宝钢国产化直流电动机的设计特点

张 鹏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

对一般精轧机电机来说，最高转速与额定转速之比(调速比)一般在2～2.5倍左右，因此直接采用无特殊设计及工艺要求的直流电机即可。但对卷取机及开卷机用直流电机来说，其调速比则需要达到3～3.5倍左右。对于轧制宽带及薄板而言，电机功率一般均在2×1 500 kW到2×2 500 kW之间(2台串联运行)，且须实行恒张力控制，故电机的制造难度非常大。由于电机体积较大，电机表面线速度较高，调速比大，由此带来电机电抗电势增大、弱磁调速困难，因而常规设计的电机在高速区域运行时换向火花就会增大甚至容易出现拉弧及环火，这样的大型直流电机已远远不能适应这种运行工况的要求，而只能采用特殊设计，本项目电机功率达到1 725 kW，调速比达到了3.1倍，而且电机结构紧凑，设计难度很大。

1 电机工况简介

本项目电机为宝钢厂要求我公司设计的进口电机的备机，该电机体积比我们制造的普通电机小一个机座号，型号如下:电机功率，1 500 kW;转速，290～900 r/min;电压，938 V。

并且要求满足1.15倍额定电流长期过载，此时对应电机型号如下:电机功率，1 725 kW;转速，290～900 r/min;电压，954 V。

2 与我公司普通电机对比

表1 同类产品对比

从表1分析，得出以下结论:

1)本项目电机的转动惯量(J)小，因此传动指标(J/M)比我公司普通电机提高28%，这一指标说明了本项目电机具有快速反应性。

(3)电机技术难度指标用功率×速比×最高转速(PN·i·nmax)来表达，它表示电机先进性的综合指标。本项目电机有较高的指标，从而证实了其先进性。

3 电机的电磁方案特点

表2 电滋参数

当电机在1 725 kW(1.15倍额定负载)功率下运行时，其热负荷达到5 998/9 051/8 066，普通电机的热参数通常控制在4 000以下，由于本电机热参数较高(尤其是电枢部分)，结构上采取了很多有效措施，使得绕组的温升仍控制在限值内。从而使本项目电机功率密度较高，具备了较高的技术先进性。

从表2的换向参数分析，为确保电机的高性能，克服换向问题，设计也采取了许多行之有效的办法。

4 提升电机出力措施

4.1 改善通风、散热设计

根据试验数据的积累，我们一般认为电枢热负荷(AΔa)应在4 000以下是合适的。本电机的发热参数大幅度提高，远超过温升的经验数据，因此采用合理的通风系统、绕组良好的散热性能，是电机绕组额定温升不超过温升限值和电机长期安全运行的根本保障，设计过程中主要采取了如下的特殊设计。

1)电枢线圈采用变截面技术，见图1，变截面即利用线圈直线部分散热好于端线部分，上层导线散热好于下层导线这一特点适当将电枢线圈直线部分电流密度，设计得比端部的高，直线部分的上层导线的电流密度略高于下层导线，线圈外围打无纬带结构以降低槽形深度，减少挤流效应，减小电抗电势，从而达到改善换向，提高调速比的目的。

图1 变截面线圈图

2)采用一路进风二路出风的通风风路。见图2。在电机内部将电机本体与换向器部分的风路实施隔离，使冷风的90%直接进入发热最多的电枢，然后通过电枢的径向风道再到定子。另10%的冷风通过挡风板与电枢线圈端部的间隙进入换向器。同时该通风风路可有效阻断电刷碳粉微粒进入电机，换向器部分的风路实施隔离后经冷却器内部的抽风过滤后，再变成洁净风经冷却鼓入电机内部。

图2 电机风路图

4.2 改善换向性能

本电机为高热负荷、高调速比的直流电机，电机的换向参数较高，必须采取有力措施改善换向性能。在设计过程中采用换向性能较好的u=2的异槽式单叠绕组，磁路结构采取阻尼措施，增加电枢和补偿绕组槽数，降低换向片间电压峰值等等很多有利于换向的措施，但最重要的是电枢线圈采用无纬带打箍紧固。

电抗电势er是电机换向性能的一个重要指标。根据我公司经验，在普通电机过载时，er控制在12 V以下。本电机分别采用槽楔固定和无纬带固定分别进行电磁计算，采用无纬带固定的方案A，电机高速过载时er=12.5 V，而采用槽楔固定方案B，电机高速过载时er=14.9 V，对比以上数据，方案A与方案B比，电机高速过载时电抗电势er由12.5 V增加到14.9 V，增加了19%，并且采用槽楔结构，电抗电势已经超出极限值24%。

5 无纬带绑扎计算与分析

无纬带固定是非常复杂的问题，根据发生过的几次无纬带断裂事故，分析原因主要两种，一种是无纬带箍厚度太薄，无法承受电枢线圈的离心力，另一种是无纬带箍太厚，高速旋转时变形导致与定子相擦。

无纬带强度计算按照我公司编制的大中型交直流机械计算公式，本电机铁心档打箍厚度a≥2.84 mm即可以满足电枢线圈铁心档部分承受的拉应力要求，考虑到电机运行安全性，以及厚度应为0.3 mm的整数倍，所以决定取a=3 mm。

采用有效元法分析铁心档的结构应力图如下:

图3 一档铁心的结构应力图

由于本电机的极限转速为1 080 r/min，采用有限元分析，最大变形量极限值为1.4 mm。定、转子间隙计算值为6 mm，转子铁心档无纬带厚度为3 mm，所以极限情况时，无纬带表面到主极铁心表面单边间隙还有3-1.4=1.6(mm)，定转子不会发生相擦。

6 电机试验

电机温升试验合格，1 500 kW时79.6 K，1 725 kW时104.8 K。换向性能优良，换向火花基速1级，高速级。电机其他各项要求均满足与用户签订的技术规格书的要求。

7 结语

通过综合利用设计经验和工艺技术，使该台电机的安装尺寸和技术要求都达到了用户要求。目前电机已经在宝钢正式运行，各项性能达到了与进口电机相同的技术指标，完全能够替代进口电机使用。