中車永濟電機有限公司 山西永濟 044502

中 煤能源平朔露天礦是中國最大的露天煤礦，20 世紀 80 年代與美國合作開采，煤礦設(shè)備均從美國進口。平朔露天礦和神華準格爾黑岱溝露天煤礦均有十幾臺 PH2800XP 系列電鏟，每臺電鏟配備 2臺 K925 提升電動機。K925 電動機是美國 PH 公司生產(chǎn)的直流電動機，至今服役已經(jīng)超過 30 年。由于運行時間過長，加上經(jīng)常超負荷作業(yè)，絕緣老化問題嚴重，電動機環(huán)火、電樞燒損等問題頻繁發(fā)生，嚴重影響電鏟作業(yè)效率。從國外采購電動機或配件，不僅價格昂貴，而且周期長，無法滿足礦方生產(chǎn)需求。中車永濟電機有限公司應(yīng)平朔煤礦要求，研制了 YZ69 提升電動機。YZ69 提升電動機應(yīng)用了高鐵牽引電動機單面聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶 W7329H0 等新型絕緣材料，采用異槽式單疊繞組、絕緣端蓋等新工藝結(jié)構(gòu)，提高了電動機的可靠性。

1 直流提升電動機

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

YZ69 提升電動機是一種 4 極他勵直流電動機，通風方式為強迫通風，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1.1.1 定子

定子主要由機座、主極裝配、附極裝配組成。機座由 100 mm 厚鋼板折彎而成，具有良好的導磁性能和機械性能，起支撐和導磁作用；主極裝配包括主極線圈和主極鐵心，4 個主極線圈串聯(lián)，引出線 F1、F2通電產(chǎn)生主磁場；附極裝配包括附極線圈和附極鐵心，4 個附極線圈通過電刷與電樞串聯(lián)，引出線 A1、A2 通電產(chǎn)生換向極磁場。

主極線圈由聚酰壓胺薄膜燒結(jié)導線繞制而成，其作用是通直流電產(chǎn)生主磁場，附極線圈為銅扁線繞制，其作用為產(chǎn)生換向磁場，抵消電樞反應(yīng)，改善換向，減小火花。主極鐵芯為鋼疊片結(jié)構(gòu)，能夠大幅降低渦流損耗。附極鐵芯為整塊結(jié)構(gòu)。主極鐵芯與電樞鐵芯之間的氣隙不均勻，目的是改善換向。

圖1 YZ69 提升電動機Fig.1 YZ69 lifting motor

1.1.2 電樞

電樞鐵芯由 0.5 mm 厚優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊壓而成，彼此用漆膜絕緣，能夠大幅降低渦流損耗，減少發(fā)熱。電樞共有 50 個槽，電樞繞組為異形槽單疊繞組，每個線圈有 3 個元件，元件的導線采用聚酰亞胺薄膜燒結(jié)導線，均壓線為雙絲聚酰亞胺漆包線。

換向器為燕尾拱形結(jié)構(gòu)，共有 150 片換向片和云母片。換向器壓圈上 V 形云母環(huán)伸出部分粘有聚四氟乙烯保護帶，具有很強的防電弧能力，其作用是電動機環(huán)火時保護換向器不受電弧灼傷。換向器采用動壓、超速工藝，成型更加穩(wěn)定。

電樞線圈和均壓線的接頭與換向器升高片采用氬弧焊接，焊接時局部受熱，對其他部位損傷小且焊接牢固。電樞兩端采用無緯帶綁扎，可防止線圈甩出。電樞整體真空壓力浸漆，使電樞具有良好的整體性、密封性和絕緣性。

1.1.3 刷架系統(tǒng)

電動機刷架系統(tǒng)有 4 個刷桿，每個刷桿裝有 5 個刷盒，每個刷桿有 5 塊電刷。電刷牌號為 TA45，彈簧壓力為 58 N。刷架圈安裝有放電板，電動機環(huán)火時，電弧通過放電板引出，保護換向器不被電弧燒傷。

1.1.4 軸承

電動機傳動端、換向器端各裝有 1 個軸承。換向器端軸承為 NSKN224/C3 圓柱滾柱軸承。傳動端軸承為 NSK22224EAE4/C3 雙列調(diào)心滾子軸承，具有自動調(diào)心功能，可以消除安裝時聯(lián)軸節(jié)同軸度偏差對電動機的不利影響。

1.2 性能指標

YZ69 提升電動機主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 YZ69 提升電動機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of YZ69 lifting motor

1.2.1 電動機接線

YZ69 提升電動機接線如圖 2 所示。電動機由 2套電源供電，1 套電源給主極線圈供電，勵磁電流從主極引出線 F1 流入，流經(jīng) 4 個串聯(lián)的主極線圈，最后從主極引出線 F2 流出，產(chǎn)生 N、S 主磁場。單獨改變勵磁電流方向可以改變磁場方向，從而改變電動機轉(zhuǎn)向，改變勵磁電流的大小可以調(diào)節(jié)主磁場的強弱，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。另 1 套電源勵磁電流從電樞引出線 A1 流入，由正電刷流入電樞，負電刷流出，再流入 4 個串聯(lián)的附極線圈，最后從附極引出線 A2 流出，產(chǎn)生換向磁場。單獨改變電流方向可以改變電動機轉(zhuǎn)向，電流的大小與負載的大小正比。

圖2 YZ69 提升電動機接線Fig.2 Wiring principle of YZ69 lifting motor

1.2.2 特性曲線

YZ69 提升電動機調(diào)整特性曲線如圖 3 所示。調(diào)整特性是指在電樞電壓、電流不變的情況下，勵磁電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。他勵電動機可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓、電樞電流和勵磁電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于勵磁繞組由單獨電源供電，所以勵磁電流調(diào)節(jié)更加方便。當電鏟斗裝滿礦石裝入運輸卡車時，電動機勵磁電流最大，磁場最強，轉(zhuǎn)矩最大。當電鏟斗卸掉礦石后，負載減小，勵磁電流減小，磁場減弱，轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速升高。

圖3 YZ69 提升電動機調(diào)整特性曲線Fig.3 Adjusting characteristic curve of YZ69 lifting motor

2 新材料、新工藝

2.1 電樞線圈

YZ69 提升電動機采用新型絕緣材料單面聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶 W7329H0[1]，減輕了絕緣質(zhì)量，提高了可靠性。電動機絕緣性能的優(yōu)劣直接影響電動機容量發(fā)揮和安全穩(wěn)定運行。K925 電動機轉(zhuǎn)子采用0.14 粉云母帶等絕緣材料，存在以下缺點：①絕緣厚重不利于散熱；② 耐壓水平低，容易接地；③機械強度差嵌線過程中絕緣容易損傷。YZ69 提升電動機設(shè)計時，借鑒高鐵牽引電動機成熟產(chǎn)品技術(shù)，采用先進的絕緣結(jié)構(gòu)、選用最優(yōu)的絕緣材料，200 級絕緣，可在 200 ℃ 下長期運行，可以滿足該電動機長時間大電流持續(xù)運行，絕緣不會因為過熱而性能下降，少膠云母帶能使轉(zhuǎn)子在真空壓力浸漆 VPI 中絕緣漆能夠全部進入轉(zhuǎn)子線圈，大幅提高轉(zhuǎn)子線圈與鐵心的一體化程度，浸漆后的聚酰亞胺薄膜少膠粉云母帶可以耐工頻電壓 7.23 kV，絕緣厚度很薄，僅 0.09 mm，有利于電動機散熱。YZ69 提升電動機采用的高鐵牽引絕緣材料從耐溫等級、耐壓等級、散熱性能、真空壓力和浸漆 VPI 性能等均有大幅提升，從而大幅提高電動機可靠性，滿足提升電動機長時過載工況。

2.2 刷架圈

K925 電動機刷架圈直徑 700 mm，厚度 30 mm，采用國外某種絕緣材料，具有非常好的絕緣性能和機械性能，但價格約為 3 000 美元。在 YZ69 電動機研制過程中，刷架圈材料終于找到國產(chǎn)化替代材料，4330-2 電氣用玻璃纖維酚醛壓塑料。這是一種玻璃纖維材料，熱壓成型，高溫下不會出現(xiàn)裂紋，具有良好的絕緣性能和機械性能，應(yīng)用在 K925 電動機，安全正常運行 3 a 以上，通過考核驗證。其價格為 600美元，僅為進口刷架圈價格的 20%。

2.3 繞組結(jié)構(gòu)

平朔煤礦實際工況電鏟提升電動機長時過載，電動機長時間大電流會使換向器表面過熱產(chǎn)生形變，導致?lián)Q向器跳動量增大，電動機旋轉(zhuǎn)時電刷與換向器接觸不良而產(chǎn)生火花，增加了電動機環(huán)火的風險。YZ69 提升電動機轉(zhuǎn)子繞組采用異槽式單疊繞組結(jié)構(gòu)，能夠大幅降低電動機火花。異槽式與同槽式繞組結(jié)構(gòu)對比如圖 4 所示。當電樞旋轉(zhuǎn)時，同槽式繞組的幾個元件先后進入換向，每個元件在換向結(jié)束時，元件中的電磁能量轉(zhuǎn)移到同槽相鄰的短路元件中，但是最后結(jié)束換向的元件無處轉(zhuǎn)移它的電磁能量，只能以火花的形式在電刷滑出邊釋放[2]。異槽式繞組同一線圈跨在相鄰的 2 個槽內(nèi)，繞組的最后元件換向結(jié)束后，仍有同槽的另外繞組的元件對它發(fā)生磁通交鏈，這樣，繞組的最后元件換向結(jié)束時的電磁能量大部分轉(zhuǎn)移到同槽中的另外繞組開始換向的元件。如此往復，換向片與電刷之間瞬間積儲的電磁能量相對較少，火花隨之大幅減小[3]。

圖4 異槽式與同槽式繞組結(jié)構(gòu)對比Fig.4 Comparison of different-slot windings and sameslot windings in structure

2.4 絕緣端蓋

YZ69 提升電動機換向器采用絕緣端蓋，可以防止軸電流對軸承損壞。直流電動機運行時由于磁通脈動、磁路不對稱等原因，電動機轉(zhuǎn)軸兩端往往感應(yīng)出軸電壓。軸電壓對軸承是沒有損害的，但是如果軸電壓逐漸升高，超過 300 mV，就可能擊穿軸承內(nèi)圈和外圈之間的油膜，在機座、前端軸承、轉(zhuǎn)軸、后端軸承形成回路，產(chǎn)生軸電流[4]，如圖 5 所示。

圖5 軸電流Fig.5 Axial current

軸電流會在滾珠和軸承滾道放電，在軸承滾道形成“搓衣板”紋路，如圖 6 所示。

圖6 軸承滾道搓衣板紋路Fig.6 Corrugated pattern on bearing raceway

軸電流會在轉(zhuǎn)軸表面形成坑點，轉(zhuǎn)軸表面放電小坑，如圖 7 所示。

軸電流一旦產(chǎn)生，一般 3～5 d 就會使電動機軸承損壞，導致電動機無法工作。YZ69 提升電動機換向器側(cè)端蓋軸承室與端蓋其他部位之間設(shè)計絕緣層[5]。絕緣端蓋如圖 8 所示。由于軸承室絕緣層的存在，使得軸電流無法構(gòu)成回路，從而避免軸電流的產(chǎn)生。

圖7 轉(zhuǎn)軸表面放電小坑Fig.7 Discharge pit on surface of rotating shaft

圖8 絕緣端蓋Fig.8 Insulated end cover

3 結(jié)語

通過將新材料、新工藝應(yīng)用于 YZ69 提升電動機，完全能夠滿足礦方要求。首批 2 臺已經(jīng)在平朔煤礦投入使用，PH2800XP 電鏟的工作效率顯著提高。同時 YZ69 提升電動機的配件與 K925 電動機可以完全互換，國產(chǎn)化的配件性能等同或超過 K925 電動機，價格卻大幅下降，為電動機維修帶來方便，解決了多年來礦方備品備件需從國外進口的難題。通過 3 a 的運行考核，YZ69 提升電動機高可靠性、高性價比、低故障率的品質(zhì)和配件的完全互換性得到礦方好評。YZ69 提升電動機的國產(chǎn)化研制為今后礦用進口電動機和配件國產(chǎn)化開辟了一條新路。