的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出交流三相電動勢，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器上的二極管整流后成為直流電流，直接供給同步電機的勵磁繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)整流盤、勵磁機電樞和主機采用緊配合連接方式，保證了良好的同軸度，以利于減小振動、降低噪聲，提高電機運行的可靠性。

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)

冷卻結(jié)構(gòu)是電機整體設(shè)計的重要組成部分，關(guān)系到電機能否正常和安全運行，是電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。該電機風(fēng)路分為主機和勵磁機兩部分，主機風(fēng)路又分為主風(fēng)路和支風(fēng)路兩條，冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷卻結(jié)構(gòu)圖

主風(fēng)路由安裝在機組上方的空空冷卻器和主軸上的雙側(cè)軸流式風(fēng)扇及主機內(nèi)的附屬部件組成。風(fēng)扇提供克服風(fēng)路風(fēng)阻并使電機熱量擴(kuò)散的循環(huán)風(fēng)壓，用以保證電機冷卻后氣體由主機兩端進(jìn)入，從中部出來后與空空冷卻器完成熱交換。電機引線端和非引線端結(jié)構(gòu)基本對稱，因此兩側(cè)同高度位置處的溫度也基本相同。支風(fēng)路將勵磁機風(fēng)路并入，在主機端板上開有位置和大小適當(dāng)?shù)娘L(fēng)口，與出風(fēng)管1的一端連接，出風(fēng)管1的另一端連至接管 ，主機內(nèi)熱交換后的一部分氣體由出風(fēng)管1進(jìn)入勵磁機機座，和進(jìn)入勵磁機中的冷空氣匯合后先對旋轉(zhuǎn)整流盤進(jìn)行冷卻，然后在外部風(fēng)壓和旋轉(zhuǎn)整流盤作用下分為三路對勵磁機進(jìn)行冷卻：一路經(jīng)過定轉(zhuǎn)子氣隙；另一路經(jīng)過勵磁機機座和筋形成的風(fēng)道；第三路經(jīng)過電樞支架上的風(fēng)孔。由于風(fēng)阻的大小影響風(fēng)量的分布，因此風(fēng)道與風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)和數(shù)量應(yīng)合理選擇，以保證電機各部溫升滿足設(shè)計要求。

三路風(fēng)完成勵磁機內(nèi)部件冷卻后，進(jìn)入勵磁機后端，勵磁機后罩上開有出風(fēng)口，出風(fēng)管2一端與其相連，另一端與內(nèi)風(fēng)管連接，內(nèi)風(fēng)管再與出風(fēng)管3連接，出風(fēng)管3穿過主機端板與主機擋風(fēng)板上的通風(fēng)孔相連。這樣，勵磁機內(nèi)的氣體和主機下部的氣體與空空冷卻器完成了熱交換，即主機下部氣體又重新通過勵磁機通道進(jìn)行了二次冷卻，加強了下部氣體的流動，解決了主機上下部溫差大的缺點。同時出風(fēng)管1和出風(fēng)管3分別與主機端板和主機擋風(fēng)板相連，將主機部分的風(fēng)壓引入勵磁機，解決了勵磁機風(fēng)壓低的問題。為保證冷卻系統(tǒng)的密閉性 ，管路間采用焊接和易于拆卸的法蘭兩種連接方式。

2.2 鐵心和繞組結(jié)構(gòu)

主機定子鐵心由扇形片拼成整圓，沖片厚度為0.5 mm，材料為DW540-50冷軋硅鋼片。每片沖片有3個拉緊螺桿孔，拉緊螺桿材質(zhì)為45號冷拉圓鋼(11級)。沖片疊裝后加壓，與機座板焊接成型，增加了機座剛度。定子鐵心采用直槽結(jié)構(gòu)，徑向通風(fēng)溝寬為7mm。勵磁機定子鐵心為整圓沖片，材質(zhì)與主機相同。為便于散熱，鐵心段有通風(fēng)溝，兩端用壓板壓緊。勵磁機定子繞組為散下圓導(dǎo)線繞組，采用梨形槽。這種槽形的齒上下等寬，屬于平行齒，主要有3個優(yōu)點：首先槽口小，表面齒寬度大，加大了主磁通穿過的氣隙面積，減小了主磁路的磁阻和定子氣隙系數(shù)，降低了勵磁電流，提高了功率因數(shù)；其次降低了電機的表面損耗和脈振損耗，利于電機效率的提高；另外槽底為圓形，能減小槽絕緣的彎曲程度，避免損傷絕緣材料。

繞組為扁銅線繞制的成型線圈，斜邊間隙用熱脹型玻璃氈墊塞緊，端部用內(nèi)外端箍雙重綁定，然后進(jìn)行VPI無溶劑真空浸漬，進(jìn)一步保證了定子繞組的電氣性能和機械性能。定子接線采用銅環(huán)結(jié)構(gòu)，6根定子引出線由電機側(cè)面引出。電機定子繞組埋置6個鉑電阻測溫元件Ptl00，繞組測溫元件的引出線分別接至專用出線盒內(nèi)；電機的進(jìn)出風(fēng)口處放置3 個電接點溫度表(其中進(jìn)風(fēng)2 個、出風(fēng)1 個)，可在控制室適時監(jiān)控電機繞組及風(fēng)口的溫度情況。

2.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是能量轉(zhuǎn)換和扭矩傳遞的主要部件，分為疊片轉(zhuǎn)子和實心轉(zhuǎn)子兩種，該電機采用實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，不僅具有較高的機械強度，還具有較好阻尼特性和抑制諧波的效果，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

主軸材質(zhì)為鍛鋼25Cr2Ni4MoV，與主極的極身一體，鐵心兩端安裝旋槳式風(fēng)扇，非負(fù)載端裝有勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器，旋轉(zhuǎn)整流器與主軸止口定位，采用螺栓把合連接方式。磁極包括6個勵磁繞組、磁極壓板和極身。勵磁繞組由磁極線圈、極間連接線、磁極引出線及沉頭螺釘組成。磁極線圈按順時針方向繞制，磁極引出線用沉頭螺釘固定在磁極線圈上并引出，極間連接線和磁極引出線采用多層0.5mm厚軟銅片構(gòu)成，其截面積大于線圈銅排截面積，銅排搭接面積為銅排截面積的10倍。為使導(dǎo)電性好，軟銅片上鍍錫。該線圈經(jīng)二次退火、冷壓引線成型鉆孔后進(jìn)行線圈的引線連接，有效防止了磁極線圈引線根部燒斷或引線過熱導(dǎo)致的極間連線斷裂和轉(zhuǎn)子開路事故。磁極線圈帶有散熱匝為四角焊結(jié)構(gòu)，匝間絕緣采用兩層0.13mm厚上膠Nomex紙，層間絕緣和對地主絕緣使用固化成型的高強度絕緣材料。磁極線圈套入極身后，用浸膠滌綸氈和環(huán)氧玻璃布板將端部和其它所有縫隙塞滿，再放上磁極壓板，安裝磁極螺栓緊固，螺栓預(yù)緊力應(yīng)充分考慮離心力及電磁力，使線圈、磁極壓板及上、下托板牢固可靠。每極間裝有撐塊，采用螺栓固定在磁軛上，防止線圈的周向竄動。 轉(zhuǎn)子上的磁極引線常采用電纜連接方式，優(yōu)點是安裝方便，但對于轉(zhuǎn)速較高的電機，由于空間位置的限制，電纜線一般用綁繩或線夾固定在磁軛或套筒上，以克服電機高速旋轉(zhuǎn)下所受的離心力。如果綁繩材料選用不合理，綁扎方法不合適或綁扎位置不適當(dāng)，均會造成電纜線在離心力與其它拉力的綜合作用下擺脫綁繩的的束縛而松脫，造成掃膛或勵磁失效，使電機不能正常工作。本電機對磁極引線固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 磁極引線固定結(jié)構(gòu)

主軸的非傳動端有不影響機械強度的不貫通中心孔，孔內(nèi)放入F級環(huán)氧玻璃布管，厚度根據(jù)勵磁電壓決定，但由于絕緣材料的特殊性，厚度一般大于3mm。環(huán)氧玻璃布管內(nèi)放入兩個截面為弧形的銅板作為正負(fù)極導(dǎo)電板，其徑向加工有與磁極引線位置對應(yīng)的螺紋底孔，導(dǎo)電板截面積及螺紋規(guī)格根據(jù)電密選取，但不低于勵磁線圈截面積。兩導(dǎo)電板之間放入5mm厚環(huán)氧玻璃布板，絕緣強度滿足勵磁系統(tǒng)要求。導(dǎo)電螺桿與導(dǎo)電板材質(zhì)相同，縱截面為階梯型，兩端帶有螺紋，非螺紋部分包有云母帶，浸漆固化后具有良好絕緣效果和機械強度。主軸和環(huán)氧玻璃布管上加工有通孔，位置與磁極引線對應(yīng)，導(dǎo)電螺桿穿過通孔與導(dǎo)電板連接，然后安裝壓塞，另一端用螺母緊固，使導(dǎo)電板與主軸位置固定。磁極引線接頭安裝在銅墊片與壓緊螺母之間，改善了磁極引線安裝和拆檢的繁瑣問題，增加了轉(zhuǎn)子部件的安全性。

2.3 交流勵磁機旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)

無刷勵磁機承擔(dān)著將交流電轉(zhuǎn)為直流電的關(guān)鍵功能，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 勵磁機旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)

由于電樞鐵心沖片內(nèi)徑較大，不能直接裝在主軸上，因此在主軸和鐵心間增加電樞支架。電樞支架具有良好的機械強度，外圓處開有定位鍵槽，安裝沖片時以鍵定位，保證鐵心槽口對齊，防止槽內(nèi)的凸凹片損傷電樞繞組絕緣。 鐵心上有通風(fēng)溝，位置和數(shù)量與定子通風(fēng)溝相同，加強了勵磁機的冷卻效果。鐵心兩端為端板，壓緊鐵心后與電樞支架焊接固定，減少齒部外漲。繞組為成型繞組，與散繞組相比，具有端部散熱好和機械強度高的優(yōu)點。端板兩側(cè)各裝有一定數(shù)量的支撐筋板，支撐筋板與繞組之間墊有絕緣環(huán)，在滿足電機對地絕緣要求的前提下增加了繞組的剛度。 由于電機運行時繞組端部承受較大的離心力和電磁力，因此使用高強度無緯玻璃絲帶將電樞繞組的端部和引出線固定在星形支撐筋上，使浸漆后的繞組和鐵心成為一體。旋轉(zhuǎn)電樞與主軸不需經(jīng)常拆卸，采用定心性好的過盈配合，其結(jié)構(gòu)簡單，承載能力高，對軸的強度削弱小。考慮到繞組的承受溫度，熱套最高溫度根據(jù)電機的F絕緣等級而定為150℃。

3 結(jié)語

本文對我公司研制的大型無刷勵磁電機的冷卻系統(tǒng)及主機和勵磁機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，目前該樣機在現(xiàn)場運行狀況良好，證明此電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，對于同類電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值和實用意義。

[1] 李幼倩，韓君強.現(xiàn)代新型無刷勵磁同步電動機的設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.1.

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[3] 王永昌. 電機制造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.11.

Structural Characteristics of Large-Sized Brushless Excitation Motor

LiuZhaojiang,LiJunting,andYangXudong

(Harbin Electric Power Equipment Co ., Ltd ., Harbin 150040, China)

This paper introduces structure and wind path characteristics of large-sized brushless excitation motor on the basis of a practical example, and focuses on cooling structure, iron core and winding structures as well as AC exciter′s rotating armature structure. It has been verified that the performance of brushless excitation motor is very reliable although its structure is special and its manufacture is very difficult. They provide a certain reference for design of similar motors.

Brushless excitation motor；structure；design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.06

TM303

B

1008-7281(2016)06-0018-004

劉兆江 男 1973年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機與電器專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計開發(fā)工作.

2015-09-28