高壓繞線雙軸伸電機的設計

孫曉霞

(山東華力電機集團股份有限公司，山東榮成264300)

0 引言

異步電動機繞線式轉子為三相繞組形式，電動機起動和運行時，在轉子上串入電阻，可以減小起動電流，增加起動轉矩，改變電動機轉速，因此應用領域廣泛。隨著市場需求的不斷擴大，用戶對電機的使用要求不斷提高，根據用戶需要將YR710-6 電機設計為雙軸伸形式，為高壓繞線雙軸伸電機的制造積累了寶貴經驗。

1 技術指標

型號YR710-6;功率2 240kW;額定電壓6kV;效率95.6%;功率因數0.85;最大轉矩倍數1.8;定子溫升≤80K;工作制S1;絕緣等級F 級(溫升按B 級考核);防護等級IP23;冷卻方式IC01;安裝方式IMB3;電機具有雙軸伸，兩端軸伸尺寸相同。

2 設計難點

繞線式轉子電動機帶有滑環裝置，滑環用于將轉子的三相電流引入到滑環接線盒，用戶將電阻的接線接入滑環接線盒，就可以改變轉子電阻的大小。滑環裝置熱套在電機軸上，為了避免滑環碳刷與滑環圈摩擦產生的碳灰影響電機性能，通常將滑環罩和滑環裝置安裝在電機的非軸伸端(見圖1)。

圖1 高壓繞線轉子電機裝配圖

高壓繞線轉子異步電動機轉子繞組為雙層波繞組，接法為Y 接，轉子線電流大，每相線電流300 ～400A，因此轉子線圈為插入式硬繞組線圈，采用5×25 銅排外包粉云母帶絕緣。為了接線方便，轉子線圈的上層線圈由軸伸端穿入，下層線圈由滑環端穿入，嵌好線圈后，轉子每個槽中有上下兩層線圈，兩層線圈的裸露部分由拼頭套包住，焊接成一體。軸伸端有三個槽的下層線圈用于封星點，滑環端有三個槽的上層線圈用于三相出線。三個上層線圈的裸露部分與三個導電排焊接，將轉子出線的六根電纜分別與三個導電排連接。轉子每相出線為2 根70mm2電纜，為了將轉子三相出線電纜接入滑環裝置，將電機的軸在非軸伸端鉆直徑80 ～110mm 孔，轉子三相電纜通過軸上6 個均勻分布的斜孔穿入通孔中，從軸的非軸伸端引出后接入滑環裝置的三個接線柱。電機軸見圖2，轉子見圖3。這種結構決定繞線轉子電機只能是單軸伸形式，由軸伸端連接負載傳動。市場需求繞線電機具有雙軸伸，兩個軸伸都可以輸出轉矩，我們對繞線轉子電機的轉子做了改進，以滿足雙軸伸電機的要求。

圖2 高壓繞線電機軸

圖3 高壓繞線電機轉子

3 電磁設計

電磁設計按以下范圍控制

氣隙磁密Bg:控制在0.6 ～0.8T;

定子齒磁密Bts:控制在1.35 ～1.55T;

定子軛磁密Bys:控制在1.2 ～1.5T;

轉子齒磁密Btr:控制在1.35 ～1.65T;

轉子軛磁密Byr:控制在1.35 ～1.55T;

電機熱負荷AJ:控制在1800 ～2500。

該電機設計參數，槽配合選用72/90，三圓選用1180/850/535，氣隙為2.6mm。為了優化電機性能，縮短鐵心長度，確定鐵心長度為770mm。將電機定子線圈和轉子線圈的絕緣厚度減薄，定子線圈銅線的漆膜厚度為0.4mm，外包絕緣層單邊厚度1.65mm，轉子線圈絕緣層單邊厚度0.5mm。

4 定子結構

電動機機座為鋼板焊接方箱式結構，機座內部空間大，為增加電機的整體剛度，提高其固有頻率，降低電磁噪聲，在機座內鐵心長度方向中間位置增加一道環筋板。定子沖片為整圓沖片，定子鐵心采用外壓裝的方式壓入機座。定子線圈采用雙層疊繞組線圈，在定子繞組內埋設了6 支Pt100鉑熱電阻，用來檢測線圈及鐵心的溫度。為了加強定子繞組端部的固定，在線圈端部相隔80mm綁扎兩道軟端箍，綁扎方便易于整形。軟端箍經VPI 浸漬固化后形成兩道玻璃鋼環，具有強度高、無磁性的特點。定子線圈固定的槽楔為分段固定，每槽內嵌入3 段槽楔，槽楔間隔100mm 左右，這樣可以最大化減小徑向風阻，通風冷卻效果好。定子的接線為2 路Y 接，定子出線在軸伸端，出線電纜通過定子筋與機座環筋板的空隙引入主電源接線盒。

5 轉子的改進

軸粗加工后，在軸的滑環端六個斜孔處，相隔120°銑槽，槽的寬度為30mm，深度為16mm，槽銑到滑環裝置安裝臺前端。圓軸上加工一擋臺，用鋼板加工一個軸套熱套在圓軸上。軸套為臺階式，內徑與軸過盈配合，軸套的粗端緊靠在圓軸擋臺上，外徑比軸承內蓋的內徑大10mm，軸套的細端外徑比軸承內徑大10mm，軸套的長度滿足軸承裝配的空間需要。三個銑槽從軸套內孔穿過，然后對軸進行精加工，在軸套上加工出軸承安裝臺、軸承內蓋臺、軸承外蓋臺和軸承擋圈槽，改進后的軸見圖4。

圖4 改進后的繞線轉子電機軸

轉子嵌線完成后，用三個25×5 扁銅母線制作的導電排代替6 根出線電纜，連接到滑環裝置。導電排外包云母帶絕緣層，包繞后尺寸為30×10mm。將滑環裝置的接線柱方向改為朝向軸伸端，導電排壓入軸上的槽內，每根導電排根據在軸上的距離用線夾和螺栓固定在軸上，并用環氧無堿玻璃絲帶纏緊。導電排穿過軸套內的槽后，將裸露銅導體部分與電纜焊接，將電纜連接到滑環裝置的接線柱上。轉子經VPI 浸漬固化后，環氧無堿玻璃絲帶與導電排凝固成一體，導電排沒有位移量。電纜與滑環裝置連接，滑環裝置拆卸時，將電纜接線頭與滑環裝置分離，導電排與滑環裝置不直接連接，有利于保護轉子絕緣不受破壞。改進后的繞線轉子見圖5。

圖5 改進后的繞線電機轉子

6 軸承結構

軸承采用滾動軸承，前軸伸端為一套圓柱軸承和一套球軸承NU244+6244，后軸伸端為一套圓柱軸承NU244，三軸承結構能承受軸向力和一定的徑向力，能夠適應復雜的受力環境，而且結構簡單，安裝方便。沒有采用絕緣軸承，在軸承室采用了絕緣墊片、絕緣套裝置，這樣可以保證軸承不被軸電流灼傷，同時降低了成本。電動機兩端的軸承上各帶有一支Pt100 鉑熱電阻，用于檢測軸承溫度。

7 滑環罩及通風冷卻系統

滑環罩設計為方箱式，與機座樣式相似，外形美觀。在滑環罩前后側板上部，裝有觀察窗，可以觀察滑環狀況。下部裝有百葉窗，用于氣流的進出。滑環轉動部分裝有風扇，旋轉時產生氣流，對滑環進行冷卻。在滑環罩后部焊接兩層鉆孔的孔板，孔板之間有30mm 厚的無紡布，脫落的碳灰從孔板落下，被無紡布吸附，滑環罩后端板裝有可拆卸的蓋板，打開蓋板可以取出無紡布清除碳灰。電機采用軸向通風方式，氣流從電機的后軸伸端的進風口進入，然后沿軸向從前軸伸端的出風口流出，內風扇裝在前軸伸端。

8 結語

通過高壓繞線式雙軸伸電機的設計，不僅在電氣性能上滿足工況要求，而且在結構上進行獨具匠心的改造。改進高壓繞線轉子電機的軸和轉子，使繞線電機可以滿足雙伸軸的要求，加工方法簡單，可以應用到小機座號的繞線轉子電機上。雙伸軸的繞線轉子電機，擴大了電動機的使用領域，更好地滿足客戶需求，提高了產品的競爭力。

［1］ 陳世坤.電機設計.機械工業出版社，2000.

［2］ 鐘一諤.轉子動力學.清華大學出版社，1987.