（哈尔滨电气动力装备有限公司 黑龙江省哈尔滨市 160066）
摘要：从结构上来看，直流电动机主要由电枢、轴承、通风设备、换向器、定子等构件组成。直流电机因为其复杂特性故而相关专业人员较少，因此对于直流电动机的设计和特点缺乏一定程度的了解。在生产过程中，人们往往只关注电机本身的耐久和质量问题而忽略了对其结构的研究。为了弥补相关研究的空白，本文对于大型直流电动机的设计特点和结构组成进行了论述，希望能够提升读者对于直流电动机的了解。
关键词：大型直流电动机；设计理念；结构特点
一、电磁设计方面的特点
1.1电机主要尺寸及电磁参数
型号：ZD180/61-10，额定功率：3000kW，额定电压：DC750V，额定电流：4295A，额定转速：200r/min，最高转速：400r/min，绝缘等级：F（B级考核），防护等级；IP44，励磁电压：DC220V，额定励磁电流：52A，GD2：19000kg/m2，电枢直径：1800mm，电枢铁心长：610mm，槽片数：255×2，热负荷：4760，气隙磁密：8.187T，齿部1/3磁密：20799Gs，换向器直径：1300mm，换向器长度：430mm，片间电压：14.7V，电抗电势：4.402V。
1.2采用变截面电枢绕组及取消槽楔
对于变截面电枢绕组电枢线圈的直线部分而言，通常有着如下要求：电枢绕组直线部分两层导体的高度需要小于端部导体。另外在捆绑方式上需要用无纬玻璃丝带进行固定，同时保持尺寸具有一定的深度。通过上述措施保障电机具有良好的散热效果，避免因温度过高出现故障问题。
1.3严格控制电枢绕组和换向器之间的挤流效应
在直流电机中，如没有换向器，转子电枢中流过的电流在相反方向的励磁磁场下产生与转动方向相反的电磁转矩，导致电机就无法正常运行。因此借助换向器，可以保证经由电刷和换向器连通的转子电枢电路在相反方向的励磁下，保证电枢中能够存在相反的电流，从而维持转矩在原有方向。换向器担负着对电枢绕组中感应的交变电动势，起到了换向（整流）的任务。当换向器出现偏差时，启动时的转子槽电流分布将出现不均匀的情况，即挤流效应。这就导致同时电刷和换向器发生摩擦，导致产生火花的现象。给电机的运行带来一定的风险干扰，因此在电机运行过程中，需要严格控制换向的偏差，以此降低火花出现的机率。
1.4采用换向性能较好的全节距异槽式单迭绕组
3000kW电机的电枢槽数为255槽，采用全节距异槽式单迭绕组（Y1=51，Y2=50）。利用这种绕组，提高了调整换向的方便性。
二、结构设计与工艺特点
2.1定子
2.1.1机座
定子的机座结构通常是采用分瓣叠片的样式，冲片在材质选择上通常为1.5毫米厚的钢板。另在拉紧螺杆材质需要选择绝缘材料的螺杆。通过控制半径和螺杆材质，来降低因电磁场产生的涡流阻尼反应，并且在一定程度上可以维持可控硅的供电稳定。
2.1.2主极、换向极铁心
磁极的铁芯主要是钢材质构成，磁极通过绝缘拉紧螺杆实现链接。磁极的绝缘连接处需要经过加热炉处理，保持绝缘端的固化。随后用角钢加固铁芯外侧线圈。而换向极的线圈则需要保证绝缘拉杆从线圈处和铁心处经过，以此实现收紧的效果。
2.1.3刷架
刷架结构通常较为简单且体积较小，因此其维护和更换工作较为简便。另外要注意的是换向器电刷要注意定期更换维护。
2.2电枢
2.2.1电枢铁心
电枢的齿、槽结构在工作时通常会发生较大的噪音。针对噪音问题需要做出一定的改造工作。通常是利用斜槽电枢铁心，可以消除震动从而控制噪音的产生。另外，铁心的结构是由十张冲片组成的，冲片通常为扇形形状，并且根据一定的计算冲压定制。在进行冲片组装时，需要根据每一片独有的编码进行组合。
2.2.2电枢支架
3000kW电机的电枢支架通常是由焊接组成的，其结构由辐板、整体支架毂，盒架、直臂等结构组成。这种结构增加了本身的通风性能，同时焊接操作简单，质量得到很大的提升。具有良好的使用强度和韧性。
2.2.3轴
电机中的轴通常分为实心和空心两种。相比较而言，空心轴在生产和实践中具有更好的性能。空心轴因为其结构问题往往自重较轻，同时更易拆解。同时因为其结构简单，生产加工耗费的资源较少，因此成本也较低。
2.2.4换向器
换向器采用拱形结构，换向片的V形槽为30°，换向片与升高片的焊接采用银焊。为了防止换向器升高片断裂，升高片设有过渡圆弧，并在升高片间用无纬玻璃丝带绑扎。
2.2.5均压线
均压线通常采用堆成链接法，以此起到绝缘效果，另外该方法能够帮助电机进行换向，并且连接牢固、美观。但是注意在编制过程中要保持每根均压线之间的距离都等长，同时电压不能相同。
2.3轴承
轴承轴瓦内部通常采用燕尾槽组合结构，主要是轴瓦合金的内腔由燕尾槽开设，通过燕尾槽来保证浇筑效果。另外直推轴负责均摊轴力和径向冲击的力，具有良好的力学功能。同时内部润滑系统需要配备油环润换，以免因为系统故障因断油出现烧毁的情况。对于轴瓦本身而言，需要配备温度计，以便技术人员进行观察。
2.4通风结构合理
对于电机而言，由于工作过程中产生大量的热。因此对于内部的通风结构要保持良好的运转。通常采用的是空水冷却通风原理。在这一过程中为了保证低温空气的流动，需要在相应的电枢铁心等相关位置预留通风孔隙。另外在冷空气流入定子的过程中，可以额外借助冷却剂来调节。另外可以对于电机外壳进行优化，进一步提升自身散热的性能。
三、案例分析
本文所述电机是为某公司为增容改造设计的主传动直流电机。改造前的老电机是西屋公司上世纪五十年代制造的产品，其功率转速比不能满足用户增产的要求。
3.1电磁设计
改造后的电机选用电枢直径2800mm，铁心长1240mm，共14极，换向器直径1780mm。电枢483槽，每槽2片导体，绕组采用单迭异槽形式，定转子气隙磁密0.9389T，主极极身磁密1.3796T，主极极靴齿磁密1.6195T，机座磁密1.2384T。换向器平均片间电压13.8V，高速电抗电势4.6V。改造后的电机单位转矩的转动惯量值达到0.225tm/kN，利用系数C达到7.8×10－6kW/cm3r，电磁设计上所达到的技术水平高于改造前的电机。
3.2结构设计
（1）安装方式改为卧式安装。
（2）电枢改为使用斜槽电枢铁心，以此抵消齿槽之间产生的噪音。另外电枢槽改用无槽楔形结构，以此降低电枢槽的高度，降低内部电抗，帮助电机进行换向工作。
（3）经过改造后，电机冲片材质选择涂漆冷轧硅钢的材质，线圈则是选用铜线外裹绝缘材料，绝缘材料通常为0.07mm的聚酰亚胺薄膜，主绝缘通常为两层0.05mm厚的绝缘层外加0.14mm的环氧聚酯云母带。
（4）定子经过改造后其机座采用上下分体结构，两部分之间通过绝缘螺栓进行连接，方便电源供电。定子内部铁心为14片冲片。经过改造后的定子机座维护简单，具有简便性的同时具有较强的耐久性。
四、结束语
经过上文论述，直流电机具有良好的机械特性，并且维护改造简单，同时可以满足平滑操作等功能的实现，因此直流电机是当前的研究热点，而随着直流电机的大范围推广和应用，势必将取代以往老旧设备大幅提升生产效率。
参考文献
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