Z1000系列直流電動機的研制

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(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

在工業領域，尤其是冶金工業中，直流電動機的使用有著舉足輕重的地位。近年來，國內新上鋼鐵項目中多以高產量、多品種的帶鋼、板材為主，同時，軋機多采用控制簡單、調速方便的直流電機，這就對直流電動機的設計和制造提出了新要求。首先，要求電機在高功率、高轉矩下的調速范圍擴大50%；其次，要求電機的快速適應和動態反應性提高以滿足快速軋鋼工藝的特點；再次，要求電機的結構特點適應縮小的占地面積以節約廠房的建設投資；另外，要求電機堅固可靠，運行中抗疲勞能力強。

根據市場需求，Z1000系列(IP44)直流電動機應運而生，該型號電動機采用箱體式的框架結構，安裝方式多采用IM1001或IM1002，機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系列大型下沉式機座配備滑動軸承獨立外罩的分體式電機相比較，具有體積小、重量輕、整體吊運、安裝方便、維護保養方便的優點。該系列電機可廣泛應用于各工業領域及濕熱帶等多種惡劣的工況環境下，冷卻方式以ICW37A86為主，防護等級按IP44設計。

1 電機的系列型譜

Z1000系列(IP44)直流電動機的系列型譜是在Z355～Z900的設計經驗基礎上，合理分布電樞鐵心長度和繞組形式，可以覆蓋大多數產品線使用需求的優化參數內容。具體參數見表1。

表1 機座號與轉速及功率的對應關系

2 技術規格參數

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

3 電機的效率指標

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

表2電動機的效率%

機座號電流等級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 電機的電磁參數設計

為了有效利用該系列的電機的性能指標，提高電機作用中的調速比，在設計過程中，對電磁參數進行了特殊的考慮，以增強產品投產后的市場競爭力。

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

(2) 電負荷：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) 熱負荷：電樞熱負荷JaAS為3911～3961(端部)；5500～7500(鐵心處)。

(4) 磁負荷：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，機座軛磁密Bj為1.20～1.34T。

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

5 系列產品的結構設計

5.1 總裝

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

圖1 電機總裝結構圖

5.2 定子

定子主要由機座、主極、換向極和補償繞組組成。

機座鐵心、主極鐵心、換向極鐵心均采用優質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載電流的快速變化引起的損耗效應，改善電機的動態換向性能。

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引出電纜進行串聯，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行階梯式繞形，整形脫模后通過不銹鋼吊線夾以Nomex紙進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；補償線圈為同心式補償繞組，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，從而適應定子VPI整浸的工藝要求，提高電機的絕緣性能。為了有效監測電機溫升指標，在主極繞組、換向極繞組和補償繞組上各粘裝2支Pt100測溫元件，并將引線接至電機主出線盒內的端子中。

5.3 電樞

電樞主要由繞組、鐵心、換向器和轉軸組成。電樞鐵心采用優質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良的單疊異槽式繞組加1/2均壓線圈的結構型式，為了提高電機的使用轉速范圍，電樞表面及線圈端部采用高強度無緯帶進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云母板進行絕緣處理，并在套筒和壓圈裝壓間前后安裝V形云母環進行對地絕緣處理，從而可以適應最高1050V的電壓等級，升高片與電樞線圈間采用中頻焊機釬焊處理，使其具有良好的導電性能及較高的機械強度；轉軸采用35CrMo合金材料鍛制而成，選用此種材料可以在保證電機轉矩機械性能的前提下縮小軸伸直徑，從而降低軸承使用成本，轉軸與電樞支架間采用過盈聯接，按圖紙尺寸精加工后進行熱套安裝。電樞在下線完成后再進行VPI真空壓力整浸處理，從而保證電機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引出電纜進行串聯，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行階梯式繞形，整形脫模后通過不銹鋼吊線夾以Nomex紙進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。補償線圈為同心式補償繞組，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，從而適應定子VPI整浸的工藝要求，提高電機的絕緣性能。

5.4 軸承

全系列電機采用三軸承結構并安裝固定在電機的前后端蓋間，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；在換向器端安裝一套圓柱滾子軸承，電機運行中的徑向載荷通過兩套圓柱滾子軸承來承載，深溝球軸承來實現軸向定位，電機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行接觸絕緣，刷握在8個刷桿上進行錯位排列，并每間隔一個刷握上安裝一個位移墊塊，從而降低電機的電抗電勢水平，有效的改善換向性能，避免有害火花的產生；電刷在刷握內采用分塊式結構，這種結構可增加電刷的橫向電阻，使各支路間電阻保持平衡，減小各支路間環流對換向的影響。刷桿的尾端采用整體式絕緣環固定的刷桿座圈端部，以提高刷架整體機械及絕緣強度，整體性優良。

5.6 通風冷卻系統

該系列電機采用IP44防護等級，對電機內部進行了有效的密封。電機內部則采用獨特、合理布置的徑向冷卻風路結構，通過前、后端座上設計預留的風口與外裝式冷卻器進行可靠的把合連接，通風冷卻效果良好，這種結構可為用戶節約大量空間，使用維護方便。

6 結語

該系列電機通過樣機試制與型式試驗，驗證了設計的合理性，達到了預期目標。通過陸續的設計改進，目前該系列電機已經批量生產，并經過了現場使用驗證，使用業績已超過百臺，分別安裝運行于許多業主現場，受到了廣大業主的肯定與好評，為我公司不斷科技創新、加快技術進步提供了助力。