隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫梅

[摘? ? 要 ]采煤機(jī)在采煤作業(yè)過程中，面臨著自身性能不足、損耗過大、發(fā)熱較高、散熱不足等問題，再加之井下作業(yè)環(huán)境空間封閉、空氣中混合爆炸氣體、潮濕等易爆復(fù)雜問題，需對(duì)隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)上述問題，對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁部分以及結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行優(yōu)化。通過理論實(shí)踐、樣機(jī)測(cè)試，確保在此優(yōu)化方案下，性能良好，提高采煤產(chǎn)出率，避免爆炸等安全事故，使用廣泛應(yīng)用于綜合機(jī)械煤礦井下采集，為相關(guān)企業(yè)提供解決思路。

[關(guān)鍵詞]隔爆型采煤機(jī);三相異步電動(dòng)機(jī);采煤隔爆;優(yōu)化設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TD724[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）08–00–03

Optimization Design of Flameproof Three Phase Asynchronous Motor

Sun Mei

[Abstract]In the process of coal mining， shearer is faced with the problems of insufficient performance， excessive loss， high heating and insufficient heat dissipation. In addition， the underground working environment is closed， mixed explosive gas in the air， humidity and other explosive complex problems， so it is necessary to optimize the design of flameproof three-phase asynchronous motor. In view of the above problems， the electromagnetic part and structure part of the motor are optimized. Through theoretical practice and prototype test， it is ensured that under the optimized scheme， the performance is good， the coal mining output rate is improved， and the safety accidents such as explosion are avoided. It is widely used in underground collection of comprehensive mechanical coal mine， providing solutions for related enterprises.

[Keywords]Flameproof shearer; three phase asynchronous motor; coal mining flameproof; optimization design

在傳統(tǒng)采煤環(huán)境中，井下的開采空間有限，施工環(huán)境相對(duì)潮濕、封閉，使得采煤機(jī)工作時(shí)面臨的情景更加復(fù)雜，普通采煤用電動(dòng)機(jī)在工作，常常因?yàn)榘l(fā)熱及散熱不充分，引發(fā)一系列安全問題以及工具損耗過快等現(xiàn)象[1]。因此，針對(duì)內(nèi)外部的困擾，優(yōu)化設(shè)計(jì)采煤用的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于和電控箱一體安裝，在完整殼體周圍安裝三相異步電動(dòng)機(jī)、連接箱體以及電控箱體。一體化的設(shè)計(jì)避免了因潮濕等情況引發(fā)的安全問題，同時(shí)考慮到作業(yè)空間有限，設(shè)計(jì)的機(jī)身體積，使得電動(dòng)機(jī)有足夠的強(qiáng)度承受爆炸等極端情況?？偠灾瑑?yōu)化設(shè)計(jì)后的電動(dòng)機(jī)加大采煤產(chǎn)出率高，體積適中方便井下作業(yè)，廣泛應(yīng)用于綜合機(jī)械化開采使用。

1 隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)使用環(huán)境及優(yōu)化思路

在傳統(tǒng)采煤機(jī)工作環(huán)境時(shí)，作業(yè)環(huán)境較差，在井下通常是在比較窄小、濕度較高的空間中作業(yè)，開采環(huán)境條件惡劣。采煤機(jī)工作時(shí)聚熱而不易散熱，空氣濕度較大，積水較多，再加之在井下作業(yè)，空氣中含有大量的瓦斯、煤氣等混合氣體，當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定程度，非常容易發(fā)生爆炸事故。

對(duì)于其所處的環(huán)境，在設(shè)計(jì)制造采煤用的電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，應(yīng)從以下幾點(diǎn)解決：首先電機(jī)在長時(shí)間的作業(yè)下，會(huì)有發(fā)熱問題，應(yīng)當(dāng)防止機(jī)身高溫?fù)p害零件，并且提高散熱效率，其次若發(fā)生爆炸，電動(dòng)機(jī)的外殼必須堅(jiān)硬，防爆性能好、防護(hù)等級(jí)高，即使發(fā)生爆炸這樣的極端環(huán)境下，依舊能夠抵抗沖擊，防止外殼炸裂飛濺從而引起事故的二次傷害。

針對(duì)以上問題，現(xiàn)在采取的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)是對(duì)普通電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括以下角度：對(duì)電磁的優(yōu)化、對(duì)電機(jī)材料、制造結(jié)構(gòu)、以及冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。從這4個(gè)方面進(jìn)行改良后，能夠達(dá)到的理想效果是：首先是能夠提高電機(jī)的工作效率，能耗減少的同時(shí)增加電機(jī)本身的過載能力，減少了磨損的同時(shí)延長使用時(shí)間，更重要的是加強(qiáng)了冷卻效果，在井下作業(yè)時(shí)，既能夠優(yōu)化性能提高礦井生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了安全系數(shù)。同時(shí)，需要提出的是，電機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)按照用戶的需求，定制以適應(yīng)具體要求，圖1展示了YBKD7.5-4 7.5 kW 34V 5～140 Hz電機(jī)外形，此圖為優(yōu)化后的電機(jī)圖實(shí)例，具體優(yōu)化思路如下。

2 電磁部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)電磁部分的優(yōu)化。電動(dòng)機(jī)正常投入使用，其各項(xiàng)性能指標(biāo)需滿足生產(chǎn)要求，并且在作業(yè)過程中有較強(qiáng)的適應(yīng)性，建立在電磁性能指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上[2]。電磁部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化中的計(jì)算部分，利用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的異步電動(dòng)機(jī)計(jì)算程序軟件;另外在分析電磁場的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)，主要使用的電磁計(jì)算機(jī)軟件是美國開發(fā)的ANSOFT。

依據(jù)電磁設(shè)計(jì)原理，選取了以下參數(shù)：通風(fēng)道的數(shù)量、槽型、槽配合零件、電磁鐵心長、節(jié)距以及沖片材質(zhì)的確定等等。再配合以上參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)能夠保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、電流倍數(shù)、效率、功率因數(shù)等達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上保留空余，這樣，電動(dòng)機(jī)即使在比較復(fù)雜且極端的臨界條件依然可以正常運(yùn)行作業(yè)。

此外，對(duì)電動(dòng)機(jī)的指標(biāo)性能做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其既能夠符合安裝尺寸標(biāo)準(zhǔn)，又能高于相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。首先，從上文中提到的外部高溫環(huán)境作業(yè)問題出發(fā)，計(jì)算機(jī)結(jié)合其發(fā)熱、散熱的特點(diǎn)，模擬分析溫度場，模擬結(jié)果又能夠指導(dǎo)電動(dòng)機(jī)熱源分布以及散熱情況的優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，能夠在不消耗過多材料與時(shí)間下避免高溫危險(xiǎn)的出現(xiàn)。

理論上，根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率的大小，以1000 kW為分界線，定子鐵線圈采用不同的繞組方式：1000 kW以下，采用散繞組方式;超過1000 kW采用成型繞組、模壓下線的方式;需要注意的是，有的電動(dòng)機(jī)功率超過200 kW在1000 kW以下、電壓等級(jí)為1140 V的電動(dòng)機(jī)，采用的方式為模壓下線、成型繞組的方式。但在實(shí)際操作的過程中，需考慮的方面為：①由于電動(dòng)機(jī)體積大小繞組的長短受到了影響，需解決接線困難、不宜進(jìn)行檢修等人工操作。②考慮其絕緣性能，在進(jìn)行繞組前，線圈需采用VPI浸漬處理，繞組的絕緣等級(jí)應(yīng)為H級(jí)，這樣在防潮、絕緣性能的加持下，線圈繞組會(huì)更加安全。③確定材質(zhì)，特別是使用過程中的轉(zhuǎn)子槽形、端環(huán)以及導(dǎo)條，依據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率不同，采用的轉(zhuǎn)子材質(zhì)也不同：功率小于100 kW，采用鑄鋁轉(zhuǎn)子;大于100 kW時(shí)，則采用雙鼠籠銅條轉(zhuǎn)子。銅條轉(zhuǎn)子的主要材質(zhì)為內(nèi)部采用紫銅、外部采用錳黃銅，端環(huán)使用純銅鍛件加工，確保軸與轉(zhuǎn)子沖片間的間隙距離為0.03～0.10 mm。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 基座結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)在井下作業(yè)時(shí)，自身的功率較大，發(fā)熱情況比較嚴(yán)重，加之井下作業(yè)環(huán)境封閉不易散熱。先前的冷卻系統(tǒng)采用的是空氣冷卻結(jié)構(gòu)，在急速的升溫下散熱效能并不好，增加了電動(dòng)機(jī)的能耗和損壞同時(shí)也增加了爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[3]。為延長使用壽命且更安全，可對(duì)原先傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)改變——將空氣冷卻結(jié)構(gòu)置換為水冷卻結(jié)構(gòu)。具體操作為將冷卻水注入基座的底部，冷卻水在基座中不斷循環(huán)使得電動(dòng)機(jī)降溫散熱，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部始終維持在安全溫度之下。而水冷卻系統(tǒng)中存在水體流出等安全隱患，可以通過內(nèi)外雙層水套解決。機(jī)身的結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度比較大且不易變形的鋼板，因此冷卻系統(tǒng)相對(duì)比較安全。具體如圖2部分設(shè)計(jì)，基座的底部兩端部分配備了防爆呼吸排水閥，單向結(jié)構(gòu)且緊固螺栓電機(jī)外殼外側(cè)與端蓋均布的六搭子得以可靠聯(lián)接，雙層水套中，內(nèi)層水套采取軸流式，冷卻水道被均分為12等，在對(duì)應(yīng)位置處增設(shè)開孔，內(nèi)外水套之間留有空隙，盈余空間在0.41 mm，多道工序的保護(hù)下，即使是發(fā)生水套過熱膨脹，也不會(huì)使堅(jiān)硬耐磨的外套變形膨脹，只會(huì)在孔隙處擋水條塞焊，冷卻系統(tǒng)強(qiáng)度得以保障，提高安全性、延長使用壽命。

3.2 端蓋結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高冷卻效果，對(duì)端蓋結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)——采用水冷卻鋼板焊接結(jié)構(gòu)（圖2）。冷卻效果進(jìn)一步提升，散熱性能好，延長了其他零部件，如滾動(dòng)軸承的使用壽命，間接減少了更換與維修。另外，在安全方面，使用的是嚴(yán)格設(shè)計(jì)后的橡膠型密封圈，保證了端蓋進(jìn)水口與基座之間的密封效果。

3.3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)極其重要，在電動(dòng)及運(yùn)行過程中，軸承結(jié)構(gòu)的斷裂或者問題必然引發(fā)機(jī)器的故障及危險(xiǎn)。對(duì)此部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要從軸的強(qiáng)度以及剛性方面改進(jìn)。隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)使用的材質(zhì)為40CrNiMo的花軸鍵，硬度比較高，特別是經(jīng)過淬火加工后，HRC為45以上。該類花鍵軸強(qiáng)度高、韌性好，更是領(lǐng)先于其他合金鋼的淬透性能以及抗熱性能。為進(jìn)一步加固，在轉(zhuǎn)軸的兩端骨架油封處鑲嵌淬火后硬度（HRC）達(dá)到45以上的軸套，這樣電動(dòng)機(jī)就能穩(wěn)定運(yùn)行且符合機(jī)械強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 軸承結(jié)構(gòu)

軸承結(jié)構(gòu)主要問題是電動(dòng)機(jī)使用時(shí)間過長，軸承會(huì)在不斷的摩擦中不可避免地有一定程度的損壞。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中可以采用圓柱滾子軸承，除了結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，使用的材質(zhì)也要進(jìn)一步優(yōu)化，嚴(yán)格把控其優(yōu)質(zhì)質(zhì)量，這樣可以在使用壽命以及使用效率上獲得平衡，滿足使用需求。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

參照設(shè)計(jì)方案對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造后，對(duì)改造完成后的樣機(jī)進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行記錄分析。從分析結(jié)果上看：優(yōu)化改良過后的電動(dòng)機(jī)節(jié)能高效，堵轉(zhuǎn)電流小、轉(zhuǎn)矩高，使得電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)能負(fù)荷強(qiáng)度增大，解決了電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱問題，另一方面水冷卻系統(tǒng)的使用，散熱性能明顯提高。不僅從源頭上解決電動(dòng)機(jī)發(fā)熱及散熱不良的問題，增強(qiáng)其防護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)能夠在一定程度上延緩機(jī)器的損耗以及延長使用壽命，投入采煤生產(chǎn)后，生產(chǎn)效率大大提高。

5 結(jié)束語

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，并且在實(shí)際效果中展示了采煤用隔爆型三相異步電動(dòng)車性能確實(shí)得到了提升如表1，通過在工作頻率10～140 Hz方面的測(cè)試，可知，優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)可以正常使用，同時(shí)解決了在下井作業(yè)時(shí)的問題，解決了發(fā)熱散熱問題，加固了機(jī)械強(qiáng)度以及防爆防護(hù)程度，使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到基本要求，另外能用更少的能源消耗提升工作效率，從安全性、實(shí)用性方面獲得雙優(yōu)化改進(jìn)成功。

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