采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用永磁牽引電機(jī)開(kāi)發(fā)

牛鵬程 NIU Peng-cheng；楊亞美 YANG Ya-mei

（①國(guó)能神東煤炭集團(tuán)高端設(shè)備研發(fā)中心，榆林 719000；②青島中加特電氣股份有限公司，青島 266000）

0 引言

電牽引采煤機(jī)始創(chuàng)于1975 年，以德國(guó)艾克夫的EDW-150-2L-2W 和美國(guó)久益的1LS 型交直流可控硅調(diào)速電牽引采煤機(jī)為標(biāo)志，到20 世紀(jì)80 年代末期，國(guó)外煤礦開(kāi)始大規(guī)模采用電牽引采煤機(jī)。電牽引采煤機(jī)是我國(guó)煤礦智能化開(kāi)采的必需設(shè)備，而作為采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)部位的動(dòng)力輸出裝置，采煤機(jī)電機(jī)是采煤機(jī)的重要部分。

以神東、寧煤等大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)為例，為確保礦井高產(chǎn)高效，不惜以高于我國(guó)同型號(hào)采煤機(jī)4-6 倍的高價(jià)購(gòu)買德國(guó)、美國(guó)等進(jìn)口品牌采煤機(jī)，隨之而來(lái)的配套電機(jī)也全部采用進(jìn)口電機(jī)。國(guó)家能源集團(tuán)為擺脫進(jìn)口設(shè)備和配件采購(gòu)價(jià)格高、核心技術(shù)壟斷、配件供應(yīng)周期長(zhǎng)和售后服務(wù)滯后等方面的約束，開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的工作。隨著國(guó)內(nèi)綜采電機(jī)技術(shù)的大幅發(fā)展，工藝、材料、熱處理、絕緣等水平日漸提高，進(jìn)口采煤機(jī)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代從技術(shù)角度已成為可能。通過(guò)采煤機(jī)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，不僅可以滿足巨大的市場(chǎng)需求，同時(shí)有助于打破國(guó)外廠商的技術(shù)和價(jià)格壟斷，促進(jìn)民族工業(yè)不斷振興。

由于煤礦井下應(yīng)用的環(huán)境惡劣，牽引電機(jī)工況比較特殊，滿載甚至超載頻繁起動(dòng)，要求過(guò)載能力大，電壓波動(dòng)較大，造成電機(jī)繞組溫度高或頻繁燒毀。煤礦采掘工作面工作環(huán)境多潮濕滴水且多煤灰粉塵，電機(jī)的防護(hù)等級(jí)不高極易造成電機(jī)內(nèi)部進(jìn)水、繞組絕緣為零、或軸承潤(rùn)滑失效電機(jī)軸承溫度高或抱軸。采煤機(jī)牽引電機(jī)作為采煤機(jī)的一個(gè)部件，電機(jī)整體嵌入采煤機(jī)傳動(dòng)位置，同時(shí)由于綜采面采購(gòu)的限制需要壓縮采煤機(jī)傳動(dòng)裝置高度，導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)安裝空間位置小，使電機(jī)的單位體積功率密度變大。因此，我司采購(gòu)的采煤機(jī)牽引電機(jī)出現(xiàn)的主要故障現(xiàn)象為：繞組燒毀、匝間絕緣損壞絕緣電阻低、軸承溫高、抱軸、轉(zhuǎn)子斷條、花鍵易損壞、機(jī)座內(nèi)部進(jìn)水、機(jī)座水道變形或鼓包導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)無(wú)法從設(shè)備中取出、現(xiàn)場(chǎng)拆卸難度大、維修不方便。

為了解決牽引電機(jī)使用易進(jìn)水、繞組溫度高、轉(zhuǎn)子斷條、機(jī)座鼓包等問(wèn)題，我司和青島中加特電氣股份有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TBVF-110/4YC（575）永磁牽引電機(jī)替換原裝進(jìn)口的采煤機(jī)7LS1A 型所使用90kW 牽引電機(jī)，完美地解決了以上問(wèn)題。

1 異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的選擇

在低速狀態(tài)，異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)一般在0.4-0.6 之間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的滿載啟動(dòng)，且電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有4-6 倍的沖擊電流。而永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.2，甚至更高（主要取決于變頻器的容量），且啟動(dòng)電流倍數(shù)僅為2-3 倍，完美適應(yīng)采煤機(jī)牽引電機(jī)的滿載甚至超載頻繁起動(dòng)工況要求，可直接啟動(dòng)，避免了因堵轉(zhuǎn)、過(guò)載而造成的電機(jī)損壞。同時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在低速下的效率一般在80%以下，功率因數(shù)在0.75 以下，損耗較大，且在輕載、空載等工況下無(wú)功消耗很大。而永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率一般在0.90 以上，功率因數(shù)在0.85 以上，不管在任何工況下都具有效率優(yōu)勢(shì)和低無(wú)功損耗的優(yōu)勢(shì)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電機(jī)所不同的主要是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)其使用要求的不同又有多種多樣。而對(duì)于異步的采煤機(jī)牽引電機(jī)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)主流設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)子籠條為雙籠結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)條用于啟動(dòng)，下導(dǎo)條用于運(yùn)行，上導(dǎo)條一般采用錳黃銅、鋁青銅、硅青銅等銅合金，電阻率大，滿足國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 1040 及實(shí)際工況的啟動(dòng)轉(zhuǎn)巨大啟動(dòng)電流小的要求。但是也由于上導(dǎo)條電阻率大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗相應(yīng)增加，疊加頻繁啟動(dòng)工況，因此易出現(xiàn)端子斷條現(xiàn)象。

此次項(xiàng)目實(shí)施方案的要求為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在不改變采煤機(jī)結(jié)構(gòu)前提下提高牽引電機(jī)功率可以有效降低電機(jī)繞組的溫度，同時(shí)可以提高采煤機(jī)行走部速度，滿足電機(jī)的安裝尺寸與進(jìn)口采煤機(jī)7LS1A 型所使用90kW 牽引電機(jī)完全相同。綜上考慮，在原進(jìn)口電機(jī)內(nèi)部尺寸已經(jīng)到達(dá)極限的條件下，采用永磁電機(jī)設(shè)計(jì)方案可以完美地解決轉(zhuǎn)子斷條、繞組溫度高現(xiàn)象，最終確定采購(gòu)電機(jī)的性能參數(shù)為：功率：110kW；效率η：≥95%；功率因數(shù)cosΦ：≥97%；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tm：2.5；溫升：135K；絕緣等級(jí)：H 級(jí)。

2 電磁設(shè)計(jì)

因牽引電機(jī)整機(jī)嵌入采煤機(jī)傳動(dòng)部位，機(jī)殼外徑即為安裝尺寸，在不改采煤機(jī)安裝及傳動(dòng)的前提下，機(jī)殼水冷，即電機(jī)的三園的外徑和內(nèi)徑已經(jīng)確定。針對(duì)電機(jī)的實(shí)際工況，在保證各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，我們通過(guò)電磁軟件對(duì)于此電機(jī)0-90Hz-120Hz 各個(gè)主要頻率點(diǎn)的性能進(jìn)行校核，在ANSYS 電磁模塊進(jìn)行電磁建模，對(duì)氣隙磁密與頻譜分析、電磁轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行分析，最終確認(rèn)以下電磁參數(shù)。

①三園尺寸為φ355/φ220/φ76。

②定轉(zhuǎn)子沖片材質(zhì)：50W470。

③各項(xiàng)主要電磁參數(shù)控制：定子齒部磁密：1.3～1.5T；定子軛部磁密：1.5～1.7T；轉(zhuǎn)子齒部磁密：1.0～1.1T；轉(zhuǎn)子軛部磁密：1.5～1.7T；氣隙磁密BG=0.68～0.72T；熱負(fù)荷：2200～2600A3/mm3。（圖1～圖5）

圖1 10Hz 效率、功率因數(shù)-輸出功率曲線

圖2 90Hz 效率、功率因數(shù)-輸出功率曲線

圖3 90Hz 電磁轉(zhuǎn)矩

圖4 90Hz 電機(jī)內(nèi)損耗

圖5 轉(zhuǎn)子磁鋼布置

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

TBVF-110/4YC（575）永磁電機(jī)的安裝方式為B5（機(jī)座法蘭凸緣安裝），冷卻方式為IC3W7。機(jī)座為折返式軸流冷卻水道，由于安裝尺寸限制，機(jī)座水路分為上半部分和下半部分單獨(dú)水路，水口2 進(jìn)2 出。繞組采用硬繞組扁銅 線，轉(zhuǎn)子永磁體布局為V 型徑向式。

3.2 定子絕緣結(jié)構(gòu)

青島中加特電氣股份有限公司的產(chǎn)品絕緣系統(tǒng)，電磁線采用耐聚酰亞胺-氟46 復(fù)合薄膜燒結(jié)銅扁線，主絕緣以耐電暈聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶、聚酰亞胺薄膜為主，絕緣漆選用艾仕德（原杜邦）4202 環(huán)氧聚酯浸漬樹(shù)脂組成。此絕緣系統(tǒng)針對(duì)變頻電機(jī)專門設(shè)計(jì)的，高真空度的真空壓力浸漆兩次，保證漆液充填滿定子繞組的所有氣隙。繞組經(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(guò)大引起的較強(qiáng)的磁拉力對(duì)絕緣帶來(lái)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此起的高頻振動(dòng)而對(duì)絕緣產(chǎn)生損傷，延長(zhǎng)絕緣壽命。這種絕緣系統(tǒng)，更適用于煤礦井下潮濕的環(huán)境，即使電機(jī)浸水后排放干凈，也不會(huì)降低電機(jī)絕緣電阻，稍作處理便能恢復(fù)使用。

3.3 機(jī)座結(jié)構(gòu)

機(jī)座水道結(jié)構(gòu)采用軸流式，采用機(jī)座外筒分瓣焊接：機(jī)座內(nèi)筒為完整的圓筒體結(jié)構(gòu)，擋水條兩側(cè)采用6mm 的連續(xù)角焊縫焊接在機(jī)座內(nèi)筒壁上形成軸流水道隔斷，此規(guī)格的機(jī)座外筒是十片扇形蓋板搭接在擋水條上，每?jī)蓧K扇形覆板間留有10mm 的縫隙與擋水條共同形成“U”型坡口，采用滿焊工藝將擋水條、蓋板完全熔焊為一體，這樣機(jī)座內(nèi)筒、擋水條和蓋板就焊接形成為一個(gè)完整的整體，此種焊接方式，水道之間不存在“串水”可能，又因每片蓋板跨距小，抗高壓且形變小，更不存在殼體“鼓包”的可能（見(jiàn)圖6）。焊接完成的機(jī)殼，整體進(jìn)行高溫退火處理，消除焊接應(yīng)力，焊接質(zhì)量進(jìn)一步提高。采用此設(shè)計(jì)方式焊接的機(jī)殼，能夠承受6MPa 的水壓而不發(fā)生有害變形，從而避免機(jī)座水道變形或鼓包導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)無(wú)法從設(shè)備中取出，方便電機(jī)的維修和保養(yǎng)。

圖6 機(jī)座外筒分瓣焊接結(jié)構(gòu)

3.4 IP67 防護(hù)結(jié)構(gòu)

電機(jī)防水、防塵性能的好壞取決于外殼上所做的防護(hù)，其中軸貫通部分的密封是最重要的一環(huán)。替換的原進(jìn)口電機(jī)軸貫通部分采用PTFE 密封，為保證密封性，密封和軸的過(guò)盈量大且PTFE 密封較硬，導(dǎo)致電機(jī)軸承溫度較高。圖7 中，將原電機(jī)PTFE 密封更換為并排兩道523R 金屬組合密封，可以大大提高密封的有效性和使用壽命，降低軸承溫度，同時(shí)在兩道523R 油封（見(jiàn)圖8）之間增加擋圈用于骨架油封的固定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，此軸貫通密封結(jié)構(gòu)可以達(dá)到IP67 防護(hù)等級(jí)。

圖7 軸貫通部分密封結(jié)構(gòu)

圖8 523R 密封結(jié)構(gòu)

同時(shí)，電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中端蓋和機(jī)座的止口配合處、接線盒蓋和接線盒座的止口配合處、電纜引入裝置喇叭嘴處、端蓋和外蓋止口配合處、端蓋和內(nèi)蓋止口配合處、螺釘安裝處增加密封圈，達(dá)到IP67 的防護(hù)結(jié)構(gòu)，電機(jī)浸泡在水中也可以正常運(yùn)行，見(jiàn)圖9。

圖9 IP67 電機(jī)浸泡在水中運(yùn)行

3.5 隔爆結(jié)構(gòu)

神東高端電機(jī)是用于煤礦井下瓦斯氣體環(huán)境，因此安全可靠的防爆結(jié)構(gòu)是基本要求也是最關(guān)鍵的要求，我公司在防爆電機(jī)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，主要采取如下措施滿足要求：①嚴(yán)格執(zhí)行GB3836.1-2021《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1 部分：通用要求》、GB3836.2-2021《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第2 部分：隔爆型“d”》的規(guī)定設(shè)計(jì)制造。②對(duì)軸貫通部分m、k 值進(jìn)行計(jì)算，確保零件在極限偏差的情況下也能保證隔爆間隙。③固定隔爆外殼的螺栓不僅起聯(lián)接作用，還要承受爆炸產(chǎn)生的壓力而不損壞從而起到耐爆要求。為了提高可靠性，螺栓強(qiáng)度的安全系數(shù)在正常1.5 倍的基礎(chǔ)上擴(kuò)大到2 倍。④對(duì)隔爆件在標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力下利用結(jié)構(gòu)分析軟件ansys 進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 型式試驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)完成了全套型式試驗(yàn)和相關(guān)送審取證型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表1 和表2 的電機(jī)型式數(shù)據(jù)對(duì)比，在同樣的安裝尺寸前提下，電機(jī)功率由90kW 提升到110kW，永磁牽引電機(jī)的110kW 電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)超異步90kW。另外，雖然水冷電機(jī)不在國(guó)家的能效標(biāo)準(zhǔn)考核范圍內(nèi)，但是此電機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家能效1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。與原裝進(jìn)口電機(jī)相比，110kW 永磁牽引電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是異步牽引的1.48倍，110kW 永磁牽引電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩是異步牽引電機(jī)的1.67 倍，永磁電機(jī)的過(guò)載能力遠(yuǎn)超異步牽引電機(jī)，同時(shí)110kW 永磁牽引電機(jī)的繞組溫度、軸承溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原裝進(jìn)口90kW 牽引電機(jī)。

表2 原裝進(jìn)口90kW 牽引電機(jī)與永磁110kW 牽引電機(jī)性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

近日，筆者獲悉，由我司與常州聯(lián)力自動(dòng)化科技有限公司、青島中加特電氣股份有限公司聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)套TBVF-110/4YC（575）采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置永磁牽引電機(jī)與變頻器的聯(lián)合調(diào)試圓滿完成。

該項(xiàng)目樣機(jī)創(chuàng)造性地將異步電機(jī)改為永磁電機(jī)，電機(jī)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，將原異步電機(jī)功率由90kW 提升到永磁110kW 而保持安裝尺寸不變。同時(shí)由于永磁電機(jī)的機(jī)械特性，啟動(dòng)平穩(wěn)無(wú)沖擊，且永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，智能控制，運(yùn)行安全可靠，使采煤機(jī)行走部的控制更精確，從而提高整個(gè)采煤機(jī)的采煤效率，同時(shí)，電機(jī)的繞組溫度、軸承溫度遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值95℃的要求，成功解決了采煤機(jī)牽引電機(jī)在煤礦井下使用易進(jìn)水、繞組溫度高、轉(zhuǎn)子斷條、機(jī)座鼓包現(xiàn)場(chǎng)難維修的問(wèn)題。