2 500 kW大型直聯(lián)式礦井提升直流電動機設(shè)計簡述

肇東升，趙忠杰，夏 野，王 崢

(哈電集團哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，是聯(lián)系井下與地面的主要運輸工具。目前，我國中容量礦井提升機直流傳動系統(tǒng)均采用晶閘管-電動機方案供電，大容量礦井其副井提升機也多采用直流傳動系統(tǒng)。礦井提升直流電動機是提升機的核心部件，其性能直接影響提升機性能。

通過對2 500 kW直聯(lián)式礦井提升直流電動機設(shè)計電磁和結(jié)構(gòu)等方面闡述了大容量直聯(lián)式礦井提升直流電動機的設(shè)計特點和應注意的問題。

1 電機主要參數(shù)

額定功率:2 500 kW

額定電壓:900 V

額定轉(zhuǎn)速:54 r/min

勵磁電壓:他勵320/160 V

電機技術(shù)要求

工作制:S1

絕緣等級:F級(B級考核)

防護等級:IP44

冷卻方式:ICW37A86

安裝型式:IM5710

電機允許短時間過載能力:2.2倍額定電流持續(xù)60 S，切斷2.25倍額定電流。

2 電機的設(shè)計特點

2.1 電磁設(shè)計

電磁設(shè)計中使用的電磁負載參數(shù)，往往由制造廠逐年積累，編制成表格、曲線或經(jīng)驗公式。它們與電機的運行要求、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)型式、通風方式、絕緣等級、工藝方法等密切相關(guān)。只有正確選擇電磁負載參數(shù)，才能生產(chǎn)出性能優(yōu)良、經(jīng)濟合理的產(chǎn)品。

2.1.1 直流電機的主要尺寸

電樞(鐵心)直徑Da(mm)和長度la(mm)。由此得出的(mm3)與額定功率、額定轉(zhuǎn)速和所選的電磁負載有以下關(guān)系:

式中，αδ為主極極弧系數(shù);Bδ為主極氣隙磁通密度，T;A為電樞線負荷，A/cm;CA為電機常數(shù)，;n為額定轉(zhuǎn)速，r/min;P為電磁功Nem率，kW。

式中，PN為電機額定功率，kW;η為電機額定功率時的效率。

方案選定:

計算功率/轉(zhuǎn)速比值，即PN/nN=2 500/54=46.3。根據(jù)公司以往生產(chǎn)電機所繪出的電樞直徑Da與PN/nN的關(guān)系曲線，可選電樞直徑Da=2 500 mm或Da=3 100 mm。

電樞直徑Da=2 500 mm電機，電樞直徑相對后者較小、槽數(shù)較少，熱參數(shù)較高。且需采用鐵心較長(＞1 000 mm)，不利于通風散熱。

電樞直徑Da=3 100 mm電機，電樞直徑相對前者較大、槽數(shù)較多，熱參數(shù)較低。需采用鐵心較短(530 mm)，散熱較前者好。

可選電樞直徑Da=3 100 mm既而得到電樞鐵心la=530 mm;取極數(shù)16，槽數(shù)316。

經(jīng)計算機程序計算電機得其他參數(shù):

電樞1/3齒磁密BZ1/3=2.179 T;額定負載時電樞回路的電壓降△U=101.8 V;電樞線圈電流密度J=5.79 A/mm2;電抗電動勢平均值er=2.36 V;效率η=0.88;換向區(qū)寬度bk=91.16;bN=167.68;bk/bN=0.544;換向片間平均電壓Unmax=15.19 V;空載時換向片間最大電壓Ukmax=20.97 V;電刷沿換向器表面的位移Cb=5 mm;主極氣隙:8 mm。

2.1.2 礦井提升直流電動機

考慮到直流調(diào)速方法，有恒磁通、恒功率，兩者適合于大容量調(diào)速系統(tǒng)。結(jié)合提升機的工作方式為:正向升速、勻速、降速，反向升速、勻速、降速。拖動提升機的直流電動機勻速都工作在恒轉(zhuǎn)矩(恒磁通)狀態(tài)，升、降速時都又工作在恒功率狀態(tài)。

其恒功率狀態(tài)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍有別于軋鋼電機(有基速與高速之分)。即在額定高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，采用恒功率弱磁;設(shè)計時需考慮高速、基速。提升機電機的設(shè)計基礎(chǔ)要優(yōu)越些。其額定電壓等級是按“高速”，即正反向勻速時的速度設(shè)計的。

礦山行業(yè)中的礦井提升機用直流電動機，其運行特點是頻繁的正反轉(zhuǎn)，且提升機(絞車)的直徑往往遠超過直流電動機電樞外徑。需要作驅(qū)動用的直流電動機采用直接傳動的低速大直徑、短鐵心結(jié)構(gòu)形式，而不再采用大直徑的高速電機加齒輪箱減速的方案，減少電機的傳動損耗、減小電機的占地面積;省去維護費用昂貴的減速器，減少整個設(shè)備的成本、簡化維護手續(xù)、降低運行費用，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計時應考慮強度和剛度、工藝性、結(jié)構(gòu)合理性、零部件的標準化、通用化程度高，互換性好。

2.2.1 電動機結(jié)構(gòu)(如圖1所示)

圖1 2 500 kW直流電動機總裝配圖

1)定子

定子采用疊片機座，主極及換向極鐵心也均為1 mm Q235鋼板疊片，表面絕緣。補償繞組與連接線焊接采用硬焊連接方式，為防止補償繞組在電磁力作用下發(fā)生移動。補償槽采用閉口槽，靠裝配好的主極整體真空浸漬處理，使線圈和鐵心成為一體。為了便于拆裝吊運，電機的定子和刷架均制成上、下兩半可拆式，接逢處用定位銷及螺栓緊固，兩半刷架隨兩半定子裝箱，上半及下半定子有起吊孔，供吊運之用。

主極線圈單獨繞制，套在包好極身絕緣的主極鐵心上，真空浸漆。換向極線圈采用裸銅扁線繞制架空式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既解決了換向極線圈匝數(shù)較多空間難以布置的問題，又減小了風阻有利于通風散熱。主換向極鐵心把緊均采用絕緣鉚釘，減少晶閘管供電產(chǎn)生的不利影響。

磁路采用全疊片結(jié)構(gòu)后，在磁性鋼板沖制的換向極墊片中，渦流的阻尼作用上升為阻礙換向極磁通跟隨電樞電流快速變化的主要矛盾。采用在換向極墊片上沖一些窄槽結(jié)構(gòu)，增加渦流路徑的長度，增大渦流回路的電阻，以抑制墊片中的渦流。換向極氣隙調(diào)整采用磁性和非磁性兩種換向極墊片。非磁性墊片用環(huán)氧玻璃布板沖制，用作換向極第二氣隙，以減少換向極漏磁。

2)電樞

電樞鐵心由兩面刷漆的0.5 mm硅鋼片沖制的電樞沖片疊裝而成，鐵心分成9段，段間設(shè)有徑向通風溝。電樞支架采用箱式結(jié)構(gòu)，電樞沖片裝在電樞支架上，這樣不僅能減輕電樞重量也更利于電樞的通風冷卻。電樞鐵心直線部分采用無緯帶綁扎固定繞組，可減少電樞槽高、降低換向電抗電動勢。電機采用斜槽結(jié)構(gòu)，可消除電機在極低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩脈動，保證運行平穩(wěn)，同時也降低了電機的電磁噪聲。

電樞繞組復波繞組結(jié)構(gòu)型式，非換向器端裝有均壓線結(jié)構(gòu)，削弱由于制造誤差等原因磁路不對稱現(xiàn)象導致的各并聯(lián)支路的感應電動勢不等。

均壓繞組采用漸開線式單獨成形的圓盤式結(jié)構(gòu)，裝置在非換向器側(cè)電樞線圈的下部，充分利用電機的有效空間，從而大大地壓縮了電機的徑向及軸向外型尺寸，使該型電機的結(jié)構(gòu)更加合理、緊湊。

電樞轉(zhuǎn)子與提升機直聯(lián)懸掛，轉(zhuǎn)子支架的支架轂采用油壓脹孔錐套于提升機軸伸上。在支架轂上加工有錐孔(錐度1∶30)的錐套結(jié)構(gòu)，與提升機的帶有錐度的軸伸有不小于0.9 mm的過盈配合。過盈量的選擇主要視電機轉(zhuǎn)矩而確定。

3)底板

底板為整體式結(jié)構(gòu)，備有滑道，便于在安裝及檢修電樞轉(zhuǎn)子(采用滑出定子上半方法安裝及檢修)。

3 電機絕緣

電機的真空壓力浸漆和烘干:浸漆工藝的關(guān)鍵是溫度、壓力和時間決定性的工藝參數(shù)及VPI設(shè)備的工藝性能。真空是為了除去被浸漬工件絕緣物的內(nèi)部水分和揮發(fā)氣體，降低工件內(nèi)部壓強。壓力是為了漆在壓力下更好的充填，浸漬工件絕緣物的毛細空隙。熱態(tài)浸漬是提高漆的流動性便于填充和滲透。

浸漆工藝及固化:被浸漆的工件先在烘爐中預熱至70℃再裝入浸漆罐中。浸漆罐在熱態(tài)下，邊加熱工件邊抽真空。當工件溫度達到65℃時，真空度在26.3 Pa，保持一定時間后，漆溫在70℃時進行輸漆，漆面高于工件50 mm以上穩(wěn)定后，分段加壓15 min左右，壓力在30 N/cm2。溫度達70℃后再穩(wěn)定一段時間回漆，滴干2 h左右后送入烘爐。

浸漆后的固化在普通烘爐中烘培，烘爐的四角放置液態(tài)催化劑，蒸發(fā)除霧狀氣體彌漫與烘爐空間，使與浸漆工件表面接觸加速固化來防止浸漆后漆液流失，固化溫度在150℃ ±5℃，經(jīng)20 h左右，電樞線圈絕緣就固化一整體。

4 電機現(xiàn)場安裝

電機懸掛在提升機主軸的一端，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。軸錐度為1∶30，緊量根據(jù)提升機力矩決定，一般為0.5～0.7 mm。套軸的壓力一般為60～65 MPa。先清理液壓油蓋及各配合零件表面，將O型密封圈嵌入油壓蓋密封槽內(nèi)。用200 mm×200 mm框架水平尺校正軸的水平。

將電樞套入軸上，將液壓蓋固定于提升機軸端上，排氣孔要位于上方，進油孔在下方。起動油泵8讓油沖滿電樞與液壓蓋腔體，氣塞排氣并有油噴出后擰緊放氣塞。關(guān)閉油泵8。

起動油泵8再次向軸端腔體注入高壓油，其壓力表指針微動，電樞輕松地向軸大端移動。此時要在軸上標記好電樞位置，并按緊量計算出軸向位移尺寸且在軸上做好標記。在距標記10 mm處再做一標記。

逐漸增加油泵8的油壓到24 MPa，同時啟動油泵7向軸端面上兩進油孔輸油，逐漸增壓至50 MPa。這時電樞在軸向油壓的推動下向主軸大端移動，逼近按緊量計算的標記。經(jīng)過約30 min后，若電樞仍未至緊量標記線時，再逐步增加油泵7的油壓至60 MPa，同時將油泵8的油壓升至30 MPa。當電樞移動至緊量標記線時，關(guān)閉油泵7停止供油，再關(guān)閉油泵8停止供油。油泵7的油壓最大不要超過65 MPa，油泵8的油壓最大不要超過35 MPa。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

ZKJ型礦井提升直流電動機是由我公司專為煤炭、礦山行業(yè)而開發(fā)的產(chǎn)品，其主要特點是電機采用不帶軸和軸承座與提升機直接聯(lián)接的懸掛式懸臂結(jié)構(gòu)，通常采用的是大直徑的液壓錐套聯(lián)接?！按笾睆?，短鐵心”為該類電機結(jié)構(gòu)特點，切記鐵心不得過長。

我公司至20世紀80年代開始生產(chǎn)大型直流直聯(lián)礦井提升直流電動機，已生產(chǎn)該類產(chǎn)品上百臺，經(jīng)長期生產(chǎn)實踐，技術(shù)已相當成熟，同時在產(chǎn)品質(zhì)量也得到用戶認可。