煤矿隔爆型三相异步电动机的优化设计

　　三相异步电动机论文（汇总8篇）之第八篇

　　摘要：针对采煤机用隔爆型三相异步电动机在使用过程中存在的问题, 对电动机进行了优化设计, 从电动机的电磁部分以及结构出发, 对电动机的机座、端盖、转轴以及轴承进行了相应改进, 在确保电动机的各项性能指标符合要求的同时, 提高了电动机的适应能力, 确保了该电动机在复杂的开采环境下可以正常稳定地运行。通过样机试制试验可知, 该电动机的工作效果良好, 产品技术水平较高, 不仅在煤矿井下得到了广泛的应用, 还为煤矿企业解决此类问题提供了借鉴和参考。

　　关键词：采煤机,矿用隔爆,三相异步电动机,优化设计

　　采煤机用隔爆型三相异步电动机与普通的隔爆型三相异步电动机不同, 主要表现在结构的设计上, 采煤机用的隔爆型三相异步电动机通常和电控箱连接在一起, 形成一个完整的壳体, 在壳体的一侧安装的是三相异步电动机, 而在另一侧则是接线箱体和电控箱体。由于井下工作面开采高度的限制和复杂的施工环境, 采煤机的工作空间十分有限, 因此在设计采煤机用隔爆型三相异步电动机时, 其设计的最大特点是机身的高度要低、长度要大, 而且电动机的机身必须具备足够大的强度, 可以承受较大的冲击。总的来说, 隔爆型三相异步电动机的体积较小, 功率比较大, 采煤作业时效率高, 在煤矿井下的综合机械化开采设备中得到了广泛的应用。

　　1 隔爆型三相异步电动机的使用环境及特点

　　在井下开采的过程中, 采煤机的作业环境比较恶劣, 其安装的空间通常是狭小、潮湿的, 该空间不仅散热条件差, 积水量多, 还积聚有大量的瓦斯和煤尘等爆炸性混合气体, 一旦气体的浓度超限, 碰到火花时, 就易造成爆炸事故的发生, 因此在对采煤用电动机进行设计制造时, 必须使电机的外壳具有较高的防爆性以及防护等级, 在爆炸发生时可以承受冲击波的作用, 防止外壳破裂, 发生飞溅伤人事故, 此外还必须重视电动机长时间工作后的发热散热问题, 防止电机温度过高, 损坏相关零部件。因此针对采煤机用隔爆型三相异步电动机的设计要求以及存在问题, 从不同的角度对其进行了优化设计, 主要包括电磁的优化设计、电机结构的优化设计、冷却系统的优化设计以及合理选择电动机的材料等, 通过这几方面的改进, 电动机的性能得到了极大改善, 不仅降低了电动机的能耗以及磨损, 提高了电机的工作效率, 增强了过载的能力, 还具有良好的冷却效果, 在井下采煤作业正常进行的同时, 提高了矿井的生产效率[1]。

　　2 电磁优化设计

　　在对电动机进行设计时, 最重要的就是对电动机的电磁部分进行合理的设计与优化, 只有电磁设计合理, 电动机的各项性能指标才能满足生产的要求, 使电动机具有较强的适应能力。此采煤机用隔爆型三相异步电动机的电磁部分主要是利用由哈尔滨理工大学开发的异步电动机电磁计算程序软件来进行的, 同时还利用了由美国开发的ANSOFT电磁计算软件, 主要用来进行电磁场的暂态和稳态分析研究。基于电磁设计的原理, 在对其进行优化设计时, 通常从以下参数的选取出发, 分别是电磁的铁心长、通风道数量、槽配合、槽形、节距以及冲片材质的确定等, 且在对上述参数进行选择设计的过程中, 必须确保电动机的转矩倍数、效率、电流倍数以及功率因数等达到相应的要求, 同时保证这些参数还留有一定的空余, 使电动机在复杂临界条件下还可以正常运行。

　　除了使采煤机用隔爆型三相异步电动机符合主机外形安装尺寸的要求外, 还基于相关的行业标准和规则, 对其性能指标进行了优化, 结合电动机的散热以及发热特点, 对电动机周围的流体以及温度场进行了模拟分析, 并从模拟结果出发对电动机通风散热的情况以及热源的分布进行了改进, 以减少局部过热现象的发生, 避免危险温度的出现。在进行有绕组定子铁心线圈模式的确定时, 若电动机的功率小于1 000 kW, 则定子铁心线圈采用散绕组的方式, 若超过1 000 kW, 则定子铁心线圈采用成型绕组、模压下线的方式, 此外对于那些功率超过200 kW, 且电压等级为1 140 V的电动机来说, 所采用的线圈绕组方式也为成型绕组、模压下线。但在实际应用的过程中, 由于电动机体积的影响, 其绕组通常较短, 且接线困难, 不易于工人进行操作以及检修。此外整个绕组必须具备绝缘的性能, 且绝缘等级为H级, 同时线圈在绕组之前必须采用VPI浸渍处理, 以加强线圈的防潮性、绝缘性以及强度和热稳定性。

　　除此之外, 还需要进行转子槽形、端环以及导条材质的确定, 当电动机的功率小于100 kW时, 应该采用铸铝转子, 而大于100 kW时, 则采用双鼠笼铜条转子。其中铜条转子的端环是利用纯铜锻件加工而成的, 内部笼条采用的是紫铜, 外部笼条采用的是锰黄铜, 转子冲片与轴之间的最大间隙距离为0.10mm, 最小间隙距离则为0.03 mm[2]。

　　3 结构优化设计

　　3.1 机座结构优化设计

　　由于该电动机特殊的应用环境, 电机的功率较大, 发热量较高, 且所使用的是空气冷却结构, 温度升高, 散热性差, 不利于电机的安全运行, 降低了电机的使用寿命, 因此必须对电动机的冷却结构进行优化改进, 由原来的空气冷却改为水冷却, 在机座底部注入冷却水, 通过冷却水的不断循环来带走热量, 从而使电动机的温度降低, 保证电机内部环境处于一个安全的温度范围内。电动机的机座包括内层水套和外层水套, 并和法兰焊接为一个整体, 机身采用钢板结构, 刚性和强度较大, 耐磨性较好。其中内层水套的结构通常设计为轴流式, 并将冷却水道平均分成了12份;内层水套与外层水套之间设计有一定的盈余, 其盈余量为0.4 mm。此外在进行水冷却的过程中, 为了避免冷却水压力过大致使外层水套发生变形、膨胀, 不仅将轴流式的水套结构设计成了12等份, 还在对应的位置处增设了开孔, 一旦水套热装后, 孔发生了膨胀, 则将其与挡水条塞焊, 提高水道的强度。

　　3.2 端盖结构优化设计

　　对于该采煤机用隔爆型三相异步电动机而言, 其端盖采用的是水冷却钢板焊接结构, 采用该结构后, 端盖的冷却效果较好, 不仅提高了机座和绕组的散热性, 延长了滚动轴承的使用时间, 还减少了零部件的维护与检修, 增强了电动机运行的可靠性和安全性。另外在端盖的进出水口与机座之间都采用了橡胶型密封圈, 同时为了保证密封的效果, 对密封圈的尺寸进行了严格设计。

　　3.3 转轴结构优化设计

　　转轴作为电动机的关键部件, 在电动机的运行过程中起着重要的作用, 一旦转轴发生了断裂, 就会导致电动机发生故障甚至停机, 因此在对电动机的转轴进行优化设计时, 应综合考虑轴的强度和刚性。对于该电动机而言, 在转轴进行优化设计后, 采用的是花键轴, 材质为40CrNiMo, 在经过淬火加工之后, 其硬度 (HRC) 为45～50, 该类材质的合金钢具有优良的性能, 不仅强度较高、韧性较好, 且具有较高的淬透性以及抗热性, 因此该类材质的花键轴完全可以满足电动机的机械强度要求, 使电动机稳定运行;其次在转轴两端的骨架油封处镶嵌了轴套, 轴套的材质为40Cr, 淬火后硬度 (HRC) 为45～50。

　　3.4 轴承结构优化设计

　　在长期的使用过程中, 由于电机温度较高以及摩擦损失等, 电机的轴承结构常常会发生烧伤以及失效等, 针对这种情况, 将轴伸端轴承设计为圆柱滚子轴承, 而非轴伸端则采用深沟球轴承, 且这些轴承选用的都是优质进口滚动轴承, 在经过寿命、转速、加油周期以及最小载荷等的设计计算后, 该轴承的使用效果良好, 可以满足生产的要求[3]。

　　4 优化效果分析

　　对采煤机用隔爆型三相异步电动机进行上述优化改进后, 选择了几个典型的规格进行了样机试验, 试验表明, 该采煤机用电动机的性能良好, 具有能耗少, 高效节能、堵转电流小的优点。堵转转矩较高, 承受载荷的能力强, 不仅解决了电动机散热发热的问题, 提高了水冷却的效果, 还增强了电动机的机械强度以及防护强度, 延长了电动机的使用寿命, 使井下采煤作业正常进行的同时, 生产效率得到了提高。

　　结论

　　通过上述优化改进措施以及样机试制试验可知, 使得采煤机用隔爆型三相异步电动机的性能得到了大大提高, 不仅有效解决了电动机使用过程中存在的问题, 还保证了电机的稳定安全运行, 为整个采煤机系统提供了强有力的技术支持, 使采煤机的状态达到了预期的要求, 同时减少了电能的消耗, 提高了井下采煤机用电动机的工作效率, 增强了电动机工作的可靠性。

　　参考文献
　　[1]王伟, 刘彦颇, 刘英豪, 等.YBK2系列煤矿井下用隔爆型三相异步电动机设计[J].煤矿机械, 2017, 38 (9) :16-17.
　　[2]齐占波, 王宇, 王士伟.煤矿巷道掘进成套设备及施工工艺研究[J].煤炭技术, 2010, 29 (9) :60-62.
　　[3]刘英豪, 乔建伟, 王伟, 等.煤矿主通风机用高压隔爆型三相异步电动机设计[J].煤矿机械, 2016, 37 (8) :26-28.