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1、Z900型直流电机及其新发展上海交通大学 周东宁摘要本文介绍我国Z系列中型直流电机中中心高最大的一个系列-Z900型直流电机，并提出有效措施，改进其换向性能，提高电机的出力。关键词：直流电机，电枢，绕组，换向，发热，通风1. Z900型系列直流电机介绍1) 概述： Z900型直流电机是我国Z系列中型直流电机中中心高最大的系列，是上海电机厂吸收并消化了世界两大电气公司ABB、SIEMENS公司同类电机先进技术并结合我国的实际情况，运用最新科研技术和设计手段，于上世纪90年代初设计开发的更新换代产品。该型电机达到上世纪90年代国际先进技术水平。电机的额定功率从1600kW到2240kW，额定电压从
2、660v到950v，额定转速从100r/min 到1000r/min， 额定转矩从35kN.m到154kN.m。该系列设计时，贯彻实施了新的国家标准，符合IEC和ISO有关标准相关规定。Z900型直流电机电气性能优良、结构合理、体积小、出力大，广泛适用于轧钢机主传动、矿山卷扬机、船舶、实验站设备、大型空气压缩机（风机）等领域，能运用在各种环境条件恶劣的使用场合，深受用户欢迎，有着良好的经济效益和社会效益，现已大量替代原老型号ZD120型、ZD150型、ZD180型直流电机。2) Z900型直流电机的电机型谱及结构图A. Z900型直流电机的型号说明Z 900 XXX P 派生产品代号（标准产品
3、不标） 电枢铁芯长度，以毫米为单位 电机中心高为900毫米 产品代号，Z型直流电机B. Z900型直流电机型谱见表1C. Z900型直流电机外形图和结构图见图1和图23) Z900型直流电机的特点Z900型直流电动机采用整体式框架型结构，机座采用八角形叠片结构，轴承采用端盖式滑动或滚动结构，冷却器采用背包式结构，带驱潮加热器。因此，整台电机具有结构简洁、紧凑、体积小、重量轻、整体吊运、安装方便、维护保养简单的特点A. 电机八角形机座、换向极铁芯、主极铁芯采用叠片结构 随着现代科学技术的发展，电机的供电和控制已全面采用可控硅整流电源，为此，为保证电动机具有良好的换向性能,电机能快速响应电源电流或
4、负载的急剧变化，同时为了更好、更合理的安置主极、换向极及磁轭磁路。八角形机座、换向极铁芯、主极铁芯采用优质薄钢板叠装而成。有效地减少可控硅整流电源中脉动成分的有害影响。表1 电机基本规格型号 p u u n p u n p u n p u nZ900-31516007504201800850 4792000950538Z900-400330376422Z900-500262300336Z900-630206236265Z900-800162186210Z900-1000129148 166Z900-1250103118133Z900-315660417750468850530224095059
5、5Z900-400318365415467Z900-500253290330372Z900-630200230261294Z900-800157181206232Z900-1000124143163184Z900-125099114130147Z900-315660455750520850595Z900-400357407465Z900-500284325370Z900-630224256292Z900-800176202230Z900-1000140160183Z900-1250111128146Z900-315 660520750595Z900-400408470Z900-50032537
6、3Z900-630257295Z900-800203232Z900-1000160184Z900-1250128147B. 电机的端盖 电机的端盖在Z900型电机中起非常重要的作用，它取代了原有ZD系列中底架、端罩、支撑件的作用。电机的机座是悬挂在两端两只方形框架式端盖上的，同时端盖设计和实际使用时还必须起到固定电机及承托固定冷却器的作用，同时还须考虑到通风的进、出风路,出线盒的引接线，刷架的固定和安置。还有最为重要的一点就是端盖的设计必须避免电机出现谐振。C. 轴承 Z900型直流电动机系列设计时，根据用户需要采用滚动轴承和滑动轴承两大系列，且根据电机输出转矩的大小匹配不同直径的轴承。设计时
7、均设计成端盖式支撑轴承，整体性能良好，且便于使用维护。D. 绝缘 由于Z900型直流电动机系列同以往的ZD系列结构上有很大的不同，因此该类型电机在坚持全面采用VPI真空压力整体浸漆等F级绝缘结构的基础上单独开发了一个“Z900直流电机绝缘规范”，设计了多套专用的真空压力浸漆用起吊、翻身工夹具。整体绝缘性能良好，使该型电机能广泛应用于各种行业及湿热带等各种恶劣工况。E. 换向器 直流电机设计时换向器是一个非常关键的部件，换向器运行性能的好坏直接影响到电机的换向，因此，我们在设计该类型电机的换向器时本着高标准、严要求原则，设计时换向器采用直接套轴式结构，以增强换向器的传动跟随性，避免升高片的扭振，
8、换向片采用银铜锑排，换向器片间绝缘采用换向器粉云母板，V形圈采用环氧玻璃坯布夹衬聚酰亚胺薄膜压制，装配后，V形圈3面处用云母围包后再阻燃环氧涂封，以抑制爬电，提高电机的绝缘性能。F. 电枢 电枢铁芯采用1250mm 0.5优质冷轧硅钢片整圆冲制，叠合性能好，同时采用轴向通风形式，电枢绕组采用具有优良而稳定的换向性能的单迭异槽绕组加槽均压的形式，整体真空压力浸漆处理，从而保证电机有良好的换向性能、绝缘性能。G. 冷却系统的设计 Z900型直流电动机系列可完全满足用户各种不同的冷却系统需要，除电机内部采用独特、合理布置的轴向冷却风路外，电机可满足管道强迫通风冷却及冷却器通风冷却形式，且冷却器可设计
9、成背负在电机上的背包式空水冷却器、空空冷却器，通风冷却效果良好，同时这种结构还可为用户节约大量的占地空间，使用方便。2. 市场的新要求及Z900型直流电动机的改进与发展近几年来，市场上对大型直流电动机的需求大幅增长，同时对电机的要求有向大功率、高弱磁调速比方向发展的趋势，这就对已开发生产了十余年的Z900型直流电机提出了更高的要求。尽管Z900型直流电机有许多的优点，但由于其是中心高型Z系列电机中最大的，在有些方面也有遗憾之处：1) 随着电机功率和输出转矩的增加，Z900型直流的弱磁调速比下降地较快。该系列直流电机的调速比一般在1.5 2.0之间。2) 现在用户大多希望直流电动机采用F级绝缘，
10、而电机的额定负荷的温升按B级温升考核。同时要求电机能满足115%额定电流长期运行和额定负载连续运行后，电流增加到125%额定电流，运行2小时，那时电机温升不超过规定限值。3) 上述两点要求对直流电机来说就需要处理好电机的发热温升高和换向火花的矛盾。对直流电机来说，有两个最主要的因素限制了其功率的增加：一个是电机的发热；另一个是电机的换向火花。而这两个因素在一定条件下（相同电枢直径）是不可协调的。也就是说，要想使电机的换向火花有所控制，势必使电机的发热参数提高；反之降低电机发热参数，将增加电机的换向参数，使电机换向难度增大。电机功率（电流）的增加，对中心高电机来说由于外形尺寸限制使电机的发热参数
11、Aa按电流的平方关系增加。原Z900型直流电枢铁芯为轴向通风结构，那样虽然对缩小电机长度十分有用。但由于没有径向通风道，使电枢的散热面积远小于径向通风的电机电枢，如不改变这种结构，对电机容量的增加不利。4) 电机换向电抗电势er的公式为：er=k*A*Va*la*其中 k-常系数 A- 为电枢的线负荷 la-为电枢铁芯净长(为铁芯总长减去径向风道后的长度) Va-为电枢表面的线速度 -为电枢线圈换向时的槽漏比磁导系数，与电枢绕组形式和电枢槽形有关。 从公式中可以看出，er与电机的电流，即线负荷A成正比，与电机的转速（弱磁时的额定高速）成正比，电机功率（电流）和弱磁调速比增加会大大增加电机的换向
12、难度。5) 因此有必要对Z900型直流电机的内部结构进行一定的改进，使得Z900型直流电机适应市场的要求，增强其竞争能力。我们主要采用以下几条技术手段：A. 提高电机换向能力，改善电机换向性能的措施。I. 降低槽形高度比，减小槽漏磁系数，从而降低电抗电势，同时使电机高速和基速时的换向强弱差减小，主要措施有：II. 采用先进的绝缘结构，大幅度地减小绝缘的厚度。III. 电枢线圈采用变截面技术制造，可大幅度降低槽形高度。变截面线圈技术对解决发热与换向的矛盾很有帮助。IV. 电枢线圈铁芯不用槽锲，用强力无纬带打箍紧固，这样就减少了槽锲高度，从而降低槽形高度。V. 上述这两项措施对降低槽形高度极为有用
13、，在设计大功率、高弱磁调速比直流电机时是至关重要的。变截面线圈技术的加工十分复杂，生产周期长，对生产人员的素质要求高，因此在实际制造过程中不经常采用。VI. 采用尽量多的补偿槽和接近100%补偿度，降低换向片间的电压峰值。合理地选用补偿绕组的槽数、槽距、实体数和并联支路数，尽可能采用较多的补偿槽数，使补偿绕组产生的磁势梯度降低。VII. 采用分块式优良材料电刷，增加电刷的横向电阻并使各支路间电阻保持平衡。VIII. 对电机换向器的结构加以改进，由原来的内拉杆式改为外拉杆式，增加换向器的刚度，减少换向器表面的变形和换向凸片的程度，从而提高换向器的质量，这对电机转速达到1000r/min、换向器表
14、面线速度为40m/s的Z900型直流电机的换向提供可靠的保证。IX. 电枢铁芯采用斜槽结构，避免换向片间电压因主磁通脉动而波动。X. 电枢采用换向性能较好的异槽形单迭绕组。XI. 定子中补偿绕组，换向极绕组由原一路串联的联结方式改为两路（N极一路，S极一路）并联的联接方式，改善电机换向调整的强度，同时为实施多补偿槽提供条件。B. 改善电机通风散热的措施 由于上述改善电机换向的措施，电机的发热参数大幅提高，只有通过有效措施改善电机的散热效果才能使电机的温升不超过限值。I. 采用先进的薄型绝缘结构：少胶粉云母箔卷绝缘。绝缘层薄，散热快，电枢VPI处理后，在线圈与铁芯之间充满漆，无气泡，整体性好，线圈导热、散热能力大大提高。II. u=2的单迭电枢绕组，使线圈直线部分的两根导体都贴紧铁芯，有利于铜线发热的散出。III. 变截面线圈制造技术充分利用电枢绕组各部分的散热条件差异，合理安排各部位的电流密度，从而使电枢绕组各部位的
