2 500 kW大型直联式矿井提升直流电动机设计简述

2013-12-10肇东升赵忠杰

上海大中型电机 2013年3期

肇东升，赵忠杰，夏野，王峥

(哈电集团哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备，是联系井下与地面的主要运输工具。目前，我国中容量矿井提升机直流传动系统均采用晶闸管-电动机方案供电，大容量矿井其副井提升机也多采用直流传动系统。矿井提升直流电动机是提升机的核心部件，其性能直接影响提升机性能。

通过对2 500 kW直联式矿井提升直流电动机设计电磁和结构等方面阐述了大容量直联式矿井提升直流电动机的设计特点和应注意的问题。

1 电机主要参数

额定功率:2 500 kW

额定电压:900 V

额定转速:54 r/min

励磁电压:他励320/160 V

电机技术要求

工作制:S1

绝缘等级:F级(B级考核)

防护等级:IP44

冷却方式:ICW37A86

安装型式:IM5710

电机允许短时间过载能力:2.2倍额定电流持续60 S，切断2.25倍额定电流。

2 电机的设计特点

2.1 电磁设计

电磁设计中使用的电磁负载参数，往往由制造厂逐年积累，编制成表格、曲线或经验公式。它们与电机的运行要求、环境条件、结构型式、通风方式、绝缘等级、工艺方法等密切相关。只有正确选择电磁负载参数，才能生产出性能优良、经济合理的产品。

2.1.1 直流电机的主要尺寸

电枢(铁心)直径Da(mm)和长度la(mm)。由此得出的(mm3)与额定功率、额定转速和所选的电磁负载有以下关系:

式中，αδ为主极极弧系数;Bδ为主极气隙磁通密度，T;A为电枢线负荷，A/cm;CA为电机常数，;n为额定转速，r/min;P为电磁功Nem率，kW。

式中，PN为电机额定功率，kW;η为电机额定功率时的效率。

方案选定:

计算功率/转速比值，即PN/nN=2 500/54=46.3。根据公司以往生产电机所绘出的电枢直径Da与PN/nN的关系曲线，可选电枢直径Da=2 500 mm或Da=3 100 mm。

电枢直径Da=2 500 mm电机，电枢直径相对后者较小、槽数较少，热参数较高。且需采用铁心较长(＞1 000 mm)，不利于通风散热。

电枢直径Da=3 100 mm电机，电枢直径相对前者较大、槽数较多，热参数较低。需采用铁心较短(530 mm)，散热较前者好。

可选电枢直径Da=3 100 mm既而得到电枢铁心la=530 mm;取极数16，槽数316。

经计算机程序计算电机得其他参数:

电枢1/3齿磁密BZ1/3=2.179 T;额定负载时电枢回路的电压降△U=101.8 V;电枢线圈电流密度J=5.79 A/mm2;电抗电动势平均值er=2.36 V;效率η=0.88;换向区宽度bk=91.16;bN=167.68;bk/bN=0.544;换向片间平均电压Unmax=15.19 V;空载时换向片间最大电压Ukmax=20.97 V;电刷沿换向器表面的位移Cb=5 mm;主极气隙:8 mm。

2.1.2 矿井提升直流电动机

考虑到直流调速方法，有恒磁通、恒功率，两者适合于大容量调速系统。结合提升机的工作方式为:正向升速、匀速、降速，反向升速、匀速、降速。拖动提升机的直流电动机匀速都工作在恒转矩(恒磁通)状态，升、降速时都又工作在恒功率状态。

其恒功率状态的转速调节范围有别于轧钢电机(有基速与高速之分)。即在额定高转速运转时，采用恒功率弱磁;设计时需考虑高速、基速。提升机电机的设计基础要优越些。其额定电压等级是按“高速”，即正反向匀速时的速度设计的。

矿山行业中的矿井提升机用直流电动机，其运行特点是频繁的正反转，且提升机(绞车)的直径往往远超过直流电动机电枢外径。需要作驱动用的直流电动机采用直接传动的低速大直径、短铁心结构形式，而不再采用大直径的高速电机加齿轮箱减速的方案，减少电机的传动损耗、减小电机的占地面积;省去维护费用昂贵的减速器，减少整个设备的成本、简化维护手续、降低运行费用，提高设备运转的可靠性。

2.2 结构设计

结构设计时应考虑强度和刚度、工艺性、结构合理性、零部件的标准化、通用化程度高，互换性好。

2.2.1 电动机结构(如图1所示)

图1 2 500 kW直流电动机总装配图

1)定子

定子采用叠片机座，主极及换向极铁心也均为1 mm Q235钢板叠片，表面绝缘。补偿绕组与连接线焊接采用硬焊连接方式，为防止补偿绕组在电磁力作用下发生移动。补偿槽采用闭口槽，靠装配好的主极整体真空浸渍处理，使线圈和铁心成为一体。为了便于拆装吊运，电机的定子和刷架均制成上、下两半可拆式，接逢处用定位销及螺栓紧固，两半刷架随两半定子装箱，上半及下半定子有起吊孔，供吊运之用。

主极线圈单独绕制，套在包好极身绝缘的主极铁心上，真空浸漆。换向极线圈采用裸铜扁线绕制架空式结构。这种结构既解决了换向极线圈匝数较多空间难以布置的问题，又减小了风阻有利于通风散热。主换向极铁心把紧均采用绝缘铆钉，减少晶闸管供电产生的不利影响。

磁路采用全叠片结构后，在磁性钢板冲制的换向极垫片中，涡流的阻尼作用上升为阻碍换向极磁通跟随电枢电流快速变化的主要矛盾。采用在换向极垫片上冲一些窄槽结构，增加涡流路径的长度，增大涡流回路的电阻，以抑制垫片中的涡流。换向极气隙调整采用磁性和非磁性两种换向极垫片。非磁性垫片用环氧玻璃布板冲制，用作换向极第二气隙，以减少换向极漏磁。

2)电枢

电枢铁心由两面刷漆的0.5 mm硅钢片冲制的电枢冲片叠装而成，铁心分成9段，段间设有径向通风沟。电枢支架采用箱式结构，电枢冲片装在电枢支架上，这样不仅能减轻电枢重量也更利于电枢的通风冷却。电枢铁心直线部分采用无纬带绑扎固定绕组，可减少电枢槽高、降低换向电抗电动势。电机采用斜槽结构，可消除电机在极低转速下的转速、转矩脉动，保证运行平稳，同时也降低了电机的电磁噪声。

电枢绕组复波绕组结构型式，非换向器端装有均压线结构，削弱由于制造误差等原因磁路不对称现象导致的各并联支路的感应电动势不等。

均压绕组采用渐开线式单独成形的圆盘式结构，装置在非换向器侧电枢线圈的下部，充分利用电机的有效空间，从而大大地压缩了电机的径向及轴向外型尺寸，使该型电机的结构更加合理、紧凑。

电枢转子与提升机直联悬挂，转子支架的支架毂采用油压胀孔锥套于提升机轴伸上。在支架毂上加工有锥孔(锥度1∶30)的锥套结构，与提升机的带有锥度的轴伸有不小于0.9 mm的过盈配合。过盈量的选择主要视电机转矩而确定。

3)底板

底板为整体式结构，备有滑道，便于在安装及检修电枢转子(采用滑出定子上半方法安装及检修)。

3 电机绝缘

电机的真空压力浸漆和烘干:浸漆工艺的关键是温度、压力和时间决定性的工艺参数及VPI设备的工艺性能。真空是为了除去被浸渍工件绝缘物的内部水分和挥发气体，降低工件内部压强。压力是为了漆在压力下更好的充填，浸渍工件绝缘物的毛细空隙。热态浸渍是提高漆的流动性便于填充和渗透。

浸漆工艺及固化:被浸漆的工件先在烘炉中预热至70℃再装入浸漆罐中。浸漆罐在热态下，边加热工件边抽真空。当工件温度达到65℃时，真空度在26.3 Pa，保持一定时间后，漆温在70℃时进行输漆，漆面高于工件50 mm以上稳定后，分段加压15 min左右，压力在30 N/cm2。温度达70℃后再稳定一段时间回漆，滴干2 h左右后送入烘炉。

浸漆后的固化在普通烘炉中烘培，烘炉的四角放置液态催化剂，蒸发除雾状气体弥漫与烘炉空间，使与浸漆工件表面接触加速固化来防止浸漆后漆液流失，固化温度在150℃ ±5℃，经20 h左右，电枢线圈绝缘就固化一整体。

4 电机现场安装

电机悬挂在提升机主轴的一端，结构示意图如图2所示。轴锥度为1∶30，紧量根据提升机力矩决定，一般为0.5～0.7 mm。套轴的压力一般为60～65 MPa。先清理液压油盖及各配合零件表面，将O型密封圈嵌入油压盖密封槽内。用200 mm×200 mm框架水平尺校正轴的水平。

将电枢套入轴上，将液压盖固定于提升机轴端上，排气孔要位于上方，进油孔在下方。起动油泵8让油冲满电枢与液压盖腔体，气塞排气并有油喷出后拧紧放气塞。关闭油泵8。

起动油泵8再次向轴端腔体注入高压油，其压力表指针微动，电枢轻松地向轴大端移动。此时要在轴上标记好电枢位置，并按紧量计算出轴向位移尺寸且在轴上做好标记。在距标记10 mm处再做一标记。

逐渐增加油泵8的油压到24 MPa，同时启动油泵7向轴端面上两进油孔输油，逐渐增压至50 MPa。这时电枢在轴向油压的推动下向主轴大端移动，逼近按紧量计算的标记。经过约30 min后，若电枢仍未至紧量标记线时，再逐步增加油泵7的油压至60 MPa，同时将油泵8的油压升至30 MPa。当电枢移动至紧量标记线时，关闭油泵7停止供油，再关闭油泵8停止供油。油泵7的油压最大不要超过65 MPa，油泵8的油压最大不要超过35 MPa。