高壓隔爆型三相異步電動機開發*

呂朝帥，田儒彰，陳中洋，曹佳冉

(1中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400050；2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400050)

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高壓隔爆型三相異步電動機開發*

呂朝帥，田儒彰，陳中洋，曹佳冉

(1中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400050；2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400050)

針對煤礦主通風機用高壓電機在工程應用中頻繁出現的質量問題進行分析，提出了技術解決方案，開發了達到GB 30254—2013中2級能效要求的YBF2系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機，并結合產品試驗數據進行技術水平對比分析。

煤礦主通風機；電動機；2級能效

0 引言

通風機作為煤礦井下主要的通風設備，其運行可靠性是煤礦安全生產的重要保障，其中對旋式軸流風機由于具有安裝簡單、成本較低的優點，約占煤礦主通風機用量的2/3，且局部通風機幾乎全部是對旋結構[1、2]。然而由于對旋式軸流風機的特殊負載特性，其配套電動機經常出現起動時間長、超載運行、溫升高及軸承損壞等質量問題，而且存在技術更新落后、體積龐大、重量沉、能效水平低等問題。通過走訪用戶并結合煤礦主通風機的發展趨勢及配套電動機的工況特性，全新研制了新一代主通風機用高壓隔爆型三相異步電動機YBF2系列。

1 煤礦主通風機用電動機的工況特性

1.1 工作環境

風機安裝示意圖見圖1，由于隔流腔和主風道之間的正負壓問題，其一級風機的Ⅰ級電動機隔流腔內瓦斯濃度達到0.1%～0.3%，不存在安全隱患；而二級風機的Ⅱ級電動機隔流腔內瓦斯濃度達到2.2%～2.8%，存在著瓦斯濃度超限問題[3]，另外風機為了減小風阻損耗提高效率，必須將電動機安裝在完全封閉的空腔內，致使電機運行的環境溫度增高了大約10℃，降低電機冷卻散熱效果，容易造成繞組燒毀，并且煤礦井下的空氣中含有大量的粉塵(濃度50～100mg/m3)，很可能隨著電機進出風不均勻的聚集在風扇上，產生較大的不平衡，造成電機劇烈震動，損壞軸承[4、5]。

圖1 風機安裝示意圖

1.2 負載轉動慣量大

隨著我國煤礦井下高產高效綜采的快速發展，工作面走向越來越長，長距離大斷面掘進巷道隨之誕生，井下用風量逐漸增加，這就要求大風量、高風壓的通風機來滿足其需求[6]。目前礦用通風機葉輪外直徑為2～4m，重量約為500～2500kg，所以其配套電動機需滿足大轉動慣量負載的啟動要求，避免啟動電流過大、啟動時間過長燒毀電機。

1.3 軸承工況惡劣

由于風機葉輪直接安裝在電機輸出軸上由電機直接傳動，所以電機軸承除了承受轉子自身的重量外，還需要承受葉輪的重量及其在運轉過程中所產生的軸向力，同時會出現在風機運行過程中氣動不平衡引起的動載荷及剎車時所產生的不平衡力。除此之外由于葉輪的外形尺寸和重量問題，很容易在裝配和運輸過程中對電機軸承造成早期損傷。據不完全統計YBF系列高壓風機用電動機的軸承故障約占風機故障的80%以上[7]。

1.4 Ⅱ級電動機過載運行

對旋式軸流通風機之所以越來越被人們認可，原因是其通過一級葉輪作為風量的保證，二級葉輪進一步做功以提高其通風壓力，兩級風機共同作用使其具有風量大、全壓高的特點，能夠長距離通風。但由于通風距離與流量成反比，當通風距離稍微增加，流量減小，Ⅱ級電機負載就會增加很快，所以當通風距離增加到一定程度時，雖然兩級風機的總功率尚未達到單級的兩倍，但是Ⅱ級電機的負載就已遠遠超出了額定功率，從而導致電機燒毀[8]。

1.5 變頻技術應用

煤礦主通風機在煤礦安全生產中起著至關重要的作用，由于其功率大且必須保持連續運轉，因而耗電很大，其耗電量占煤礦總用電量的15%～30%。并且在生產過程中，風機所提供的風量及風壓是隨著煤礦生產能力和其他條件的變化而不斷變化的。變頻調速控制系統以其可靠性高、調節方便靈活、節能效果顯著等優點已經成為礦井通風機控制系統的首選[9]。所以煤礦主通風機用高壓電機既要符合常規電源供電的使用要求，也要滿足變頻器供電的情況。

1.6 反風要求

礦井反風是在礦井發生火災時一項非常重要而有效的風流調度的救災措施。特別是在礦井入風井筒、入風大巷等進風井巷道發生火災時，采取反風措施使高溫煙流和有害氣體由進風井筒排除，從而保證井下作業人員的安全撤離和縮小災害范圍[10]。因此礦井主要通風機必須裝有反風設施，并能在10min內改變巷道中的風流方向[11]。

2 電機研制的技術解決方案

針對煤礦主通風機用電機的工況特點，對YBF2系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機提出以下技術解決方案。

2.1 全系列采用IC411管夾片冷卻結構

YBF系列電機采用IC511的冷卻方式，電機體積大，部分風機筒要做成異性結構才能滿足其安裝要求。YBF2系列電機全系列采用經優化的管夾片式IC411冷卻結構，增加功率密度，縮小電機體積，不僅滿足了電機的安裝要求，并且在風機筒直徑不變的前提下通過電機本體優化達到增加風機過風面積、提高風量的效果，符合目前國內煤礦主通風機的發展趨勢。YBF2系列電機與YBF系列電機體積及重量對比見表1，相同功率下可降低2～3個機座號，重量減輕340～7600kg。

表1 YBF2系列與YBF系列電機體積及重量對比

2.2 提高電機起動性能

根據電機學原理，提高電機起動轉矩倍數、降低起動電流倍數可以縮短電機起動時間、降低電機起動時的發熱量、減小電流沖擊對繞組絕緣和轉子的損傷，提高電機最大轉矩倍數可以提高其過載能力。YBF2系列風機用電機與YBF系列及通用電機起動性能比較見表2。

表2 YBF2系列風機用電機與YBF系列及通用電機起動性能比較

2.3 提高軸承使用壽命

由于風機用電機的工況特性，其軸承受力情況與普通電機相比發生了很大的變化。普通電機的軸承受力示意圖如圖2所示。風機用電機的軸承受力示意圖如圖3所示。

圖2 普通電機軸承受力示意圖

圖3 風機用電機軸承受力示意圖

圖2、圖3中，G—電機轉子重量；T—單邊磁拉力；FrA—電機非軸伸端軸承所受的徑向力；FrB—電機軸伸端軸承所受的徑向力；Fr—風機葉輪作用在電機軸上的徑向力；Fa—電機所受的風機葉輪引起的軸向力。

普通電機所受徑向力

風機用電機所受徑向力

合理的進行軸承選型，正確使用和維護電機軸承，可有效降低軸承故障率，確保礦用主通風機的安全可靠性運行。YBF2系列樣機軸承壽命見表3，后端軸承壽命較長，一方面是由于后端采用不承受軸向力的單一柱軸承結構，且承受徑向力比較小，但符合最小徑向載荷要求；另一方面是由于風機廠對副軸伸的特殊要求導致后端軸承選型受限。

表3 YBF2系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機樣機軸承壽命

2.4 提高電機使用系數

提高電機使用系數，一方面通過電機本體優化來改善二級風機配套電動機過載的問題，避免電機燒毀；另一方面由于風機用電機安裝在封閉的空腔內，致使其運行的環境溫度過高，大大降低了其散熱能力，電機需要預留溫升余量。

我國標準和IEC標準均沒有對高壓電機使用系數的明確規定[13]，但是為了避免風機系統整體效率過低，這就需要電機廠與風機廠做好前期選型設計溝通，可以考慮提高電機使用系數，但裕量不可過大，一般為1.15～1.2倍比較合理[14]，也可以考慮選擇不同功率電機。

2.5 采用變頻電機設計措施

由于變頻技術在煤礦通風系統中的應用，要求其配套電機既能滿足常規電源供電也能滿足變頻電源供電，設計措施如下

(1)采用變頻電磁線，滿足變頻器脈沖電源的使用要求。

(2)由于風機用電動機是多極數電機，通過選擇合適的槽配合、采用斜槽、控制氣隙磁密等電磁設計方案降低電磁噪聲。

2.6 雙向風路，控制損耗

為了滿足礦井反風要求，YBF2系列電機內外風扇均采用雙向風路結構，考慮其安裝環境不利于電機的散熱，所以適當加大內外風扇外徑提高電機的冷卻能力，但是隨之而來的機械損耗的增加導致電機效率下降。YBF2系列是以滿足GB 30254—2013中2級能效要求為開發目的的風機用電機，這就需要在風扇選擇上考慮機械損耗的影響來保證效率，通過控制外風路風速來保證溫升，具體取值見表4。

表4 YBF2系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機機械損耗與外風路風速控制

3 樣機性能分析

根據以上技術方案，進行了YBF2系列風機用高壓隔爆型三相異步電動機的開發，并試制生產了涵蓋6kV、10kV機座號H355～H560共5臺性能樣機，完成了型式試驗、濕熱試驗、防爆試驗等試驗項目，試驗全部合格。關鍵試驗結果見表5、表6、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。試驗數據表明，樣機的防爆性能、啟動性能、過載能力、能效等級都符合國家標準及本文提出的考核指標。

表5 濕熱試驗

表6 防爆試驗

注：樣機中所有腔體內部點燃不傳爆試驗均未傳爆。

圖4 樣機堵轉轉矩倍數

圖6 樣機最大轉矩倍數

圖7 樣機溫升

圖8 樣機效率

4 結語

YBF2系列電機的開發填補了國內沒有2級能效礦用風機用高壓隔爆型三相異步電動機的空白，全系列采用IC411結構推動礦用主通風機用電機向緊湊型發展，解決了國內礦用風機用高壓電機堵轉轉矩小、啟動時間長的問題。

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Development of Flame-Proof High-Voltage Three-Phase Induction Motor

LyuChaoshuai,TianRuzhang,ChenZhongyang,andCaoJiaran

(1.CCTEG Chongqing Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 400050, China；2.National Key Laboratory of Gas Hazard Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400050, China)

This paper analyzes the quality problems occurred in engineering application of high-voltage motor for colliery main fan and provides technical solutions. YBF2 series high-voltage flame-proof three-phase induction motor which meet the requirements of 2-grade energy efficiency in GB 30254-2013 were developed. The comparative analysis of technical level were carried out based on experimental data of product.

Colliery main fan；electric motor；2-grade energy efficiency

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)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.10

TM357

B

1008-7281(2016)06-0030-005

呂朝帥 男 1986年生；畢業于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事高壓電機的設計研發工作.

2016-06-07