某型直流電機電樞結構優化設計

雷 雯

應用研究

某型直流電機電樞結構優化設計

雷 雯

（中國人民解放軍海軍裝備部武漢地區軍事代表局駐湘潭地區軍事代表室，湖南湘潭 411101）

某型直流電機的電刷長時間磨損產生碳粉而導致電機絕緣電阻低，其相關的結構還存在優化空間。根據實際應用需求，分析直流電機的結構，并對電機加以優化設計。通過試驗驗證優化設計的電機性能優良，證明優化設計達到預期目標。

直流電機 電樞 絕緣電阻 優化設計

0 引言

直流電機擴大機作為一型特種直流電機具有直流電機起動和調速性能好，調速范圍廣、平滑，過載能力強，受電磁干擾影響小等優點；同時因采用換向器、電刷等換向結構，也存在電刷磨損、換向火花、絕緣電阻容易下降等固有弊端。隨著科技的進步和技術的發展，直流電機的材料和結構等技術也有著新的發展。根據多年直流軋鋼電機和水下推進直流電機、發電機處理的經驗，并結合使用情況經過統計和分析，針對某型電機在使用過程中出現的電樞絕緣電阻低的問題，提出了該電機優化改進方案。首先對原電機結構進行分析，然后設計可行方案，通過仿真分析優化設計參數，最后通過試驗驗證，以達到優化設計目標。

1 總體思路

根據前期調研，直流擴大機電機絕緣電阻降低主要原因是在環境濕度大的情況下電刷磨損產生的碳粉堆積在電機內部造成電機爬電距離過小而引起的。

根據電機的結構特點[1]，從電樞結構優化以減少碳粉進入電樞內部，以減少碳粉產生量方面對電機進行優化。

2 結構分析

該電機為典型直流電機結構[2]，電機內部風路如圖1所示。

從圖中可知，第一路風從電樞的換向器表面通過，經過定電樞氣隙到達風扇；另一路風從換向器軸向通風孔，經電樞鐵心通風槽到達風扇，由離心風扇將風抽出電機，達到散熱冷卻效果。其中第一路在風經過繞組表面時，通過繞組間隙，從換向器升高片尾部間隙經過，從電機鐵心通風槽引出至離心風扇抽出電機。

這種換向器與鐵心之間的繞組采用鋼絲綁扎，繞組與升高片之間的錫焊（在上世紀九十年代末期之前，國內通用的成熟結構和工藝），既克服了繞組線圈外擴的離心力，又不影響風路的通風。

圖1 通風示意圖

電機長期運行后，電刷磨損產生的碳粉在圖2中的①、②等處堆積，造成兩升高片之間爬電距離縮短，導致電樞繞組的絕緣電阻降低。當絕緣電阻降低時，就需進行碳粉清理。若電機內部受潮時，堆積的碳粉濕潤成泥，將加劇碳粉的堆積，增加了碳粉清理的難度，此種狀態出現時，必須將電樞抽出并采用專用清洗劑清洗，否則很難將碳粉清理干凈，進而很難將電機絕緣電阻維持在較為良好的水平。

圖2 碳粉堆積示意圖

3 優化措施

根據多年來對軋鋼直流電動機和水下直流推進電機、發電機處理問題的經驗，針對引起電樞絕緣[3, 4]下降的原因對電樞換向器的兩處薄弱點采用密封的方式阻止碳粉進入。

將換向器套筒尾部與繞組支架形成一個止口配合，然后將升高片根部與繞組端部下部空間采用適形氈填充，并用無緯帶將繞組與下部空間隔離開，阻止碳粉從通風道方向進入該空間。在換向器升高片的尾端加工一個4×2的缺口，電樞在嵌線完成后，在繞組表面綁扎無緯帶，無緯帶從鐵心綁扎至缺口處，將繞組和升高片的結合部位全部封閉。無緯帶經固化后，形成一個整體，碳粉不能在該表面存留，也不能滲透入升高片背部空間，有效提高了電樞的絕緣可靠性。如圖3所示。

圖3 尾部密封示意圖

4 仿真分析

由于結構上的調整可能引起風路的變化，進而影響電機溫升。為對流體及溫度場二者進行分析，選用有限元分析的辦法對這兩方面進行分析[5]。

根據該電機循環通風結構與周向對稱結構，按照新方案建立周向1/8仿真模型，定子繞組與電樞繞組等效絕緣層厚度取0.5mm，層間絕緣墊塊與槽楔均按實際厚度建模，然后對電機進行仿真分析。參數設置見表1、表2。

表1 溫度場損耗加載

表2 導熱系數設置

注：流體域中，風溫度40℃，電機轉速1450r/min，其他邊界按實際情況定義成周期性邊界或絕面。

優化結構電樞流體速度矢量分析見圖4，端部溫度云圖見圖5，定子溫度云圖見圖6。

5 試驗驗證

為進一步驗證電機風路及溫升的變化，對電機進行溫升考核，溫升試驗結果如表3：

圖4 優化方案局部速度矢量圖

圖5 電樞繞組溫度云圖

圖6 定子溫度云圖

表3 電機溫升試驗結果

溫升試驗結果表明，電機結構的優化對電機風路影響較小，溫升仍然在技術標準范圍內。

為驗證電機絕緣結構選取優化后的電機和未優化的電機各一臺放入封閉環境，同時將與電機同牌號電刷碾碎成粉末，撒入封閉空間內，拖動電機運行，在揚塵環境下持續檢測電機絕緣；采用自動化設備在封閉空間內模擬海洋高濕度環境，持續檢查電機絕緣。

通過上述試驗發現，優化后的電機在同樣的環境下，絕緣可靠性較未優化電機有較大提升。絕緣電阻檢測值如表4。

表4 電機絕緣電阻檢測值

6 結語

本文對直流擴大機電樞結構進行了優化設計，利用有限元分析方法對所設計的電機進行了參數化分析，并對所設計的電機進行試驗驗證。從結果看本文優化設計的電機絕緣性能有較大提升，有效提升電機的可靠性。設計優化方法可以為同類電機設計與分析提供一定程度的幫助。

[1] 李發海. 電機學[M].北京: 科學出版社, 2007.

[2] 陳世坤. 電機設計[M].北京: 機械設計出版社, 2002.

[3] 李英存, 佘強. 電機絕緣診斷和壽命延長方法[J].絕緣材料通訊, 1997(05): 39-42.

[4] 李季嬰.電機絕緣的檢測[J].電工技術. 1984(09): 32-34.

[5] 王其鋒, 魏雪環, 劉勇, 趙飛. 基于Ansys和MotorCAD仿真的無刷直流電機溫度場分析[J].機電信息,2019, (17): 154-155.

Optimization Design of Armature Structure of a Shipboard DC Motor

Lei Wen

（Military Representative Room of the PLA Navy Equipment Department in Xiangtan Area, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM33

A

1003-4862（2021）02-0057-03

2020-12-15

雷雯（1980-），男，本科。研究方向：電氣工程。E-mail: xemcjiexi@126.com