Z1000系列直流電動機(jī)的研制

，，

(哈電集團(tuán)哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是冶金工業(yè)中，直流電動機(jī)的使用有著舉足輕重的地位。近年來，國內(nèi)新上鋼鐵項目中多以高產(chǎn)量、多品種的帶鋼、板材為主，同時，軋機(jī)多采用控制簡單、調(diào)速方便的直流電機(jī)，這就對直流電動機(jī)的設(shè)計和制造提出了新要求。首先，要求電機(jī)在高功率、高轉(zhuǎn)矩下的調(diào)速范圍擴(kuò)大50%；其次，要求電機(jī)的快速適應(yīng)和動態(tài)反應(yīng)性提高以滿足快速軋鋼工藝的特點(diǎn)；再次，要求電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適應(yīng)縮小的占地面積以節(jié)約廠房的建設(shè)投資；另外，要求電機(jī)堅固可靠，運(yùn)行中抗疲勞能力強(qiáng)。

根據(jù)市場需求，Z1000系列(IP44)直流電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，該型號電動機(jī)采用箱體式的框架結(jié)構(gòu)，安裝方式多采用IM1001或IM1002，機(jī)座由八角形硅鋼片疊壓而成，軸承采用添加了潤滑脂的端蓋式滾動軸承。與原有的ZD系列大型下沉式機(jī)座配備滑動軸承獨(dú)立外罩的分體式電機(jī)相比較，具有體積小、重量輕、整體吊運(yùn)、安裝方便、維護(hù)保養(yǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)。該系列電機(jī)可廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域及濕熱帶等多種惡劣的工況環(huán)境下，冷卻方式以ICW37A86為主，防護(hù)等級按IP44設(shè)計。

1 電機(jī)的系列型譜

Z1000系列(IP44)直流電動機(jī)的系列型譜是在Z355～Z900的設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，合理分布電樞鐵心長度和繞組形式，可以覆蓋大多數(shù)產(chǎn)品線使用需求的優(yōu)化參數(shù)內(nèi)容。具體參數(shù)見表1。

表1 機(jī)座號與轉(zhuǎn)速及功率的對應(yīng)關(guān)系

2 技術(shù)規(guī)格參數(shù)

Z1000系列(IP44)直流電動機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如下：機(jī)座號為Z1000，指電機(jī)軸中心距地面的高度為1m；功率等級為1650～2819kW；極數(shù)為8極；電壓為660～1050V；轉(zhuǎn)速為96～700r/min；勵磁方式為他勵220V；額定轉(zhuǎn)矩為47～177k N·m；傳動方式為聯(lián)軸器連接傳動。

3 電機(jī)的效率指標(biāo)

Z1000系列(IP44)直流電動機(jī)的效率值按照GB/T 755—2008的標(biāo)準(zhǔn)要求，其效率保證值，如表2所示。

表2電動機(jī)的效率%

機(jī)座號電流等級2800A3150A3550AZ1000-192.9～94.193.2～94.193.5～94.0Z1000-292.8～94.293.2～94.293.5～94.0Z1000-392.7～94.293.1～94.293.5～94.1Z1000-492.5～94.293.0～94.293.4～94.1Z1000-592.3～94.292.8～94.293.3～94.0Z1000-692.1～94.192.6～94.193.1～93.9Z1000-791.8～94.092.3～94.092.9～93.8Z1000-891.4～93.992.0～93.892.7～93.6Z1000-991.0～93.791.6～93.692.3～93.3Z1000-1090.6～93.491.3～93.492.0～93.1Z1000-1191.8～94.092.3～94.092.9～93.8Z1000-1292.8～94.290.1～92.691.0～92.3

4 電機(jī)的電磁參數(shù)設(shè)計

為了有效利用該系列的電機(jī)的性能指標(biāo)，提高電機(jī)作用中的調(diào)速比，在設(shè)計過程中，對電磁參數(shù)進(jìn)行了特殊的考慮，以增強(qiáng)產(chǎn)品投產(chǎn)后的市場競爭力。

(1) 鐵心分段：電機(jī)按設(shè)計轉(zhuǎn)速將系列型譜分為12個鐵心長度，分別是360、400、450、500、560、630、710、800、900、1000、1150、1300(mm)；這12個鐵心長度所對應(yīng)的鐵心分段設(shè)計方案為7、8、9、10、11、12、14、16、18、20、23、26(段)，段間通風(fēng)溝寬度為10mm。

(2) 電負(fù)荷：電樞繞組電密Ja為5.53～5.65A/mm2，換向極繞組電密Jw為5.04～5.07A/mm2，補(bǔ)償繞組電密Jc為5.02～5.05A/mm2，勵磁繞組電密Jf為2.31～2.53A/mm2，電刷電密Jb為9.1～10.3A/mm2。

(3) 熱負(fù)荷：電樞熱負(fù)荷JaAS為3911～3961(端部)；5500～7500(鐵心處)。

(4) 磁負(fù)荷：氣隙磁密Bδ為0.802～0.85T，電樞1/3齒磁密Bz1/3為2.24～2.31T，電樞軛磁密Ba為1.17～1.23T，主極身磁密Bm為1.22～1.28T，主極靴齒磁密BPZ為1.44～1.55T，機(jī)座軛磁密Bj為1.20～1.34T。

(5) 換向參數(shù)：電抗電勢er為5.6～6.1V(高速過載不大于12V)，換向區(qū)域占中心區(qū)域比為61.1%～62.8%，補(bǔ)償度Xc為90%～102%，平均片間電壓Ukcp低于18.5V。

5 系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 總裝

該系列電機(jī)整體結(jié)構(gòu)為箱體式結(jié)構(gòu)，臥式安裝，冷卻方式為空-水冷卻器(ICW37A86)，冷卻器安裝在電機(jī)的上方，電機(jī)軸的雙側(cè)采用端蓋式滾動軸承安裝支撐，電樞通風(fēng)方式為徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，整體由定子、電樞、端蓋式軸承、接線盒等組成，電機(jī)總裝圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)總裝結(jié)構(gòu)圖

5.2 定子

定子主要由機(jī)座、主極、換向極和補(bǔ)償繞組組成。

機(jī)座鐵心、主極鐵心、換向極鐵心均采用優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板沖制的沖片疊壓而成，且鋼板雙面涂有絕緣漆，可有效減少可控硅整流電源電流脈動和負(fù)載電流的快速變化引起的損耗效應(yīng)，改善電機(jī)的動態(tài)換向性能。

主極繞組采用NSBMB自粘性單玻單聚酰亞胺薄膜繞包銅扁線繞包成型，并套裝在主極極身上，主極線圈間通過JEM引出電纜進(jìn)行串聯(lián)，采用自粘性漆包線提高了繞線效率，減少了工時損耗；換向極線圈采用整根TBR銅扁線，按換向極極靴形狀進(jìn)行階梯式繞形，整形脫模后通過不銹鋼吊線夾以Nomex紙進(jìn)行絕緣套裝在換向極極身上，極間以引出線焊接到換向極連接線上形成支路；補(bǔ)償線圈為同心式補(bǔ)償繞組，采用4根SBMB單玻單聚酰亞胺薄膜繞包銅扁線并繞，并按一定角度壓弧而成，從而適應(yīng)定子VPI整浸的工藝要求，提高電機(jī)的絕緣性能。為了有效監(jiān)測電機(jī)溫升指標(biāo)，在主極繞組、換向極繞組和補(bǔ)償繞組上各粘裝2支Pt100測溫元件，并將引線接至電機(jī)主出線盒內(nèi)的端子中。

5.3 電樞

電樞主要由繞組、鐵心、換向器和轉(zhuǎn)軸組成。電樞鐵心采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊壓而成，由于外徑扁大，故分割成6張扇形片組合而成；電樞繞組采用換向性能優(yōu)良的單疊異槽式繞組加1/2均壓線圈的結(jié)構(gòu)型式，為了提高電機(jī)的使用轉(zhuǎn)速范圍，電樞表面及線圈端部采用高強(qiáng)度無緯帶進(jìn)行綁扎固定并涂膠固化成形。

換向器采用銀銅合金片間間隔放置WD550-3云母板進(jìn)行絕緣處理，并在套筒和壓圈裝壓間前后安裝V形云母環(huán)進(jìn)行對地絕緣處理，從而可以適應(yīng)最高1050V的電壓等級，升高片與電樞線圈間采用中頻焊機(jī)釬焊處理，使其具有良好的導(dǎo)電性能及較高的機(jī)械強(qiáng)度；轉(zhuǎn)軸采用35CrMo合金材料鍛制而成，選用此種材料可以在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩機(jī)械性能的前提下縮小軸伸直徑，從而降低軸承使用成本，轉(zhuǎn)軸與電樞支架間采用過盈聯(lián)接，按圖紙尺寸精加工后進(jìn)行熱套安裝。電樞在下線完成后再進(jìn)行VPI真空壓力整浸處理，從而保證電機(jī)具有良好的換向性能和絕緣性能。

主極繞組采用NSBMB自粘性單玻單聚酰亞胺薄膜繞包銅扁線繞包成型，并套裝在主極極身上，主極線圈間通過JEM引出電纜進(jìn)行串聯(lián)，采用自粘性漆包線提高了繞線效率，減少了工時損耗；換向極線圈采用整根TBR銅扁線，按換向極極靴形狀進(jìn)行階梯式繞形，整形脫模后通過不銹鋼吊線夾以Nomex紙進(jìn)行絕緣套裝在換向極極身上，極間以引出線焊接到換向極連接線上形成支路。補(bǔ)償線圈為同心式補(bǔ)償繞組，采用4根SBMB單玻單聚酰亞胺薄膜繞包銅扁線并繞，并按一定角度壓弧而成，從而適應(yīng)定子VPI整浸的工藝要求，提高電機(jī)的絕緣性能。

5.4 軸承

全系列電機(jī)采用三軸承結(jié)構(gòu)并安裝固定在電機(jī)的前后端蓋間，即在傳動端安裝一套圓柱滾子軸承和一套深溝球軸承并列使用，其中，深溝球軸承在里側(cè)；在換向器端安裝一套圓柱滾子軸承，電機(jī)運(yùn)行中的徑向載荷通過兩套圓柱滾子軸承來承載，深溝球軸承來實現(xiàn)軸向定位，電機(jī)軸承的潤滑方式為鋰基脂潤滑，可使用專用加脂工具不停機(jī)注入潤滑脂。

5.5 刷桿座圈

刷桿座圈由刷桿座、刷桿、刷握和電刷組成。刷桿通過灌注膠使之與底注進(jìn)行接觸絕緣，刷握在8個刷桿上進(jìn)行錯位排列，并每間隔一個刷握上安裝一個位移墊塊，從而降低電機(jī)的電抗電勢水平，有效的改善換向性能，避免有害火花的產(chǎn)生；電刷在刷握內(nèi)采用分塊式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可增加電刷的橫向電阻，使各支路間電阻保持平衡，減小各支路間環(huán)流對換向的影響。刷桿的尾端采用整體式絕緣環(huán)固定的刷桿座圈端部，以提高刷架整體機(jī)械及絕緣強(qiáng)度，整體性優(yōu)良。

5.6 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

該系列電機(jī)采用IP44防護(hù)等級，對電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了有效的密封。電機(jī)內(nèi)部則采用獨(dú)特、合理布置的徑向冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)，通過前、后端座上設(shè)計預(yù)留的風(fēng)口與外裝式冷卻器進(jìn)行可靠的把合連接，通風(fēng)冷卻效果良好，這種結(jié)構(gòu)可為用戶節(jié)約大量空間，使用維護(hù)方便。

6 結(jié)語

該系列電機(jī)通過樣機(jī)試制與型式試驗，驗證了設(shè)計的合理性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。通過陸續(xù)的設(shè)計改進(jìn)，目前該系列電機(jī)已經(jīng)批量生產(chǎn)，并經(jīng)過了現(xiàn)場使用驗證，使用業(yè)績已超過百臺，分別安裝運(yùn)行于許多業(yè)主現(xiàn)場，受到了廣大業(yè)主的肯定與好評，為我公司不斷科技創(chuàng)新、加快技術(shù)進(jìn)步提供了助力。