大型进口同步提升电机国产化替代技术方案研究

杨 兴，刘 鹏

(山西潞安化工集团 能源事业部，山西 长治 046200)

过去十多年里，随着煤矿装备水平提升，煤矿企业提升电机逐步由小型国产异步、直流电机转向大型同步电机。由于缺乏对大型提升电机专业的预防性检修和紧急故障处理能力，当出现紧急故障时只能选择返厂修理。返厂不仅停产时间长，而且修理成本高。为防止电机事故导致停产，近两年来，公司多个矿井陆续备用提升电机或提出备用需求。然而，购置进口电机单台达1 500～2 000万元，备用电机不仅投资大，而且可能10 a甚至20 a长期闲置，造成巨大资金占用。

为了集团后续其他类似矿井国产化设备改造和新矿井建设投资采购提升机电机设备积累开发设计经验，同时为支持和推进国内装备制造业深化转型、向高端装备制造发展，潞安集团提出对大型提升电机进行国产化替代的思路，意义深远、责任重大。

1 项目概况

李村煤矿副井在用提升电机由德国西门子于2009年提供，规格1DQ5631-6XT08-Z1500kW 3 150V 36 r/min，投入运行至今超过10 a.为保证设备安全运行，李村矿提出采购一台备机且获得集团批准，并列入固定资产投资产计划，计划金额2 000万。为了降低投资成本，支持和推进国内装备制造业深化转型，集团公司提出对大型提升电机进行国产化替代的思路，并提出备机的设计基本原则：电机功率、转速不变，主要安装尺寸、安装形式、主出线位置、测温及加热器接线位置等均同原电机。

2 国产化替代存在问题及对策

2.1 车集矿案例调研

经了解，国内唯一例尝试提升电机国产化替代，并对备机进行了试车的矿井是河南能源的车集矿。车集矿的主井提升机于1999年投用，电机为西门子产品，型号1DQ5139-6AA06-Z，功率2 500 kW、电压1 460 V、极数12、额定频率5.8 Hz、转速58 r/min。2018年，该矿的备用提升电机实现国产化替代，型号为TDBS 2500-12，转速58 r/min，电压1 460 V，额定频率5.8 Hz，励磁电压114 V.2020年国产化备用电机试转1 a后，又作为备用机保存在仓储中心，并定期维护保养。

车集矿备用电机在投用的1 a中，除了运行噪音较原电机稍高外，整体运行正常平稳。然而，在使用过程中，车集矿也发现了原机与备机的两项明显差异：一是备机过载提升能力不足。车集矿主井额定提升16 t，因该矿当时装、卸载站未闭锁导致二次装载(此情况属提升事故)后，一斗装载了23 t，备机无法提升，而过去原电机可以正常提升。由此可见，同规格的西门子电机提升能力的富裕系数较大。二是备机发热量较大，温升高，因此冷却风机能力增加了1倍。车集矿原西门子电机冷却风量为7.8 m3/s，而国产电机厂电机设计的需风量为15.1 m3/s.

2.2 针对存在问题的改进方案

1) 温升：国产电机厂对定子通风槽进行了改进，正在为期3个月的温升工业试验，然后根据试验结果确定是否用在李村电机设计上；采用更好的定子硅钢片以减少定子发热(由50W540升级为50W470)；重新核算电机需风量，适当增加冷却风机通风能力。

2) 过载能力：车集矿是定子电流输出受限或转子材料磁密度不足等原因导致。对于李村副井电机，设计的额定电压电流及转子磁密度数据符合西门子性能参数表，可以满足过载能力不低于原西门子电机的要求。

3) 噪音：在电磁结构方案、制造工艺、现场装配、电控调试等方面严格管控，以降低启动及运行噪音。

3 整体实施方案

为避免车集矿备用电机存在的不足，确保李村副井提升电机制作精良，在定子硅钢片、定转子电磁线、磁轭等原材料的选择，电机定转子加工工艺细节上，制定了一整套实施方案。

3.1 电机定子选用材料及制造工艺

电机定子铁芯采用0.5 mm硅钢板扇形片叠压成整体圆柱形，并用轴向拉紧螺杆将铁芯和机座壁拉紧固定成一个整体。定子扇形片材料选用低损耗高导体0.5 mm厚冷轧硅钢板,型号为50W470.要求定子扇形片在SCHULER公司进口的高速自动冲床生产线上完成冲剪制造，冲片毛刺小，再经涂漆烘干后，按工号叠放和保管。铁芯槽形尺寸、内径等检查合格,并进行铁耗试验,合格后经清理并用吹吸机去除尘土再进行喷漆处理。

定子线圈采用F级云母导线,型号为3M43-F.要求在瑞士ISOLA公司进口的数控自动绕线机上绕制成梭形。外包保护带后在德国舒曼公司进口的自动拉型机上拉制成型,不需再用复型模敲打成型,可避免匝间绝缘损伤。拉型完成进行匝间胶化模压处理,将松散股线胶化成一个整体,然后去除保护带和引线端头绝缘。为了避免粉云母带在包绕时损伤,特将此工序放在加拿大WENSENT公司进口的数控多功能包带机器人上，把粉云母带按绝缘规范要求包绕在线圈上,最后包玻璃丝带。对地绝缘完成后对白胚线圈进行匝间检查及对地耐压检查。绕组绝缘采用F级少胶云母带。

定子嵌线按设计图纸及槽内布排要求将白胚线圈嵌入铁芯,并用涤纶护套玻璃丝绳绑紧固定,按设计的绕组连接顺序,完成绕组接头连接和装上出线排。然后清理送检,再经脉冲试验、绝缘电阻测定、耐电压试验。检查通过后，方可转入VPI绝缘处理工序。

3.2 转子选用材料及制造工艺

电机转子为凸极式，磁极冲片材料选用1.5 mm厚钢板,在复式模上一次冲制成型，并在两端放置压板后，通过拉紧螺杆接成一个铁芯体，然后放置阻尼条、阻尼环等零部件。

励磁绕组采用裸扁铜线，通过瑞士EFD公司中频焊机，焊制成同心式线圈，经消除应力及整型后进行装焊。垫入F级匝间绝缘，热压成磁极线圈，并作匝间短路检查。磁极铁芯，按湿热型绝缘规范烫包绝缘，套上磁极线圈放入垫圈及二端绝缘块定位，热压成磁极装配。

碳刷及滑环,电机采用具有恒压弹簧的刷握，即能保持碳刷在使用中有恒定的压力，又能方便更换碳刷。碳刷采用接触压降小、摩擦系数低、许用电流密度大的金属石墨碳刷(滑环温度不高于70 ℃).滑环材料采用1Cr18Ni9、表面粗糙度达到Ra1.6.

电机转子磁轭为铸钢件，与主轴采用夹板联结，配合联结尺寸按随机图纸中的联接配合尺寸加工。磁轭圆周的磁极拉杆孔加工位置，保证磁极中心和定子中心一致。转子装极完成，磁极采用高强度的拉紧螺杆固定于磁轭上。磁极线圈接头焊接经后成为磁极绕组。阻尼环通过连接片，成为一个全阻尼绕组用。转子绝缘处理完工后，测直流电阻，对地绝缘电阻及耐压试验。转子表面覆盖绝缘烘漆，使成为一个连续的保护层。各项指标合格后，方可进入总装配。

4 结 语

大型进口同步提升电机国产化替代是一个系统工程，除了紧盯材料选择、生产工艺外，还有三点需要特别注意：

1) 校核：在设计方案确定后，须由原设计院重新对提升系统、制动系统及土建基础进行校验。重点关注转子增重后对绞车主轴挠度的影响，定子增重对电机基础的影响，与转动惯量变化对闸控系统的影响。

2) 安装：电机转子与绞车主轴的连接是法兰连接，必须确保安装尺寸。第一，测量必须细致，孔尺寸必须要核实好；第二，加工精度必须保证，确保安装不产生偏差，同心度得到根本保证。

3) 维护：电刷仍采用原西门子产品，要注意与滑环额匹配，减少维护工作量。