大型无刷励磁电机的结构特点

刘兆江,李俊亭,杨旭东

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)



大型无刷励磁电机的结构特点

刘兆江,李俊亭,杨旭东

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

通过实例介绍了大型无刷励磁电机的结构和风路特点，其中主要介绍了冷却结构、铁心和绕组结构、交流励磁机旋转电枢结构。验证了无刷励磁电机虽然结构特殊、制造难度大，但性能十分可靠，为同类电机提供了一定的参考价值。

无刷励磁电机；结构；设计

0 引言

无刷励磁电机是随着电力电子技术的发展而研制起来的，是集防爆技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术于一体，并与电机相结合而产生的新型电机。它消除了易产生拉弧、电火花且需定期维护更换的碳刷和滑环机构，彻底杜绝了碳刷和滑环接触不良、碳刷长期磨损而发生的各种电机故障，因此在矿山、石油、化工等工业领域得到了广泛的应用。本文结合某项目电机，详细介绍无刷励磁电机的主要结构的特点。

1 电机技术参数

1.1 技术参数

额定功率：7800kW；额定转速1000r/min，励磁电压：110V；励磁电流：397A；工作制：S1；冷却方式：IC81W。

2 电机结构

该系统由主机、励磁发电机和旋转整流器三部分组成，励磁机的本体结构与绕线式异步电机相同，即定子为隐极励磁磁极，转子为电枢，定转子均采用三相对称绕组，定子侧接三相交流调压器。旋转整流器是一个随电动机主磁场和励磁机电枢一起旋转的圆盘体，其上装有旋转整流二极管。当同步电动机旋转时，无刷励磁机的转子绕组感应出交流三相电动势，经过旋转整流器上的二极管整流后成为直流电流，直接供给同步电机的励磁绕组产生旋转磁场。旋转整流盘、励磁机电枢和主机采用紧配合连接方式，保证了良好的同轴度，以利于减小振动、降低噪声，提高电机运行的可靠性。

2.1 冷却结构

冷却结构是电机整体设计的重要组成部分，关系到电机能否正常和安全运行，是电机设计的关键技术之一。该电机风路分为主机和励磁机两部分，主机风路又分为主风路和支风路两条，冷却结构如图1所示。

图1 冷却结构图

主风路由安装在机组上方的空空冷却器和主轴上的双侧轴流式风扇及主机内的附属部件组成。风扇提供克服风路风阻并使电机热量扩散的循环风压，用以保证电机冷却后气体由主机两端进入，从中部出来后与空空冷却器完成热交换。电机引线端和非引线端结构基本对称，因此两侧同高度位置处的温度也基本相同。支风路将励磁机风路并入，在主机端板上开有位置和大小适当的风口，与出风管1的一端连接，出风管1的另一端连至接管 ，主机内热交换后的一部分气体由出风管1进入励磁机机座，和进入励磁机中的冷空气汇合后先对旋转整流盘进行冷却，然后在外部风压和旋转整流盘作用下分为三路对励磁机进行冷却：一路经过定转子气隙；另一路经过励磁机机座和筋形成的风道；第三路经过电枢支架上的风孔。由于风阻的大小影响风量的分布，因此风道与风孔的结构和数量应合理选择，以保证电机各部温升满足设计要求。

三路风完成励磁机内部件冷却后，进入励磁机后端，励磁机后罩上开有出风口，出风管2一端与其相连，另一端与内风管连接，内风管再与出风管3连接，出风管3穿过主机端板与主机挡风板上的通风孔相连。这样，励磁机内的气体和主机下部的气体与空空冷却器完成了热交换，即主机下部气体又重新通过励磁机通道进行了二次冷却，加强了下部气体的流动，解决了主机上下部温差大的缺点。同时出风管1和出风管3分别与主机端板和主机挡风板相连，将主机部分的风压引入励磁机，解决了励磁机风压低的问题。为保证冷却系统的密闭性 ，管路间采用焊接和易于拆卸的法兰两种连接方式。

2.2 铁心和绕组结构

主机定子铁心由扇形片拼成整圆，冲片厚度为0.5 mm，材料为DW540-50冷轧硅钢片。每片冲片有3个拉紧螺杆孔，拉紧螺杆材质为45号冷拉圆钢(11级)。冲片叠装后加压，与机座板焊接成型，增加了机座刚度。定子铁心采用直槽结构，径向通风沟宽为7mm。励磁机定子铁心为整圆冲片，材质与主机相同。为便于散热，铁心段有通风沟，两端用压板压紧。励磁机定子绕组为散下圆导线绕组，采用梨形槽。这种槽形的齿上下等宽，属于平行齿，主要有3个优点：首先槽口小，表面齿宽度大，加大了主磁通穿过的气隙面积，减小了主磁路的磁阻和定子气隙系数，降低了励磁电流，提高了功率因数；其次降低了电机的表面损耗和脉振损耗，利于电机效率的提高；另外槽底为圆形，能减小槽绝缘的弯曲程度，避免损伤绝缘材料。

绕组为扁铜线绕制的成型线圈，斜边间隙用热胀型玻璃毡垫塞紧，端部用内外端箍双重绑定，然后进行VPI无溶剂真空浸渍，进一步保证了定子绕组的电气性能和机械性能。定子接线采用铜环结构，6根定子引出线由电机侧面引出。电机定子绕组埋置6个铂电阻测温元件Ptl00，绕组测温元件的引出线分别接至专用出线盒内；电机的进出风口处放置3 个电接点温度表(其中进风2 个、出风1 个)，可在控制室适时监控电机绕组及风口的温度情况。

2.3 转子结构

转子是能量转换和扭矩传递的主要部件，分为叠片转子和实心转子两种，该电机采用实心转子结构，不仅具有较高的机械强度，还具有较好阻尼特性和抑制谐波的效果，如图2所示。

图2 转子结构图

主轴材质为锻钢25Cr2Ni4MoV，与主极的极身一体，铁心两端安装旋桨式风扇，非负载端装有励磁机和旋转整流器，旋转整流器与主轴止口定位，采用螺栓把合连接方式。磁极包括6个励磁绕组、磁极压板和极身。励磁绕组由磁极线圈、极间连接线、磁极引出线及沉头螺钉组成。磁极线圈按顺时针方向绕制，磁极引出线用沉头螺钉固定在磁极线圈上并引出，极间连接线和磁极引出线采用多层0.5mm厚软铜片构成，其截面积大于线圈铜排截面积，铜排搭接面积为铜排截面积的10倍。为使导电性好，软铜片上镀锡。该线圈经二次退火、冷压引线成型钻孔后进行线圈的引线连接，有效防止了磁极线圈引线根部烧断或引线过热导致的极间连线断裂和转子开路事故。磁极线圈带有散热匝为四角焊结构，匝间绝缘采用两层0.13mm厚上胶Nomex纸，层间绝缘和对地主绝缘使用固化成型的高强度绝缘材料。磁极线圈套入极身后，用浸胶涤纶毡和环氧玻璃布板将端部和其它所有缝隙塞满，再放上磁极压板，安装磁极螺栓紧固，螺栓预紧力应充分考虑离心力及电磁力，使线圈、磁极压板及上、下托板牢固可靠。每极间装有撑块，采用螺栓固定在磁轭上，防止线圈的周向窜动。 转子上的磁极引线常采用电缆连接方式，优点是安装方便，但对于转速较高的电机，由于空间位置的限制，电缆线一般用绑绳或线夹固定在磁轭或套筒上，以克服电机高速旋转下所受的离心力。如果绑绳材料选用不合理，绑扎方法不合适或绑扎位置不适当，均会造成电缆线在离心力与其它拉力的综合作用下摆脱绑绳的的束缚而松脱，造成扫膛或励磁失效，使电机不能正常工作。本电机对磁极引线固定结构进行了改进，结构如图3所示。

图3 磁极引线固定结构

主轴的非传动端有不影响机械强度的不贯通中心孔，孔内放入F级环氧玻璃布管，厚度根据励磁电压决定，但由于绝缘材料的特殊性，厚度一般大于3mm。环氧玻璃布管内放入两个截面为弧形的铜板作为正负极导电板，其径向加工有与磁极引线位置对应的螺纹底孔，导电板截面积及螺纹规格根据电密选取，但不低于励磁线圈截面积。两导电板之间放入5mm厚环氧玻璃布板，绝缘强度满足励磁系统要求。导电螺杆与导电板材质相同，纵截面为阶梯型，两端带有螺纹，非螺纹部分包有云母带，浸漆固化后具有良好绝缘效果和机械强度。主轴和环氧玻璃布管上加工有通孔，位置与磁极引线对应，导电螺杆穿过通孔与导电板连接，然后安装压塞，另一端用螺母紧固，使导电板与主轴位置固定。磁极引线接头安装在铜垫片与压紧螺母之间，改善了磁极引线安装和拆检的繁琐问题，增加了转子部件的安全性。

2.3 交流励磁机旋转电枢结构

无刷励磁机承担着将交流电转为直流电的关键功能，结构如图4所示。

图4 励磁机旋转电枢结构

由于电枢铁心冲片内径较大，不能直接装在主轴上，因此在主轴和铁心间增加电枢支架。电枢支架具有良好的机械强度，外圆处开有定位键槽，安装冲片时以键定位，保证铁心槽口对齐，防止槽内的凸凹片损伤电枢绕组绝缘。 铁心上有通风沟，位置和数量与定子通风沟相同，加强了励磁机的冷却效果。铁心两端为端板，压紧铁心后与电枢支架焊接固定，减少齿部外涨。绕组为成型绕组，与散绕组相比，具有端部散热好和机械强度高的优点。端板两侧各装有一定数量的支撑筋板，支撑筋板与绕组之间垫有绝缘环，在满足电机对地绝缘要求的前提下增加了绕组的刚度。 由于电机运行时绕组端部承受较大的离心力和电磁力，因此使用高强度无纬玻璃丝带将电枢绕组的端部和引出线固定在星形支撑筋上，使浸漆后的绕组和铁心成为一体。旋转电枢与主轴不需经常拆卸，采用定心性好的过盈配合，其结构简单，承载能力高，对轴的强度削弱小。考虑到绕组的承受温度，热套最高温度根据电机的F绝缘等级而定为150℃。

3 结语

本文对我公司研制的大型无刷励磁电机的冷却系统及主机和励磁机的结构进行了详细介绍，目前该样机在现场运行状况良好，证明此电机的结构设计合理，对于同类电机的结构设计具有一定的参考价值和实用意义。

[1] 李幼倩，韩君强.现代新型无刷励磁同步电动机的设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.1.

[2] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却[M].北京：科学出版社，1992.10.

[3] 王永昌. 电机制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1984.11.

Structural Characteristics of Large-Sized Brushless Excitation Motor

LiuZhaojiang,LiJunting,andYangXudong

(Harbin Electric Power Equipment Co ., Ltd ., Harbin 150040, China)

This paper introduces structure and wind path characteristics of large-sized brushless excitation motor on the basis of a practical example, and focuses on cooling structure, iron core and winding structures as well as AC exciter′s rotating armature structure. It has been verified that the performance of brushless excitation motor is very reliable although its structure is special and its manufacture is very difficult. They provide a certain reference for design of similar motors.

Brushless excitation motor；structure；design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.06

TM303

B

1008-7281(2016)06-0018-004

刘兆江 男 1973年生；毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，现从事电机设计开发工作.

2015-09-28