露天煤矿电铲提升电动机国产化研制

中车永济电机有限公司 山西永济 044502

中 煤能源平朔露天矿是中国最大的露天煤矿，20 世纪 80 年代与美国合作开采，煤矿设备均从美国进口。平朔露天矿和神华准格尔黑岱沟露天煤矿均有十几台 PH2800XP 系列电铲，每台电铲配备 2台 K925 提升电动机。K925 电动机是美国 PH 公司生产的直流电动机，至今服役已经超过 30 年。由于运行时间过长，加上经常超负荷作业，绝缘老化问题严重，电动机环火、电枢烧损等问题频繁发生，严重影响电铲作业效率。从国外采购电动机或配件，不仅价格昂贵，而且周期长，无法满足矿方生产需求。中车永济电机有限公司应平朔煤矿要求，研制了 YZ69 提升电动机。YZ69 提升电动机应用了高铁牵引电动机单面聚酰亚胺薄膜少胶粉云母带 W7329H0 等新型绝缘材料，采用异槽式单叠绕组、绝缘端盖等新工艺结构，提高了电动机的可靠性。

1 直流提升电动机

1.1 结构介绍

YZ69 提升电动机是一种 4 极他励直流电动机，通风方式为强迫通风，结构如图 1 所示。

1.1.1 定子

定子主要由机座、主极装配、附极装配组成。机座由 100 mm 厚钢板折弯而成，具有良好的导磁性能和机械性能，起支撑和导磁作用；主极装配包括主极线圈和主极铁心，4 个主极线圈串联，引出线 F1、F2通电产生主磁场；附极装配包括附极线圈和附极铁心，4 个附极线圈通过电刷与电枢串联，引出线 A1、A2 通电产生换向极磁场。

主极线圈由聚酰压胺薄膜烧结导线绕制而成，其作用是通直流电产生主磁场，附极线圈为铜扁线绕制，其作用为产生换向磁场，抵消电枢反应，改善换向，减小火花。主极铁芯为钢叠片结构，能够大幅降低涡流损耗。附极铁芯为整块结构。主极铁芯与电枢铁芯之间的气隙不均匀，目的是改善换向。

图1 YZ69 提升电动机Fig.1 YZ69 lifting motor

1.1.2 电枢

电枢铁芯由 0.5 mm 厚优质冷轧硅钢片叠压而成，彼此用漆膜绝缘，能够大幅降低涡流损耗，减少发热。电枢共有 50 个槽，电枢绕组为异形槽单叠绕组，每个线圈有 3 个元件，元件的导线采用聚酰亚胺薄膜烧结导线，均压线为双丝聚酰亚胺漆包线。

换向器为燕尾拱形结构，共有 150 片换向片和云母片。换向器压圈上 V 形云母环伸出部分粘有聚四氟乙烯保护带，具有很强的防电弧能力，其作用是电动机环火时保护换向器不受电弧灼伤。换向器采用动压、超速工艺，成型更加稳定。

电枢线圈和均压线的接头与换向器升高片采用氩弧焊接，焊接时局部受热，对其他部位损伤小且焊接牢固。电枢两端采用无纬带绑扎，可防止线圈甩出。电枢整体真空压力浸漆，使电枢具有良好的整体性、密封性和绝缘性。

1.1.3 刷架系统

电动机刷架系统有 4 个刷杆，每个刷杆装有 5 个刷盒，每个刷杆有 5 块电刷。电刷牌号为 TA45，弹簧压力为 58 N。刷架圈安装有放电板，电动机环火时，电弧通过放电板引出，保护换向器不被电弧烧伤。

1.1.4 轴承

电动机传动端、换向器端各装有 1 个轴承。换向器端轴承为 NSKN224/C3 圆柱滚柱轴承。传动端轴承为 NSK22224EAE4/C3 双列调心滚子轴承，具有自动调心功能，可以消除安装时联轴节同轴度偏差对电动机的不利影响。

1.2 性能指标

YZ69 提升电动机主要参数如表 1 所列。

表1 YZ69 提升电动机主要参数Tab.1 Main parameters of YZ69 lifting motor

1.2.1 电动机接线

YZ69 提升电动机接线如图 2 所示。电动机由 2套电源供电，1 套电源给主极线圈供电，励磁电流从主极引出线 F1 流入，流经 4 个串联的主极线圈，最后从主极引出线 F2 流出，产生 N、S 主磁场。单独改变励磁电流方向可以改变磁场方向，从而改变电动机转向，改变励磁电流的大小可以调节主磁场的强弱，从而改变电动机的转速和转矩。另 1 套电源励磁电流从电枢引出线 A1 流入，由正电刷流入电枢，负电刷流出，再流入 4 个串联的附极线圈，最后从附极引出线 A2 流出，产生换向磁场。单独改变电流方向可以改变电动机转向，电流的大小与负载的大小正比。

图2 YZ69 提升电动机接线Fig.2 Wiring principle of YZ69 lifting motor

1.2.2 特性曲线

YZ69 提升电动机调整特性曲线如图 3 所示。调整特性是指在电枢电压、电流不变的情况下，励磁电流与转速的关系。他励电动机可以通过调节电枢电压、电枢电流和励磁电流调节转速。由于励磁绕组由单独电源供电，所以励磁电流调节更加方便。当电铲斗装满矿石装入运输卡车时，电动机励磁电流最大，磁场最强，转矩最大。当电铲斗卸掉矿石后，负载减小，励磁电流减小，磁场减弱，转矩减小，转速升高。

图3 YZ69 提升电动机调整特性曲线Fig.3 Adjusting characteristic curve of YZ69 lifting motor

2 新材料、新工艺

2.1 电枢线圈

YZ69 提升电动机采用新型绝缘材料单面聚酰亚胺薄膜少胶粉云母带 W7329H0[1]，减轻了绝缘质量，提高了可靠性。电动机绝缘性能的优劣直接影响电动机容量发挥和安全稳定运行。K925 电动机转子采用0.14 粉云母带等绝缘材料，存在以下缺点：①绝缘厚重不利于散热；② 耐压水平低，容易接地；③机械强度差嵌线过程中绝缘容易损伤。YZ69 提升电动机设计时，借鉴高铁牵引电动机成熟产品技术，采用先进的绝缘结构、选用最优的绝缘材料，200 级绝缘，可在 200 ℃ 下长期运行，可以满足该电动机长时间大电流持续运行，绝缘不会因为过热而性能下降，少胶云母带能使转子在真空压力浸漆 VPI 中绝缘漆能够全部进入转子线圈，大幅提高转子线圈与铁心的一体化程度，浸漆后的聚酰亚胺薄膜少胶粉云母带可以耐工频电压 7.23 kV，绝缘厚度很薄，仅 0.09 mm，有利于电动机散热。YZ69 提升电动机采用的高铁牵引绝缘材料从耐温等级、耐压等级、散热性能、真空压力和浸漆 VPI 性能等均有大幅提升，从而大幅提高电动机可靠性，满足提升电动机长时过载工况。

2.2 刷架圈

K925 电动机刷架圈直径 700 mm，厚度 30 mm，采用国外某种绝缘材料，具有非常好的绝缘性能和机械性能，但价格约为 3 000 美元。在 YZ69 电动机研制过程中，刷架圈材料终于找到国产化替代材料，4330-2 电气用玻璃纤维酚醛压塑料。这是一种玻璃纤维材料，热压成型，高温下不会出现裂纹，具有良好的绝缘性能和机械性能，应用在 K925 电动机，安全正常运行 3 a 以上，通过考核验证。其价格为 600美元，仅为进口刷架圈价格的 20%。

2.3 绕组结构

平朔煤矿实际工况电铲提升电动机长时过载，电动机长时间大电流会使换向器表面过热产生形变，导致换向器跳动量增大，电动机旋转时电刷与换向器接触不良而产生火花，增加了电动机环火的风险。YZ69 提升电动机转子绕组采用异槽式单叠绕组结构，能够大幅降低电动机火花。异槽式与同槽式绕组结构对比如图 4 所示。当电枢旋转时，同槽式绕组的几个元件先后进入换向，每个元件在换向结束时，元件中的电磁能量转移到同槽相邻的短路元件中，但是最后结束换向的元件无处转移它的电磁能量，只能以火花的形式在电刷滑出边释放[2]。异槽式绕组同一线圈跨在相邻的 2 个槽内，绕组的最后元件换向结束后，仍有同槽的另外绕组的元件对它发生磁通交链，这样，绕组的最后元件换向结束时的电磁能量大部分转移到同槽中的另外绕组开始换向的元件。如此往复，换向片与电刷之间瞬间积储的电磁能量相对较少，火花随之大幅减小[3]。

图4 异槽式与同槽式绕组结构对比Fig.4 Comparison of different-slot windings and sameslot windings in structure

2.4 绝缘端盖

YZ69 提升电动机换向器采用绝缘端盖，可以防止轴电流对轴承损坏。直流电动机运行时由于磁通脉动、磁路不对称等原因，电动机转轴两端往往感应出轴电压。轴电压对轴承是没有损害的，但是如果轴电压逐渐升高，超过 300 mV，就可能击穿轴承内圈和外圈之间的油膜，在机座、前端轴承、转轴、后端轴承形成回路，产生轴电流[4]，如图 5 所示。

图5 轴电流Fig.5 Axial current

轴电流会在滚珠和轴承滚道放电，在轴承滚道形成“搓衣板”纹路，如图 6 所示。

图6 轴承滚道搓衣板纹路Fig.6 Corrugated pattern on bearing raceway

轴电流会在转轴表面形成坑点，转轴表面放电小坑，如图 7 所示。

轴电流一旦产生，一般 3～5 d 就会使电动机轴承损坏，导致电动机无法工作。YZ69 提升电动机换向器侧端盖轴承室与端盖其他部位之间设计绝缘层[5]。绝缘端盖如图 8 所示。由于轴承室绝缘层的存在，使得轴电流无法构成回路，从而避免轴电流的产生。

图7 转轴表面放电小坑Fig.7 Discharge pit on surface of rotating shaft

图8 绝缘端盖Fig.8 Insulated end cover

3 结语

通过将新材料、新工艺应用于 YZ69 提升电动机，完全能够满足矿方要求。首批 2 台已经在平朔煤矿投入使用，PH2800XP 电铲的工作效率显著提高。同时 YZ69 提升电动机的配件与 K925 电动机可以完全互换，国产化的配件性能等同或超过 K925 电动机，价格却大幅下降，为电动机维修带来方便，解决了多年来矿方备品备件需从国外进口的难题。通过 3 a 的运行考核，YZ69 提升电动机高可靠性、高性价比、低故障率的品质和配件的完全互换性得到矿方好评。YZ69 提升电动机的国产化研制为今后矿用进口电动机和配件国产化开辟了一条新路。