高壓繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李紅軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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高壓繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李紅軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要介紹了YR及YRKK高壓繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)應(yīng)用場所和市場前景。并例舉了轉(zhuǎn)子引接線、集電環(huán)-刷架等方面優(yōu)化前易出現(xiàn)的問題。通過重新設(shè)計優(yōu)化方案，對轉(zhuǎn)子引接線的固定及保護(hù)，刷架結(jié)構(gòu)，集電環(huán)、碳刷材質(zhì)，集電環(huán)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效地解決了優(yōu)化前電纜損壞、變形等問題。

關(guān)鍵詞高壓電機(jī)；繞線轉(zhuǎn)子；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

YR及YRKK高壓繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)(以下簡稱YR及YRKK電機(jī))作為一種通用的驅(qū)動設(shè)備。由于在其轉(zhuǎn)子外部可以串入電阻箱或頻敏電阻器，可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)起動性能的作用，因此廣泛地應(yīng)用于壓縮機(jī)、破碎機(jī)、磨煤機(jī)、風(fēng)機(jī)及水泵設(shè)備的驅(qū)動中[1]。雖然高壓變頻電機(jī)完全可以替換YR及YRKK電機(jī)，但面對昂貴的變頻器，更多的客戶更愿意選擇價格低廉、性能優(yōu)越的YR及YRKK電機(jī)，因此YR及YRKK電機(jī)具備良好的市場前景。

1優(yōu)化設(shè)計前易出現(xiàn)的問題

在使用時，YR及YRKK電機(jī)需要在轉(zhuǎn)子外串入電阻箱或頻敏電阻器。所以，同普通籠型三相異步電動機(jī)相比，YR及YRKK電機(jī)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上增加了滑環(huán)-刷架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子引接線、轉(zhuǎn)子接線盒等零部件。所以YR及YRKK電機(jī)在結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，也更易出現(xiàn)以下幾方面問題。

1.1轉(zhuǎn)子引接線問題

YR及YRKK電機(jī)轉(zhuǎn)子采用TMR銅排線圈，轉(zhuǎn)子線圈嵌線完成后，需通過電纜跨越軸承后與滑環(huán)連接[2]。通常采用的方法為：在軸上鉆斜孔和沿軸線鉆直孔，電纜與線圈連接后通過軸上斜孔，再通過軸內(nèi)直孔引出軸端，與滑環(huán)接線柱相連接，經(jīng)常出現(xiàn)問題。

(1)轉(zhuǎn)子線圈與斜孔間的電纜由于沒有固定或固定效果不好，受離心作用，電纜容易發(fā)生竄動繼而損傷燒毀，如圖1所示。

(2)軸上斜孔與直孔交匯處尖角不易處理，經(jīng)常劃傷電纜，如圖2所示。

(3)直孔內(nèi)電纜沒有固定或固定效果不好，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，電纜經(jīng)常纏繞、變形。

(4)電纜伸出軸孔部位由于沒有保護(hù)措施，經(jīng)常摩擦電纜，導(dǎo)致電纜損傷。

圖1電纜沒有固定而燒毀

圖2電纜劃傷

1.2集電環(huán)-刷架問題

集電環(huán)-刷架作為轉(zhuǎn)子繞組與外接電阻的連接者，在YR及YRKK電機(jī)中起著至關(guān)重要的作用，同時也是最易發(fā)生問題的部位。由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時碳刷與集電環(huán)高速摩擦，設(shè)計及加工、安裝不夠精細(xì)合理的話，會經(jīng)常發(fā)生放電、打火以及集電環(huán)燒毀等問題，具體情況如下。

(1)碳刷盒與滑環(huán)之間距離近，且固定不可調(diào)，刷盒甚至直接接觸到了滑環(huán)，導(dǎo)致刷盒直接與滑環(huán)接觸導(dǎo)電，嚴(yán)重時打火引起碳粉燃燒發(fā)生放炮現(xiàn)象，見圖3。

圖3滑環(huán)損傷

圖4刷盒燒損

(2)集電環(huán)材質(zhì)與碳刷材質(zhì)不匹配。優(yōu)化前電機(jī)碳刷材質(zhì)由銅和石墨制成，與其配套的集電環(huán)材質(zhì)為錫青銅。經(jīng)過多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，碳刷材質(zhì)相對于與其配套使用的集電環(huán)相對較硬。當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)滑環(huán)表面出現(xiàn)凸凹不平的小坑，從而造成碳刷發(fā)生抖動。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行達(dá)到一定時間后，放電、打火等故障相繼發(fā)生。

(3)集電環(huán)表面散熱不好。當(dāng)YR及YRKK電機(jī)功率較大時，轉(zhuǎn)子電流也隨之增大。此時碳刷在高速摩擦?xí)r，電和熱相互疊加作用，導(dǎo)致集電環(huán)表面溫度急劇升高。當(dāng)熱量聚集到一定程度時，集電環(huán)環(huán)表面開始灼傷、損壞[3]。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1轉(zhuǎn)子引接線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

轉(zhuǎn)子引接線部位是繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)的重中之重。其結(jié)構(gòu)是否合理，固定是否牢固，直接關(guān)系到繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠性。本次優(yōu)化設(shè)計在兼顧轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻，實(shí)際操作切實(shí)可行的前提下，在轉(zhuǎn)子引線進(jìn)入軸斜孔處安裝固定盤，將轉(zhuǎn)子引線用固線夾固定在固定盤上，防止轉(zhuǎn)子引線及斜孔保護(hù)套受離心力作用在軸上竄動。同時在軸斜孔處、直孔內(nèi)、電纜伸出軸孔處安裝斜孔保護(hù)套、直孔保護(hù)套、軸頭保護(hù)套，防止轉(zhuǎn)子引線劃傷、纏繞、摩擦等，如圖5所示。其中要注意的是：在用螺栓把緊固定夾時，必須使用止動墊圈。

圖5轉(zhuǎn)子引線固定及保護(hù)示意圖

2.2集電環(huán)-碳刷結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1刷架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決刷架上刷盒與集電環(huán)過近問題，本次將從以下兩個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

(1)將刷架支撐桿由兩支撐桿改為三支撐桿。優(yōu)化設(shè)計前刷架由兩個支撐桿穿過三相導(dǎo)電片對整體刷架進(jìn)行固定支撐。這很容易造成最外側(cè)一相的刷架下垂，繼而刷盒貼近集電環(huán)表面。優(yōu)化設(shè)計后，將兩支撐桿改為三支撐桿，有效地防止了最外側(cè)一相的刷架下垂，并增強(qiáng)了整體刷機(jī)的穩(wěn)定性，如圖6所示。

圖6刷架三支撐結(jié)構(gòu)

(2)刷盒安裝孔改為長圓孔。將刷盒安裝孔優(yōu)化為長圓孔后，可以在徑向方向上對刷盒的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使每個刷盒與滑環(huán)表面之間的距離距離在3～5mm之間，這樣能夠確保電機(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。從目前裝配情況及電機(jī)運(yùn)行情況來看，效果非常好。如圖7所示。

圖7刷盒長圓形安裝孔

2.2.2集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)集電環(huán)、碳刷材質(zhì)優(yōu)化。針對集電環(huán)材質(zhì)與碳刷材質(zhì)不匹配的問題，本次優(yōu)化設(shè)計，將電機(jī)集電環(huán)材質(zhì)改為不銹鋼，這樣做不僅節(jié)省成本，而且集電環(huán)的硬度也能保證。碳刷材質(zhì)由銅粉和高純度石墨及部分調(diào)節(jié)劑制成。采用特殊包衣工藝，形成篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使材料導(dǎo)電、潤滑性能分離，提高電流承載密度。經(jīng)過與多次對比試驗(yàn)證明：集電環(huán)、碳刷采用此套材質(zhì)組合，在抑制碳刷磨損、抑制電氣磨損、提高電刷壽命等多個性能方面上，均優(yōu)于其它現(xiàn)有材質(zhì)組合。

(2)集電環(huán)表面增設(shè)螺旋溝槽。為了改善集電環(huán)表面通風(fēng)散熱問題，本次優(yōu)化設(shè)計，在集電環(huán)表面增設(shè)螺旋溝槽，如圖8所示。集電環(huán)表面增加螺旋溝槽后，當(dāng)集電環(huán)隨著電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，螺旋溝槽所產(chǎn)生的風(fēng)一方面能加強(qiáng)集電環(huán)表面、電刷表面通風(fēng)散熱，降低集電環(huán)、碳刷表面溫度。另一方面能有效地將碳粉排除干凈。避免碳粉粘結(jié)在集電環(huán)與碳刷表面而導(dǎo)致的集電環(huán)與電刷運(yùn)行不良、機(jī)械損耗與電氣損耗快速上升、碳刷磨損過快、打火等問題。

圖8集電環(huán)表面增設(shè)螺旋溝槽

3結(jié)語

YR及YRKK電機(jī)最容易出現(xiàn)問題的兩個部分就是轉(zhuǎn)子部分與集電環(huán)-刷架部分。通過上述優(yōu)化設(shè)計方案，從多個方面對YR及YRKK電機(jī)轉(zhuǎn)子部分、集電環(huán)-刷架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。并通過近一年時間的對比跟蹤，能夠證明上述優(yōu)化設(shè)計方案是切實(shí)可行的，能夠有效地解決優(yōu)化前YR及YRKK電機(jī)易出現(xiàn)的問題的。

參考文獻(xiàn)

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Optimal Structure Design of High-Voltage Wound-Rotor Motor

LiHongjun

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractApplication place and market prospect of YR and YRKK series high-voltage wound-rotor motors are introduced in this paper. Problems of easy occurrence before optimization of rotor lead wire, collecting ring, brush carrier and other aspects are illustrated. Through redesigning optimum scheme, fixing and protecting rotor lead wire, optimizing structure of brush carrier and collecting ring, and optimizing material of carbon brush and collecting ring, the problems of damage and deformation of the cable before optimization are effectively solved.

Key wordsYR and YRKK;wound rotor;structure optimization

收稿日期：2015-08-26

作者簡介：李紅軍1974年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計工作.

中圖分類號：TM343+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0006-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.02