調(diào)相機(jī)集電環(huán)刷架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

集電環(huán)-刷架系統(tǒng)是供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的動(dòng)靜結(jié)合裝置，其性能對(duì)調(diào)相機(jī)的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。

集電環(huán)-刷架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從以下兩個(gè)方面考慮：(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。刷架系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)受到來自基礎(chǔ)傳來的振動(dòng)，同時(shí)電刷在運(yùn)行過程中會(huì)受到來自集電環(huán)旋轉(zhuǎn)而帶來的外力作用，進(jìn)而作用在刷架系統(tǒng)上，而電刷在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性要求很高，否則極易產(chǎn)生電刷破損、電流不均，進(jìn)而過熱而導(dǎo)致燒毀等事故，影響了調(diào)相機(jī)的安全可靠運(yùn)行。(2)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電刷與集電環(huán)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗和電氣損耗而導(dǎo)致發(fā)熱，需要將電刷和集電環(huán)的運(yùn)行溫度控制在一定范圍內(nèi)，這就需要采取有效的通風(fēng)冷卻來降低運(yùn)行溫升，確保集電環(huán)-刷架系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)概況

調(diào)相機(jī)刷架主要包括底架、隔音罩、風(fēng)扇、風(fēng)扇罩等部件，各部件主要功能如下：(1)底架。底架由鋼板焊接而成，用于支撐整個(gè)刷握裝配以及勵(lì)磁引線的固定、氣封管的布置等。(2)刷握裝配。刷握裝配由導(dǎo)電板、支撐板、絕緣座、刷握及電刷組成，是刷架系統(tǒng)的核心部件；由導(dǎo)電板、支撐板、絕緣座組成刷握的支撐系統(tǒng)，其穩(wěn)定性對(duì)于電刷的運(yùn)行安全有很大影響，而刷握和電刷的選擇則是刷架的設(shè)計(jì)核心。(3)隔音罩及端板。隔音罩由鋼板焊接制成，為箱式結(jié)構(gòu)，其除用于阻隔空氣中灰塵、降低集電環(huán)和集電環(huán)風(fēng)扇處的噪音等級(jí)及防護(hù)集電環(huán)刷架外，還參與構(gòu)成集電環(huán)和集電環(huán)風(fēng)扇處的通風(fēng)回路。在隔音罩的設(shè)計(jì)中,為了安裝、檢修維護(hù)、以及布置外部風(fēng)路的方便,一般應(yīng)將隔音罩設(shè)計(jì)得較為寬敞,內(nèi)壁設(shè)計(jì)有吸隔音材料罩,能將集電環(huán)部分的噪聲降低到85dB(A),滿足國技術(shù)協(xié)議的要求。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速：3000/min；集電環(huán)外徑(mm)：355；集電環(huán)寬度(mm)：190；集電環(huán)表面線速度：55m/s；額定勵(lì)磁電流：2381A；電刷的尺寸(mm)：25.4×38.1×100；電刷的數(shù)量：80只；額定工況電刷電流密度：6.24A/cm2。

2.3 集電環(huán)結(jié)構(gòu)

集電環(huán)通過熱套裝配在轉(zhuǎn)軸上，同時(shí)兩集電環(huán)之間還熱套有離心式風(fēng)扇，其主要設(shè)計(jì)原則如下：(1)集電環(huán)材質(zhì)采用50Mn，通過良好的熱處理工藝，使其具有良好的導(dǎo)電性能、合適的硬度、機(jī)械性能和耐磨性能；(2)集電環(huán)的外徑應(yīng)盡量的降低，以電刷在集電環(huán)表面運(yùn)行時(shí)的線速度，同時(shí)要求集電環(huán)表面具有較高的光潔度，以降低摩擦損耗；(3)為加強(qiáng)集電環(huán)冷卻、減小電刷電流分配不均勻性，可在集電環(huán)表面車螺旋槽，并沿集電環(huán)軸向打斜孔。螺旋槽迫使集電環(huán)表面每一部分輪流導(dǎo)電，負(fù)荷均勻，又迫使每一部分輪流斷開，使其得到冷卻機(jī)會(huì)，減少局部過熱，螺旋槽可使刷下氣壓正常，減少電刷接觸的差異，螺旋槽可使碳粉逸出，改善了運(yùn)行條件；(4)集電環(huán)發(fā)熱是由摩擦產(chǎn)生的損耗和通過集電環(huán)電流產(chǎn)生的損耗引起的，而風(fēng)摩損耗很小，可忽略不計(jì)。在摩擦損耗計(jì)算中電刷面積和集電環(huán)線速度是常數(shù)，起主要作用的是摩擦系數(shù)和電刷壓力，因此在選用電刷時(shí)應(yīng)使其摩擦系數(shù)盡可能小，在不冒火的情況下應(yīng)盡量減少彈簧壓力，這對(duì)減少集電環(huán)和碳刷的損耗，發(fā)熱都是有宜的；電氣損耗可理解為接觸表面的電壓降損耗，當(dāng)勵(lì)磁電流為常數(shù)時(shí)，電氣損耗與電刷壓降成正比，為減少電氣損耗應(yīng)盡可能選用壓降低的電刷。

圖1 調(diào)相機(jī)集電環(huán)-刷架結(jié)構(gòu)

經(jīng)計(jì)算各項(xiàng)損耗數(shù)據(jù)如下：Q摩擦損耗=12.4kW；Q電氣損耗=5.95kW；Q總損耗=18.44kW。各項(xiàng)損耗數(shù)據(jù)相對(duì)常規(guī)水氫冷300MW機(jī)組偏小些，約為其90%。

2.4 刷握和電刷的選擇

調(diào)相機(jī)刷握采用雙卷恒壓彈簧結(jié)構(gòu)，以避免電刷受力點(diǎn)偏心、電刷在刷盒內(nèi)受阻等問題，使之在運(yùn)行中，電刷和滑環(huán)之間能夠產(chǎn)生較小的滾動(dòng)摩擦力，避免電刷和刷握受熱，而且兩個(gè)彈簧卷壓力均勻，無論電刷磨損角度大小，受力均相同。

電刷與恒壓彈簧接觸位置設(shè)置有絕緣墊，避免恒壓彈簧受熱而軟化，同時(shí)電刷材料選擇天然石墨，使其具有允許線速度高、壓降低、換向能力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、耐磨損、容易建立氧化膜等特點(diǎn),其主要性能如下：(1)允許電流線速度90m/s；(2)允許電流密度：<13A/cm2；(3)允許彈簧壓力：14N。

2.5 刷握支撐系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)的刷握支撐系統(tǒng)主要由以下三方面組成：(1)上部。刷握與導(dǎo)電板(銅制)、支撐板(鋼制)通過緊固件，在軸向上固定在一起；(2)中部。導(dǎo)電板、支撐板通過緊固件，在垂直方向上與絕緣座固定在一起；(3)底部。絕緣座通過緊固件，在垂直方向上與底架固定在一起。

相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組上采用絕緣板作為支撐板結(jié)構(gòu)，該支撐系統(tǒng)使用金屬支撐板、超厚絕緣座的配合型式，既能提高裝配穩(wěn)固性，也能提高裝配精度，同時(shí)降低現(xiàn)場安裝時(shí)的裝配工作量。因其具備較高的穩(wěn)固性及精度，能夠避免刷盒安裝不正、電刷與集電環(huán)接觸不穩(wěn)定，引起電刷電流分配不均勻等問題。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集電環(huán)-刷架通風(fēng)系統(tǒng)基本采用軸向通風(fēng)，通過在集電環(huán)部分的軸上安裝離心式或軸流式風(fēng)扇來驅(qū)動(dòng)空氣的流動(dòng)；離心式風(fēng)扇能夠產(chǎn)生較高的壓頭，因此主要用在集電環(huán)損耗較大的大容量機(jī)組上，而軸流式風(fēng)扇則用于集電環(huán)損耗較小的小容量機(jī)組上。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)的分類

根據(jù)冷卻氣體的流動(dòng)方向，可以分為抽風(fēng)式和壓風(fēng)式兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)于抽風(fēng)式，冷卻氣體先經(jīng)過集電環(huán)，再通過風(fēng)扇排出，相反則為壓風(fēng)式，無論是抽風(fēng)式、還是壓風(fēng)式均是根據(jù)進(jìn)出風(fēng)的位置，可以分為“上進(jìn)上出”、“上進(jìn)下出”、“下進(jìn)下出”三種形式，以往老機(jī)組基本都采用“下進(jìn)下出”的形式，經(jīng)過多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來看，該種形式還是存在一定弊端的。

3.2 調(diào)相機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)的集電環(huán)外徑(φ355mm)相對(duì)常規(guī)水氫冷300MW機(jī)組(φ380mm)偏小些，勵(lì)磁電流同樣偏小，經(jīng)計(jì)算總損耗為18.44kW，并不算大，為保證足夠的冷卻裕度，其通風(fēng)系統(tǒng)仍采用離心式風(fēng)扇，并且采取“上進(jìn)上出”的抽風(fēng)式是通風(fēng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)冷卻風(fēng)路是從隔音罩側(cè)面開設(shè)的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，進(jìn)入隔音罩密封的腔體內(nèi)，在兩集電環(huán)間離心風(fēng)扇的作用下，對(duì)集電環(huán)和電刷進(jìn)行冷卻，經(jīng)風(fēng)扇罩進(jìn)入隔音罩出風(fēng)道內(nèi)，最終從隔音罩上方排出。其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：(1)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁引線布置與進(jìn)風(fēng)口分離相互不干涉，保證足夠的進(jìn)風(fēng)面積；(2)底架不參與風(fēng)路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，只需保證足夠的剛強(qiáng)度；(3)進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)計(jì)在隔音罩上，安裝維護(hù)比較方便；(4)離心式風(fēng)扇，風(fēng)量大、風(fēng)路段、負(fù)壓小，通風(fēng)冷卻能力強(qiáng)，集電環(huán)和碳刷溫升低。

4 結(jié)語

介紹300Mvar調(diào)相機(jī)集電環(huán)刷架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從中可以看出該集電環(huán)-刷架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)上采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均在合理區(qū)間內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕度較大，能夠保證該系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。