雷 雯

應(yīng)用研究

某型直流電機(jī)電樞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

雷 雯

（中國(guó)人民解放軍海軍裝備部武漢地區(qū)軍事代表局駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

某型直流電機(jī)的電刷長(zhǎng)時(shí)間磨損產(chǎn)生碳粉而導(dǎo)致電機(jī)絕緣電阻低，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)還存在優(yōu)化空間。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，分析直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)電機(jī)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)性能優(yōu)良，證明優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

直流電機(jī) 電樞 絕緣電阻 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

直流電機(jī)擴(kuò)大機(jī)作為一型特種直流電機(jī)具有直流電機(jī)起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣、平滑，過(guò)載能力強(qiáng)，受電磁干擾影響小等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)因采用換向器、電刷等換向結(jié)構(gòu)，也存在電刷磨損、換向火花、絕緣電阻容易下降等固有弊端。隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)等技術(shù)也有著新的發(fā)展。根據(jù)多年直流軋鋼電機(jī)和水下推進(jìn)直流電機(jī)、發(fā)電機(jī)處理的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合使用情況經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析，針對(duì)某型電機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)的電樞絕緣電阻低的問(wèn)題，提出了該電機(jī)優(yōu)化改進(jìn)方案。首先對(duì)原電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)可行方案，通過(guò)仿真分析優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 總體思路

根據(jù)前期調(diào)研，直流擴(kuò)大機(jī)電機(jī)絕緣電阻降低主要原因是在環(huán)境濕度大的情況下電刷磨損產(chǎn)生的碳粉堆積在電機(jī)內(nèi)部造成電機(jī)爬電距離過(guò)小而引起的。

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]，從電樞結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減少碳粉進(jìn)入電樞內(nèi)部，以減少碳粉產(chǎn)生量方面對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)分析

該電機(jī)為典型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)[2]，電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路如圖1所示。

從圖中可知，第一路風(fēng)從電樞的換向器表面通過(guò)，經(jīng)過(guò)定電樞氣隙到達(dá)風(fēng)扇；另一路風(fēng)從換向器軸向通風(fēng)孔，經(jīng)電樞鐵心通風(fēng)槽到達(dá)風(fēng)扇，由離心風(fēng)扇將風(fēng)抽出電機(jī)，達(dá)到散熱冷卻效果。其中第一路在風(fēng)經(jīng)過(guò)繞組表面時(shí)，通過(guò)繞組間隙，從換向器升高片尾部間隙經(jīng)過(guò)，從電機(jī)鐵心通風(fēng)槽引出至離心風(fēng)扇抽出電機(jī)。

這種換向器與鐵心之間的繞組采用鋼絲綁扎，繞組與升高片之間的錫焊（在上世紀(jì)九十年代末期之前，國(guó)內(nèi)通用的成熟結(jié)構(gòu)和工藝），既克服了繞組線圈外擴(kuò)的離心力，又不影響風(fēng)路的通風(fēng)。

圖1 通風(fēng)示意圖

電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，電刷磨損產(chǎn)生的碳粉在圖2中的①、②等處堆積，造成兩升高片之間爬電距離縮短，導(dǎo)致電樞繞組的絕緣電阻降低。當(dāng)絕緣電阻降低時(shí)，就需進(jìn)行碳粉清理。若電機(jī)內(nèi)部受潮時(shí)，堆積的碳粉濕潤(rùn)成泥，將加劇碳粉的堆積，增加了碳粉清理的難度，此種狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，必須將電樞抽出并采用專用清洗劑清洗，否則很難將碳粉清理干凈，進(jìn)而很難將電機(jī)絕緣電阻維持在較為良好的水平。

圖2 碳粉堆積示意圖

3 優(yōu)化措施

根據(jù)多年來(lái)對(duì)軋鋼直流電動(dòng)機(jī)和水下直流推進(jìn)電機(jī)、發(fā)電機(jī)處理問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)引起電樞絕緣[3, 4]下降的原因?qū)﹄姌袚Q向器的兩處薄弱點(diǎn)采用密封的方式阻止碳粉進(jìn)入。

將換向器套筒尾部與繞組支架形成一個(gè)止口配合，然后將升高片根部與繞組端部下部空間采用適形氈填充，并用無(wú)緯帶將繞組與下部空間隔離開，阻止碳粉從通風(fēng)道方向進(jìn)入該空間。在換向器升高片的尾端加工一個(gè)4×2的缺口，電樞在嵌線完成后，在繞組表面綁扎無(wú)緯帶，無(wú)緯帶從鐵心綁扎至缺口處，將繞組和升高片的結(jié)合部位全部封閉。無(wú)緯帶經(jīng)固化后，形成一個(gè)整體，碳粉不能在該表面存留，也不能滲透入升高片背部空間，有效提高了電樞的絕緣可靠性。如圖3所示。

圖3 尾部密封示意圖

4 仿真分析

由于結(jié)構(gòu)上的調(diào)整可能引起風(fēng)路的變化，進(jìn)而影響電機(jī)溫升。為對(duì)流體及溫度場(chǎng)二者進(jìn)行分析，選用有限元分析的辦法對(duì)這兩方面進(jìn)行分析[5]。

根據(jù)該電機(jī)循環(huán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)與周向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，按照新方案建立周向1/8仿真模型，定子繞組與電樞繞組等效絕緣層厚度取0.5mm，層間絕緣墊塊與槽楔均按實(shí)際厚度建模，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真分析。參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

表1 溫度場(chǎng)損耗加載

表2 導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置

注：流體域中，風(fēng)溫度40℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速1450r/min，其他邊界按實(shí)際情況定義成周期性邊界或絕面。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)電樞流體速度矢量分析見圖4，端部溫度云圖見圖5，定子溫度云圖見圖6。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)風(fēng)路及溫升的變化，對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫升考核，溫升試驗(yàn)結(jié)果如表3：

圖4 優(yōu)化方案局部速度矢量圖

圖5 電樞繞組溫度云圖

圖6 定子溫度云圖

表3 電機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果

溫升試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)電機(jī)風(fēng)路影響較小，溫升仍然在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

為驗(yàn)證電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)選取優(yōu)化后的電機(jī)和未優(yōu)化的電機(jī)各一臺(tái)放入封閉環(huán)境，同時(shí)將與電機(jī)同牌號(hào)電刷碾碎成粉末，撒入封閉空間內(nèi)，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，在揚(yáng)塵環(huán)境下持續(xù)檢測(cè)電機(jī)絕緣；采用自動(dòng)化設(shè)備在封閉空間內(nèi)模擬海洋高濕度環(huán)境，持續(xù)檢查電機(jī)絕緣。

通過(guò)上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的電機(jī)在同樣的環(huán)境下，絕緣可靠性較未優(yōu)化電機(jī)有較大提升。絕緣電阻檢測(cè)值如表4。

表4 電機(jī)絕緣電阻檢測(cè)值

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)直流擴(kuò)大機(jī)電樞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)化分析，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。從結(jié)果看本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)絕緣性能有較大提升，有效提升電機(jī)的可靠性。設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以為同類電機(jī)設(shè)計(jì)與分析提供一定程度的幫助。

[1] 李發(fā)海. 電機(jī)學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[2] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京: 機(jī)械設(shè)計(jì)出版社, 2002.

[3] 李英存, 佘強(qiáng). 電機(jī)絕緣診斷和壽命延長(zhǎng)方法[J].絕緣材料通訊, 1997(05): 39-42.

[4] 李季嬰.電機(jī)絕緣的檢測(cè)[J].電工技術(shù). 1984(09): 32-34.

[5] 王其鋒, 魏雪環(huán), 劉勇, 趙飛. 基于Ansys和MotorCAD仿真的無(wú)刷直流電機(jī)溫度場(chǎng)分析[J].機(jī)電信息,2019, (17): 154-155.

Optimization Design of Armature Structure of a Shipboard DC Motor

Lei Wen

（Military Representative Room of the PLA Navy Equipment Department in Xiangtan Area, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM33

A

1003-4862（2021）02-0057-03

2020-12-15

雷雯（1980-），男，本科。研究方向：電氣工程。E-mail: xemcjiexi@126.com