高压绕线转子电机结构优化设计

李红军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



高压绕线转子电机结构优化设计

李红军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

摘要介绍了YR及YRKK高压绕线转子电机应用场所和市场前景。并例举了转子引接线、集电环-刷架等方面优化前易出现的问题。通过重新设计优化方案，对转子引接线的固定及保护，刷架结构，集电环、碳刷材质，集电环等结构进行优化，有效地解决了优化前电缆损坏、变形等问题。

关键词高压电机；绕线转子；结构优化

0引言

YR及YRKK高压绕线转子电机(以下简称YR及YRKK电机)作为一种通用的驱动设备。由于在其转子外部可以串入电阻箱或频敏电阻器，可以达到调节电机起动性能的作用，因此广泛地应用于压缩机、破碎机、磨煤机、风机及水泵设备的驱动中[1]。虽然高压变频电机完全可以替换YR及YRKK电机，但面对昂贵的变频器，更多的客户更愿意选择价格低廉、性能优越的YR及YRKK电机，因此YR及YRKK电机具备良好的市场前景。

1优化设计前易出现的问题

在使用时，YR及YRKK电机需要在转子外串入电阻箱或频敏电阻器。所以，同普通笼型三相异步电动机相比，YR及YRKK电机在转子结构上增加了滑环-刷架系统、转子引接线、转子接线盒等零部件。所以YR及YRKK电机在结构上更为复杂，也更易出现以下几方面问题。

1.1转子引接线问题

YR及YRKK电机转子采用TMR铜排线圈，转子线圈嵌线完成后，需通过电缆跨越轴承后与滑环连接[2]。通常采用的方法为：在轴上钻斜孔和沿轴线钻直孔，电缆与线圈连接后通过轴上斜孔，再通过轴内直孔引出轴端，与滑环接线柱相连接，经常出现问题。

(1)转子线圈与斜孔间的电缆由于没有固定或固定效果不好，受离心作用，电缆容易发生窜动继而损伤烧毁，如图1所示。

(2)轴上斜孔与直孔交汇处尖角不易处理，经常划伤电缆，如图2所示。

(3)直孔内电缆没有固定或固定效果不好，电机高速旋转时，电缆经常缠绕、变形。

(4)电缆伸出轴孔部位由于没有保护措施，经常摩擦电缆，导致电缆损伤。

图1电缆没有固定而烧毁

图2电缆划伤

1.2集电环-刷架问题

集电环-刷架作为转子绕组与外接电阻的连接者，在YR及YRKK电机中起着至关重要的作用，同时也是最易发生问题的部位。由于电机旋转时碳刷与集电环高速摩擦，设计及加工、安装不够精细合理的话，会经常发生放电、打火以及集电环烧毁等问题，具体情况如下。

(1)碳刷盒与滑环之间距离近，且固定不可调，刷盒甚至直接接触到了滑环，导致刷盒直接与滑环接触导电，严重时打火引起碳粉燃烧发生放炮现象，见图3。

图3滑环损伤

图4刷盒烧损

(2)集电环材质与碳刷材质不匹配。优化前电机碳刷材质由铜和石墨制成，与其配套的集电环材质为锡青铜。经过多次实践发现，碳刷材质相对于与其配套使用的集电环相对较硬。当电机高速旋转时，经过显微镜观察，发现滑环表面出现凸凹不平的小坑，从而造成碳刷发生抖动。当电机运行达到一定时间后，放电、打火等故障相继发生。

(3)集电环表面散热不好。当YR及YRKK电机功率较大时，转子电流也随之增大。此时碳刷在高速摩擦时，电和热相互叠加作用，导致集电环表面温度急剧升高。当热量聚集到一定程度时，集电环环表面开始灼伤、损坏[3]。

2结构优化设计

2.1转子引接线结构优化

转子引接线部位是绕线转子电机的重中之重。其结构是否合理，固定是否牢固，直接关系到绕线电机转子的可靠性。本次优化设计在兼顾转子通风冷却，实际操作切实可行的前提下，在转子引线进入轴斜孔处安装固定盘，将转子引线用固线夹固定在固定盘上，防止转子引线及斜孔保护套受离心力作用在轴上窜动。同时在轴斜孔处、直孔内、电缆伸出轴孔处安装斜孔保护套、直孔保护套、轴头保护套，防止转子引线划伤、缠绕、摩擦等，如图5所示。其中要注意的是：在用螺栓把紧固定夹时，必须使用止动垫圈。

图5转子引线固定及保护示意图

2.2集电环-碳刷结构优化

2.2.1刷架结构优化

为了解决刷架上刷盒与集电环过近问题，本次将从以下两个方面进行优化设计。

(1)将刷架支撑杆由两支撑杆改为三支撑杆。优化设计前刷架由两个支撑杆穿过三相导电片对整体刷架进行固定支撑。这很容易造成最外侧一相的刷架下垂，继而刷盒贴近集电环表面。优化设计后，将两支撑杆改为三支撑杆，有效地防止了最外侧一相的刷架下垂，并增强了整体刷机的稳定性，如图6所示。

图6刷架三支撑结构

(2)刷盒安装孔改为长圆孔。将刷盒安装孔优化为长圆孔后，可以在径向方向上对刷盒的位置进行调节，使每个刷盒与滑环表面之间的距离距离在3～5mm之间，这样能够确保电机长期安全稳定运行。从目前装配情况及电机运行情况来看，效果非常好。如图7所示。

图7刷盒长圆形安装孔

2.2.2集电环结构优化

(1)集电环、碳刷材质优化。针对集电环材质与碳刷材质不匹配的问题，本次优化设计，将电机集电环材质改为不锈钢，这样做不仅节省成本，而且集电环的硬度也能保证。碳刷材质由铜粉和高纯度石墨及部分调节剂制成。采用特殊包衣工艺，形成筛网结构，使材料导电、润滑性能分离，提高电流承载密度。经过与多次对比试验证明：集电环、碳刷采用此套材质组合，在抑制碳刷磨损、抑制电气磨损、提高电刷寿命等多个性能方面上，均优于其它现有材质组合。

(2)集电环表面增设螺旋沟槽。为了改善集电环表面通风散热问题，本次优化设计，在集电环表面增设螺旋沟槽，如图8所示。集电环表面增加螺旋沟槽后，当集电环随着电机高速旋转时，螺旋沟槽所产生的风一方面能加强集电环表面、电刷表面通风散热，降低集电环、碳刷表面温度。另一方面能有效地将碳粉排除干净。避免碳粉粘结在集电环与碳刷表面而导致的集电环与电刷运行不良、机械损耗与电气损耗快速上升、碳刷磨损过快、打火等问题。

图8集电环表面增设螺旋沟槽

3结语

YR及YRKK电机最容易出现问题的两个部分就是转子部分与集电环-刷架部分。通过上述优化设计方案，从多个方面对YR及YRKK电机转子部分、集电环-刷架部分进行优化设计。并通过近一年时间的对比跟踪，能够证明上述优化设计方案是切实可行的，能够有效地解决优化前YR及YRKK电机易出现的问题的。

参考文献

[1]倪春梅,邓宏伟,任志强.YR系列绕线型三相异步电动机的双出轴设计.建设与文化，2013.

[2]陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社，2004.

[3]汤蕴璆，史乃.电机学.北京：机械工业出版社，2010.

[4]陈志红，陈揆能，陈凯阳.风机用单相异步电机设计与分析.防爆电机，2014.6.

[5]吴赛飚，康平，王晓春.高压变极调速电机的研究.防爆电机，2012.5.

[6]高辉，姚莉莉.“六步换向”法控制无刷直流电机设计.防爆电机，2012.4.

Optimal Structure Design of High-Voltage Wound-Rotor Motor

LiHongjun

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractApplication place and market prospect of YR and YRKK series high-voltage wound-rotor motors are introduced in this paper. Problems of easy occurrence before optimization of rotor lead wire, collecting ring, brush carrier and other aspects are illustrated. Through redesigning optimum scheme, fixing and protecting rotor lead wire, optimizing structure of brush carrier and collecting ring, and optimizing material of carbon brush and collecting ring, the problems of damage and deformation of the cable before optimization are effectively solved.

Key wordsYR and YRKK;wound rotor;structure optimization

收稿日期：2015-08-26

作者简介：李红军1974年生；毕业于哈尔滨理工大学电机专业，现从事电机设计工作.

中图分类号：TM343+.4

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)02-0006-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.02