礦用隔爆型永磁同步電機水冷系統(tǒng)設(shè)計

（中煤科工集團上海有限公司，上海 200030）

0 引言

礦用隔爆型永磁同步電機不僅具有效率高、體積小、噪聲低和運行平穩(wěn)的特點，還配備了豐富的智能傳感器和遠程監(jiān)控的通信接口，是礦用智能裝備不可或缺的動力執(zhí)行部件。近年來，在煤礦皮帶運輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。礦用隔爆型永磁同步電機采用三相永磁同步方案，主要是由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、隔爆外殼（含水套機座）和位置傳感器等部件組成的，為了保證電磁溫度控制，電機需要獨特的水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。

1 隔爆電機水冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

礦用隔爆型永磁同步電機是由高效稀土永磁材料作為勵磁，在滿足給定輸出功率的同時，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，幾乎是普通電機的一半，使得功率密度得到了大幅的提高[2]。電機發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取水冷的方式散熱。設(shè)計時采用釹鐵硼NdFeB.42UH 磁鋼，磁鋼平均工作溫度為90℃，轉(zhuǎn)子永磁體工作溫度為90℃。

永磁電機采用空水冷冷卻，其冷卻結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電機外殼圓筒采用鋼板焊接，形成了圓形水套機座結(jié)構(gòu)方式，定子鐵心與水套機座采用熱套方式壓裝，以此來增加傳熱效果。鐵心和鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包括銅耗與鐵耗，電機端部熱量經(jīng)過銅繞組傳遞至直線段，再通過定子鐵心傳走。設(shè)計時轉(zhuǎn)子損耗也不可忽略，電機內(nèi)部通過風扇形成循環(huán)風路，熱量通過風路傳遞至定子鐵心軛部，再傳遞到水冷機座上帶走所有熱量[3]。

按照標準MT/T847 要求，水道應承受4.5 MPa 的靜水壓力，歷時5 min，水道不應發(fā)生變形和滲漏。電機內(nèi)桶需要承受1.0 MPa 的靜水壓力，歷時1 min，不應發(fā)生變形和滲漏。為了保證水道強度，除了采用熱套工藝外，還需要在擋水條上增加鉚釘加固，以防止水壓造成膨脹。在水道設(shè)計上需要進行防銹處理，涂覆防銹油，在底部設(shè)計排水口，用于排盡水道中的水，以免對水道造成銹蝕破壞。水道加工時焊縫不允許有夾渣、針孔、零部件鐵屑、焊渣、飛濺物和疤痕物等雜物，保證水道的暢通。

2 冷卻水道計算分析

冷卻水道采用“Z”結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使冷卻水帶走更多的熱量，進出水口設(shè)計在電機中部，如圖2 所示。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)比采用銅管與外殼壁貼靠傳遞方式簡單，且不需要銅管與隔爆外殼的隔爆接合，具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低的特點。冷卻水道計算的方式是根據(jù)電機水路主要參數(shù)和水的溫度及其物性參數(shù)對永磁同步電機的水冷結(jié)構(gòu)進行理論計算[4]。

圖1 永磁電機冷卻結(jié)構(gòu)

圖2 水道結(jié)構(gòu)

擋水條高度12 mm，寬度30 mm，電機水道寬度設(shè)計為64 mm，水套截面周長152 mm，長度670 mm，設(shè)計有20 條擋水條均分列在電機內(nèi)筒外壁。根據(jù)電機尺寸設(shè)計的隔爆電機的水道參數(shù)，見表1。水的溫度及其物性參數(shù)見表2。按照GB3836.1 的標準要求，電機需要在最不利條件下測試隔爆外殼溫度，所以電機冷卻水量取2.3 m3/h 計算。

表1 水道主要參數(shù)

表2 水的溫度及其物性參數(shù)

將以上數(shù)值帶入公式，計算結(jié)果如下：

當量直徑

式中：d—當量直徑，m。A—水道截面積，m2。U—濕潤周長，m。

水道內(nèi)水流流速

式中：Q—水道冷卻水量，m3/h。A—水道截面積，m2。

由雷諾數(shù)公式

式中：V—水道內(nèi)水流流速， m/s。d—當量直徑，m。uf—30℃水的運動粘度，Pa·s。

其中，取30℃水的運動粘度uf為8.06×10-7Pa·s，由Re>104判斷，水流系統(tǒng)流態(tài)為湍流。根據(jù)怒謝爾特系數(shù)：

對流熱系數(shù)

式中：Re—雷諾數(shù)。Pr—普朗克系數(shù)。d—當量直徑，m。L—通道周長，m。uf—30℃水的運動粘度， Pa·s。ux—動力粘度，Pa·s。

計算出熱交換后水路壁的平均溫度

式中：P1—電機損耗，kW。tav—平均溫度，℃。

式中：P1為電機損耗為38 kW。α—對流熱系數(shù)。S—散熱面積，m2。經(jīng)過理論計算，水路壁的平均溫度小于40℃，符合設(shè)計要求。

3 水冷系統(tǒng)的選配

隔爆型水冷電機不僅在額定工礦下需要滿足溫升的要求，電機的最高表面溫度也可在GB/T755 規(guī)定的“A 區(qū)”內(nèi)最不利的試驗電壓下測定，這就對水冷效果在隔爆的安全性能上提出了更高的要求[5]。隔爆型水冷電機可以選用大流量和大水壓的外置水源，但有時受煤礦井下條件的限制，沒有合適的冷卻水源，就需要配置自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)的選擇需要考慮電機損耗、流量、進出口水溫等因素。為了滿足永磁隔爆電機要求，對自循環(huán)水冷機進行了選擇，參數(shù)見表3。

表3 自循環(huán)水冷機基本參數(shù)

水泵輸送介質(zhì)為清水（不溶物：≤30 mg/L），硬度不超過12（德國度），相當于每升水中含有0.12 g 的 CaO，或物理化學性質(zhì)類似于清水的其他液體，以保證自循環(huán)冷系統(tǒng)和水道長期使用。此外，煤礦井下的自循環(huán)水冷系統(tǒng)還需要選擇隔爆型的冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)論

該項目研究的礦用隔爆型水冷永磁同步電機，通過從水道的結(jié)構(gòu)設(shè)計到冷卻分析計算，結(jié)合現(xiàn)場的應用條件配置了水冷卻系統(tǒng)，經(jīng)額定負載和95%額定電壓下額定負載的最不利條件下進行溫度測試，其水冷效果符合了GB3836.1、IEC60079-0 標準的要求，保證了磁鋼的安全工作溫度，電機性能滿足設(shè)計要求。電機通過動態(tài)爆炸測試筒體和水道的強度，符合了GB3836.2 的強度要求。電機經(jīng)過溫度和外殼強度的檢驗，設(shè)計符合了行業(yè)標準的要求。