淺談煤礦通風機用高壓隔爆型三相異步電動機的設計

摘 要：針對煤礦通風機用電動機的特殊工況進行分析，提出技術難點并對其進行設計研究。

關鍵詞：煤礦通風機用電動機 設計 研究

近年來，我國國民經濟蓬勃發展，大力推行工業制造業，能源需求越來越大，目前能源消耗仍以煤炭為主，煤炭行業仍是我國國民經濟發展的支柱行業之一。“十二五”期間，我國連續投入煤礦安全技改資金，實施煤礦安全技術改造，強調安全生產管理。隨著礦山安全生產意識的逐漸增強，礦井通風裝備作為生產安全的重要保障措施，將帶動礦用通風設備行業迅猛發展。礦用通風機是指通過機械方法向礦井內輸送足夠新鮮空氣，稀釋和排除有毒、有害氣體，調節井下所需風量、溫度和濕度，改善勞動條件，保證安全生產的機械設備。本文主要針對礦用風機的運行工況對其配套電動機的設計進行簡單闡述，在原有設計理念基礎上優化電動機性能，從而使風機用隔爆型三相異步電動機的設計不斷改進創新。

一、煤礦通風機用電動機的設計難點

1.環境溫度高。對旋式軸流風機為了減少風阻損耗，提高效率，把驅動電機置于密閉金屬空腔中，將電機冷卻風路與風機主風路隔離，致使電機冷卻散熱條件差，溫升高，影響電機運行可靠性及壽命。

2.電機過載。對旋式軸流通風機的工作原理為兩級葉輪分別由兩個旋轉方向相反的電動機驅動，當氣流流過集流器進入一級葉輪獲得能量后，再經過二級葉輪升壓排除，兩級葉輪互為導葉，從而達到風量大、風壓高、通風距離長的優點，是煤礦井下最理想的通風設備。如果旋式軸流風機的前后兩級葉片在結構設計時匹配性不夠好，當通風距離增大時，風量就會減小，需要靠二級風機的升壓來保證通風效果，這就容易出現風機運行時二級電機因過載而燒毀電機。

3.啟動性能要求高。通常用戶會向電機制造廠提供風機的轉動慣量和負載曲線。一般風機采用部分甚至完全關閉風門啟動，其阻力矩在電機額定轉矩的20%～30%左右，這對電機設計來說不難達到要求。但有些特殊情況，如風機的轉動慣量過大、啟動負載過大，尤其是在多種因素共同起作用的時候，給電機的設計造成很大困難。對于一般電機而言，啟動負載過大造成啟動時間過長，繞組發熱量增加，容易將電機燒毀。

4.軸承故障頻發。電動機作為風機的驅動設備，直接拖動的負載為大型軸流風扇，其直徑一般都在1～4m，重量從幾百到兩千多kg，直接安裝在軸伸上，當電機旋轉起來負載軸流風扇所產生的軸向力為幾千到幾萬N，隨著旋轉方向的不同，軸向力的作用方向也不同，即此軸向力是雙向的。與普通電機相比，風機用電機需承受較大的徑向力及雙向軸向力。由于風機用電機安裝在密閉的空腔里，除了電機整體散熱條件差外，電機加注新潤滑脂和排除廢油脂也十分困難，從風機外部向電機軸承加注潤滑脂的距離約為0.5～2m，需穿過風機的外筒、風道、內筒、電機保護罩，同時還要考慮風機結構設計、拆裝方便等因素。因此風機用電機的軸承冷卻也是設計一大難點。如果再考慮風扇本身的不平衡所產生的離心力、葉輪安裝及運輸、使用維護等過程中出現的特殊情況，軸承故障頻發可想而知。據不完全統計結果顯示，對旋式軸流風機除了少數葉輪扇葉斷裂故障外，絕大部分故障是風機用電機的軸承故障造成的，其中有電機“抱軸”、軸承溫度高、軸承響及注油困難等問題。

5.變頻技術應用。據資料統計，我國多數煤礦的通風設備電量消耗占全礦總電量消耗的20%～30%，通風機的額定負壓比實際需要多余5%～20%。若節省這些多余的能量，則煤礦通風的用電量可大幅度下降。目前礦井中常用的調速方法有轉子串電阻調速、串級調速和變頻調速三種，其中變頻調速通過改變電動機供電電源頻率來改變旋轉磁場的轉速，從而改變電動機轉速。對于風機類負載來說無論采用哪種調速方式，都會取得明顯的節能效果，但在風機風量相同時，采用變頻調速驅動，節能效果最佳。

二、煤礦通風機用電動機的設計分析

針對煤礦通風機用電動機的設計難點，從電磁設計、冷卻結構設計、軸承結構設計等方面對其進行設計分析。

1.電磁設計。電磁設計直接決定電機的電氣性能，同時也直接關系到電機的溫升，所以至關重要。

1.1控制溫升：可通過減小每槽導體數、加長鐵心長度降低線負荷；增加線圈、導條截面積降低電流密度；在調整線負荷和電流密度同時注意合理分配鐵耗、銅耗，必要時采用低損耗硅鋼片。

1.2提高啟動性能：可通過減少定子繞組匝數、在保證功率因數前提下增大氣隙以降低漏電抗；改變轉子槽口形狀，使槽變深，增加擠流效應；適當縮小轉子槽面積和端環面積增加轉子電阻。

1.3提高過載能力：主機廠或設計院在電機選型時一般已經考慮到電機使用系數的問題，在前期電磁設計時要做好溝通工作，必要時增加使用系數，避免過載運行，燒毀電機。

1.4變頻設計：選擇合適的線圈接法，減少電流諧波的產生，從而避免電能浪費及電機發熱；根據變頻范圍的具體要求，除了對特定轉速下運行工作特性進行分析，還要對每一個頻率變化范圍進行分析；絕緣設計上要滿足變頻器脈沖電源的使用要求。

1.5降低電磁噪聲：由于風機用電動機為多極數電機，可通過選擇合適的槽配合、采用斜槽等電磁方案降低電磁噪聲。

2.冷卻結構設計。冷卻結構設計主要考慮IC411冷卻方式前提下溫升控制方面，條件允許時可采用更優的冷卻方式。

2.1提高冷卻風量：在保證效率的前提下加大風扇外徑、優化風扇結構增加風量；合理設計導風風路，如在機座外表面和軸伸端軸承處增加導流罩，提高風量利用率，降低機座、軸承溫度。

2.2增加散熱面積：合理設計機座、端蓋及軸承蓋的散熱筋以增加電機整體表面的散熱面積。

3.軸承結構設計。軸承結構設計是風機用電機設計的重中之重，直接關系到電動機能否在現場長期穩定可靠的運行。

3.1軸承選型：風機與電機的設計應加強技術信息交流，風機廠提供給電機廠的參數（包括葉輪重量、葉輪產生的軸向力等）應準確合理，不應增加過多的設計裕量，誤導電機軸承選型過大，增加不可靠因素；兼顧軸向力和徑向力，合理進行軸承壽命核算。

3.2注排油結構設計：盡管風機電機的注油管比較長，安裝困難，但可以通過改進結構設計，精細施工，增加輔助加油設備來滿足風機電機的使用要求。設計時盡量使油管直進直出，減少管道彎曲數量；施工時精細加工，避免油管彎曲變形，增大沿程阻力；電機出廠時，油管內加滿潤滑脂，在風機的可視部位增加加油標牌，提醒用戶及時加油；為了方便用戶的使用，減少維護的工作量，提高軸承的使用壽命，可以增加輔助的加油設備，實現多次少量、定時定量加油。

三、結語

針對煤礦通風機用電動機的設計要點，以滿足工況運行需要為向導，考慮各方面的影響因素，靈活設計，優化煤礦通風機用高壓隔爆型三相異步電動機的運行性能。

參考文獻：

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[3]王宏宇.變頻調速技術在礦用主通風機上的應用[J].煤炭加工與綜合利用，1999，（02）：47-48.

作者簡介：曹佳冉（1987 — ），2009年畢業于沈陽理工大學材料成型專業，現任職于中煤科工集團重慶研究院有限公司，從事電機設計及工藝工作。

※基金項目：中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金項目（項目編號：2015ZD003）.