淺談大容量輸送機(jī)用隔爆型變頻水冷三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

王天鋒等

摘要： 本文對(duì)大容量輸送機(jī)用隔爆型變頻水冷三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防爆安全性等方面進(jìn)行了簡單介紹，并簡述了變頻電機(jī)軸電流的產(chǎn)生及預(yù)防方法，其結(jié)構(gòu)合理，外觀漂亮，具有較好的社會(huì)效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

Abstract： This paper introduces the electromagnetic design， structural design， explosion-proof security and other aspects of the flameproof frequency conversion water-cooled three-phase asynchronous motor of the large capacity conveyor， and simply expounds the production and prevention methods of electric currents of frequency conversion motor shaft. The structure of it is reasonable， appearance is beautiful， and it has good social benefit and enterprise economic benefits.

關(guān)鍵詞：變頻水冷；電機(jī)設(shè)計(jì)；隔爆安全性

Key words： frequency hydrocooling；electric machine design；explosion-proof security

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）28-0174-03

0 引言

我國煤炭高產(chǎn)高效礦井開采技術(shù)正朝向“一井一面年產(chǎn)千萬噸”方向發(fā)展，綜采設(shè)備功率逐漸增大，促使電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量功率越來越大。目前，國外刮板機(jī)用電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率達(dá)到了1200kW，皮帶機(jī)用輸送機(jī)用電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率達(dá)到了1850kW。國內(nèi)電動(dòng)機(jī)只有撫順電機(jī)廠的輸送機(jī)用電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率達(dá)到了1600kW，但也在神東公司出現(xiàn)了繞組燒毀的現(xiàn)象。且現(xiàn)有國內(nèi)電動(dòng)機(jī)與當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國家相比，從外觀、結(jié)構(gòu)、性能上存在著相當(dāng)大的差距，難以適應(yīng)現(xiàn)代煤礦行業(yè)形勢發(fā)展的需要。因此，南陽防爆集團(tuán)股份有限公司結(jié)合在煤專、大功率隔爆電機(jī)、高壓電機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、工藝、分析、制造、試驗(yàn)等方便的優(yōu)勢，及國內(nèi)其他煤專電機(jī)廠大功率煤專電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自主研制開發(fā)了大容量輸送機(jī)用隔爆型變頻水冷三相異步電動(dòng)機(jī)，以滿足國內(nèi)外市場需要。

YBSS-1600-4 1600kW 3300V是為神華集團(tuán)神東公司使用的煤礦大功率刮板輸送機(jī)設(shè)備開發(fā)的專用電動(dòng)機(jī)，可用于替代英國摩利（MORLEY）的HXW95產(chǎn)品，是目前世界上最大的刮板機(jī)電機(jī)，并且采用變頻器供電，難度很大。在電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)電磁方案進(jìn)行了有限元仿真分析，利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)座結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)軸進(jìn)行模態(tài)分析，以下簡單介紹其設(shè)計(jì)過程。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 電磁設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速電機(jī)可以在低頻低壓下起動(dòng)，電機(jī)可獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此電磁設(shè)計(jì)可不考慮起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但要求有較高的最大轉(zhuǎn)矩，且要求轉(zhuǎn)子電阻較小，漏抗較小。水冷電機(jī)靠近機(jī)殼部分散熱條件好，轉(zhuǎn)子部分散熱條件差，需適當(dāng)增加軛部磁密，增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條截面積，采用電阻率較低的導(dǎo)條和端環(huán)材質(zhì)，降低轉(zhuǎn)子損耗；定子采用窄而深的槽形，以增大定子線圈導(dǎo)線截面，可以降低定子銅耗；轉(zhuǎn)子槽形采用單籠銅條轉(zhuǎn)子。考慮以上因素，該電機(jī)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷2075，定子齒部磁密12759，鐵耗12727，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2.4。

為避免出現(xiàn)局部過熱的情況，提高電機(jī)可靠性，對(duì)電磁方案進(jìn)行了有限元仿真，對(duì)定子槽口、齒頂?shù)任ｋU(xiǎn)區(qū)域的磁密、損耗進(jìn)行校核。有限元分析結(jié)果如圖1-圖4。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子線圈采用進(jìn)口杜邦公司的FCR耐電暈薄膜燒結(jié)線，該電磁線具有優(yōu)異的耐電暈性能，是目前世界上最優(yōu)質(zhì)的電磁線，非常適合煤專電機(jī)惡劣的運(yùn)行環(huán)境。云母帶采用聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶，聚酰亞胺薄膜為優(yōu)質(zhì)耐電暈薄膜，與云母復(fù)合后，不僅耐電暈性能好，而且電氣性能優(yōu)良，其耐熱溫度遠(yuǎn)高于H級(jí)。絕緣結(jié)構(gòu)在6kV電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上適當(dāng)減薄絕緣，耐熱等級(jí)更高，結(jié)合電磁計(jì)算，做到結(jié)構(gòu)最優(yōu)，性能最優(yōu)。

繞組綁扎采用繞組端部雙端箍結(jié)構(gòu)，出槽口部位采用環(huán)氧石英砂墊塊外包聚酯粘固定，相鄰線圈采用薄型環(huán)氧英砂墊塊外包聚酯粘固定，經(jīng)浸漆后端部有較好的整體性能，一方面能夠避免電機(jī)起動(dòng)由于起動(dòng)電流過大引起的較強(qiáng)的磁拉力對(duì)絕緣帶來的損傷，另一方面也能減弱由于變頻電源存在的高次諧波在繞組端部引起的高頻振動(dòng)而對(duì)絕緣產(chǎn)生的損傷，延長絕緣壽命。

1.2.2 機(jī)座設(shè)計(jì)

機(jī)座采用內(nèi)、外層水道和法蘭整體焊接結(jié)構(gòu)，采用軸流式水道結(jié)構(gòu)，該水道結(jié)構(gòu)通過調(diào)整水道的寬度、高度、數(shù)量以及擋水條的寬度，可使水阻較低，在最低的水壓下也能達(dá)到水流量的要求，有效降低電機(jī)溫度。電機(jī)采用B10安裝，重量較重，整個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一種懸臂結(jié)構(gòu)，而刮板運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)也較大，這對(duì)機(jī)座外水套及外水套與法蘭之間的焊縫是個(gè)極大的考驗(yàn)。因此在機(jī)座內(nèi)外徑不變的情況下，采用適當(dāng)加大外水套厚度，減小內(nèi)水套厚度，并采用強(qiáng)度較高的Q345鋼板，加高焊縫高度，在法蘭與外水套間增加8均布的支撐筋，并采用特殊的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，增大機(jī)座強(qiáng)度。經(jīng)過ANSYS軟件對(duì)機(jī)座進(jìn)行模態(tài)分析，機(jī)座結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，并且機(jī)座的固有頻率要遠(yuǎn)高于電機(jī)的工作頻率，運(yùn)行時(shí)不會(huì)由于共振而帶來電機(jī)振動(dòng)，不存在安全隱患。

1.2.3 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子采用單籠銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，為防止轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，采用轉(zhuǎn)子壓圈固定配合，導(dǎo)條按與沖片槽配合間隙0.3（雙邊）設(shè)計(jì)，兩端嵌入端環(huán)中，采用銀銅焊接方式將導(dǎo)條與端環(huán)焊牢。為降低繞組端部溫升，兩端增加兩個(gè)內(nèi)風(fēng)扇，通過風(fēng)扇鍵與轉(zhuǎn)軸連接，且在風(fēng)扇上增加平衡環(huán)，平衡環(huán)上可焊接平衡塊，用于轉(zhuǎn)子平衡。轉(zhuǎn)軸采用抗拉強(qiáng)度更高的40Cr，并且調(diào)質(zhì)處理，提高軸的疲勞強(qiáng)度，防止因頻繁過載而斷裂。采用剛性軸設(shè)計(jì)，軸的臨界轉(zhuǎn)速超出最高轉(zhuǎn)速1800r/min的30%以上，可靠性高。

1.2.4 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承損壞的主要原因是由軸承游隙在運(yùn)行中受熱膨脹而引起的軸承溫度高，這也是困擾煤礦大容量輸送機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。目前，采用以下措施來解決這一問題。首先是兩端的端蓋均采用水冷端蓋，前后端蓋都采用獨(dú)立的進(jìn)出水口（一進(jìn)一出），可有效降低軸溫，經(jīng)驗(yàn)證分析：一臺(tái)軸承溫度在106度的電機(jī)，采用水冷端蓋后，軸溫可降到67度。其次，前后軸承均采用大游隙軸承，骨架油封采用耐磨性能好的氟橡膠材料，且按公司規(guī)范嚴(yán)格控制軸承室及軸承臺(tái)的公差及軸上與骨架油封配合面公差，以保證配合間隙，減小摩擦損耗。

潤滑脂采用TEMP90潤滑脂，其具有很好的粘溫特性、耐水淋性、抗腐蝕性，適合煤專電機(jī)的工況條件和環(huán)境條件。

1.2.5 電動(dòng)機(jī)軸電流及解決措施

電動(dòng)機(jī)磁路不對(duì)稱而引起的低頻軸電流可在右電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸、軸承、端蓋和電動(dòng)機(jī)定子機(jī)座組成的導(dǎo)電性回路中產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，當(dāng)此感應(yīng)電壓破壞軸承潤滑劑的絕緣能力后，電流就會(huì)流過包括電動(dòng)機(jī)前后軸承在內(nèi)的回路。另外，變頻器輸出電壓中的大量不對(duì)稱的高次諧波，零序阻抗很小，可導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓不為零，進(jìn)而使三相正弦電源不平衡而造成高頻軸電流。軸電流破壞軸承的絕緣性能，腐蝕滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和軸承內(nèi)外套，進(jìn)而影響電機(jī)性能。

可通過使用絕緣軸承來有效解決軸電流問題，但絕緣軸承價(jià)格太高，本電動(dòng)機(jī)采用在風(fēng)扇端的端蓋和軸承內(nèi)外蓋上增加絕緣軸套的方法，即在電機(jī)端蓋與軸承連接處增加絕緣軸套，并在軸承內(nèi)外蓋與軸承連接處增加絕緣板，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.3 防爆安全性設(shè)計(jì)

電機(jī)殼體所有零部件間的結(jié)合面均按GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備通用要求》和GB3836.2-2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》設(shè)計(jì)，主體外殼材質(zhì)采用鋼板Q345制造，機(jī)座、接線盒、端蓋采用鋼板焊接加固設(shè)計(jì)，具有較高的抗沖擊、抗碰撞能力，軸承內(nèi)蓋等其余外殼零部件均采用不低于HT250的灰鑄鐵制成。電動(dòng)機(jī)的外殼強(qiáng)度，組成外殼各零部件間的接合面間隙和寬度，以及限制外殼的表面溫度不致達(dá)到危險(xiǎn)溫度是保證隔爆性能的關(guān)鍵條件，組成電動(dòng)機(jī)隔爆外殼的零部件加工后，均執(zhí)行GB3836.2的規(guī)定進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，以保證能承受最大內(nèi)部爆炸壓力。

1.4 型試結(jié)果

經(jīng)以上的設(shè)計(jì)分析，該電機(jī)順利制造完成，并在公司試驗(yàn)站進(jìn)行型試試驗(yàn)，型試結(jié)果如下：效率：0.94；功率因數(shù)：0.85；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：1.85；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：3.22；繞組溫升：75k；軸承溫度：55°/60°（軸伸端/風(fēng)扇端）；空載噪聲：106dB（A）；振動(dòng)：2.2mm/s，機(jī)殼表面最高溫度：72.6°，經(jīng)判定，該電機(jī)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 結(jié)束語

大容量輸送機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合公司在煤專、大功率隔爆電機(jī)、高壓電機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、工藝、分析、制造等方便的優(yōu)勢，及國內(nèi)其他煤專電機(jī)廠大功率煤專電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)已研制成功，其外觀漂亮，結(jié)構(gòu)合理，其軸承溫度、定子繞組溫升、噪聲、最大轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也全部符合國家規(guī)定，且其有很好的市場前景，具有較好的社會(huì)效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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