采煤機(jī)用隔爆水冷三相電動(dòng)機(jī)的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

段小燕

（山西省呂梁市柳林縣煤炭工業(yè)局， 山西 呂梁 033300）

引言

采煤機(jī)是地下煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機(jī)的工作效率直接決定著綜采工作面的原煤產(chǎn)量。在實(shí)際生產(chǎn)中為保證持續(xù)生產(chǎn)，采煤機(jī)截割部電機(jī)就會(huì)不停運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其是在電機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且散熱效率過(guò)低時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度過(guò)高[1]。發(fā)熱異常可能會(huì)燒壞絕緣，導(dǎo)致線路短路致使繞組損壞；銅條的端環(huán)出現(xiàn)熱塑形變而造成銅條斷裂和軸承膨脹抱死而燒毀電機(jī)等事故。并且在有限的采煤工作面之中，由于割煤或打錨桿等作業(yè)產(chǎn)生煤塵在電機(jī)表面覆蓋堆積導(dǎo)致電機(jī)外殼熱量無(wú)法釋放，最終造成人員燙傷甚至爆炸事故[2]。亟待對(duì)采煤機(jī)截割部上轉(zhuǎn)載的隔爆水冷三相電動(dòng)機(jī)的散熱進(jìn)行改進(jìn)。本文以采煤機(jī)截割部常用的JOY 30EB500J型電機(jī)（JOY 30EB500J型電機(jī)的功率為750 kW，額定電壓為3300 V，采用水冷設(shè)計(jì)）為例，進(jìn)行散熱優(yōu)化，為采煤機(jī)的持續(xù)安全運(yùn)行提供保障。

1 電動(dòng)機(jī)散熱改進(jìn)分析

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，利用轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)電磁互換，定子繞組與轉(zhuǎn)子電樞中會(huì)有持續(xù)的電流流動(dòng)。由于定子繞組與轉(zhuǎn)子電樞中不可避免的會(huì)有電阻，因此會(huì)產(chǎn)生熱能。而且定轉(zhuǎn)子是由硅鋼組成，硅鋼會(huì)在變化磁場(chǎng)形成的渦流中發(fā)熱。以及轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)由于摩擦產(chǎn)生熱量。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中既會(huì)產(chǎn)生熱量，也會(huì)以空氣和金屬作為傳熱介質(zhì)進(jìn)行散熱。若散熱速率與發(fā)熱速率達(dá)到平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度就不會(huì)上升。實(shí)際使用中往往會(huì)由于電機(jī)內(nèi)部進(jìn)入粉塵或外殼上雜物堆積，致使散熱速率大大降低，導(dǎo)致截割部電動(dòng)機(jī)發(fā)熱異常[3]。

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割部電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱原理進(jìn)行分析，為使電動(dòng)機(jī)擁有更好的散熱能力，應(yīng)從設(shè)計(jì)入手，選用最佳的材料避免產(chǎn)生更多的熱量，利用合理的散熱結(jié)構(gòu)獲得更佳的散熱速率，采用厚度較小但不會(huì)降低絕緣性能的絕緣材料增加熱量的釋放。因此，本改進(jìn)從電磁設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣設(shè)計(jì)三方面入手。

2 電磁設(shè)計(jì)

通過(guò)電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化可以減少電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中熱量的產(chǎn)生，從根本上解決熱量集聚的問(wèn)題。電磁設(shè)計(jì)包括定轉(zhuǎn)子槽型和定轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片等。

2.1 定轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，廠家為了在降低堵轉(zhuǎn)電流的同時(shí)獲得更高的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，一般采用深槽型或上下雙籠槽型的設(shè)計(jì)。采用深槽型設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)在開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于電流的頻率過(guò)高，導(dǎo)致導(dǎo)體的的漏抗增加甚至超過(guò)電阻，此時(shí)導(dǎo)體漏抗是電流的主要阻力來(lái)源。由于槽電流與漏抗為反比例關(guān)系。在槽口附近的漏抗較小，而槽口部分的電流較大，在電流集膚效應(yīng)的作用下導(dǎo)致槽導(dǎo)體內(nèi)的電阻增大。由于轉(zhuǎn)子在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)不斷旋轉(zhuǎn)，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用受集膚效應(yīng)影響較小的閉口式深槽矩形定子槽型和閉口式轉(zhuǎn)子槽型。如圖1所示，為設(shè)計(jì)的定子與轉(zhuǎn)子槽型。

圖1 定子與轉(zhuǎn)子槽型

2.2 硅鋼片的選擇

電動(dòng)機(jī)內(nèi)的硅鋼片是導(dǎo)磁介質(zhì)，利用高效電機(jī)鋼可以有效減少鐵損并保證磁感不受影響。目前可用做電動(dòng)機(jī)的硅鋼片有熱扎無(wú)取向硅鋼片和冷軋無(wú)取向硅鋼片。雖然熱扎無(wú)取向硅鋼片的穩(wěn)定性較高，且沖剪應(yīng)力較小加工相對(duì)容易。但冷軋無(wú)取向硅鋼片具有鐵損小、磁感高、表面光滑和加工尺寸容易受控等優(yōu)點(diǎn)，因此采用冷軋無(wú)取向硅鋼片作為電動(dòng)機(jī)的硅鋼片。利用高精度模具與沖裁設(shè)備可以消除或減少冷軋無(wú)取向硅鋼片在加工過(guò)程中出現(xiàn)的毛刺，更高程度上降低硅鋼片的磁損。從經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用效果考慮，采用寶山鋼鐵廠生產(chǎn)的B50A350無(wú)取向硅鋼片，該硅鋼片的相關(guān)性能如下：厚度0.05 cm，密度7.65 kg/dm3，鐵損 2.85 W/kg，磁感 1.68 T。

2.3 材質(zhì)選擇及其他設(shè)計(jì)

以鐵損更小的材質(zhì)制作轉(zhuǎn)子、端環(huán)和導(dǎo)條可以進(jìn)一步降低電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的散熱量。一般等級(jí)功率不足100 kW的電機(jī)采用的是鑄鋁材質(zhì)的轉(zhuǎn)子，超過(guò)100 kW的電動(dòng)機(jī)則采用雙鼠籠銅條轉(zhuǎn)子。將T1純銅通過(guò)鍛件加工成銅條轉(zhuǎn)子的端環(huán)，采用HMn58-2錳黃銅制作外籠，采用T2Y紫銅制作內(nèi)籠。通過(guò)在上端環(huán)的兩端焊接上銅制葉片充當(dāng)內(nèi)風(fēng)扇。其中，轉(zhuǎn)子沖片與軸之間的間隙應(yīng)控制在0.003～0.01 cm，內(nèi)籠條與轉(zhuǎn)子沖片之間的配合間隙應(yīng)保持在0.04 cm，外籠條與沖片之間的配合間隙應(yīng)控制在0.01～0.03 cm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水路設(shè)計(jì)

如圖2所示，為JOY30EB500J電動(dòng)機(jī)原水路設(shè)計(jì)圖。該水路由38條厚度為1 cm的擋水條焊接而成。此種設(shè)計(jì)的焊接工作量較大，采用人工焊接的焊接質(zhì)量不均勻。當(dāng)機(jī)座內(nèi)部的水套進(jìn)行熱套時(shí)會(huì)出現(xiàn)擋水條彎曲的現(xiàn)象，導(dǎo)致水流不暢，降低熱交換速率。為降低水流流動(dòng)阻力，采用12條隔板分割水路的設(shè)計(jì)（見圖3）。每塊隔板的厚度為4 cm。并且在機(jī)座上設(shè)有一個(gè)防水口，機(jī)座不使用時(shí)就將水路中的水放完，避免水路出現(xiàn)銹蝕影響熱交換速率。

圖2 原水路結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后水路結(jié)構(gòu)

3.2 端蓋設(shè)計(jì)

為加快電動(dòng)機(jī)機(jī)座與繞組的端部的熱交換速率采用水冷鋼板焊接結(jié)構(gòu)的端蓋，此種設(shè)計(jì)可以使?jié)L動(dòng)軸承運(yùn)行更加可靠，并延長(zhǎng)其使用壽命。需注意在端蓋的進(jìn)出水口與機(jī)座之間應(yīng)采用橡膠密封圈進(jìn)行密封，并且密封圈溝的尺寸不得過(guò)高，以免出現(xiàn)泄漏，影響水路的散熱效率。

3.3 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軸是電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在實(shí)際使用中常常會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)矩過(guò)高導(dǎo)致斷裂。因此要求轉(zhuǎn)軸具有較高的強(qiáng)度和剛度。可以從轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)入手提高轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度和剛度。一般功率高于100 kW的電動(dòng)機(jī)采用的是內(nèi)花鍵。將40CrNiMo的合金棒依次進(jìn)行粗車與調(diào)質(zhì)，在花鍵齒進(jìn)行加工后對(duì)其淬火，淬火硬度（HRC）為45～50。采用SKF軸承，該型號(hào)軸承的兩端不同，一端為球軸承另一端為圓柱滾子軸承，該軸承適用于兩端轉(zhuǎn)矩差較大的場(chǎng)合。采用FAG潤(rùn)滑脂在保證潤(rùn)滑性的同時(shí)，可以讓熱量及時(shí)散發(fā)。

4 絕緣設(shè)計(jì)

原JOY 30EB500J型電機(jī)線圈采用的是QZY-2/180聚酯亞胺漆包圓銅線，該材質(zhì)的安全性不足，經(jīng)常出現(xiàn)繞組燒毀的案例。根據(jù)一線工人對(duì)JOY電機(jī)繞組維修的經(jīng)驗(yàn)，可采用杜邦公司生產(chǎn)的亞胺膜燒結(jié)電磁線，該繞組在電磁線的外部包有一層自黏性玻璃絲保護(hù)層，可以加強(qiáng)對(duì)絕緣線的保護(hù)。為定子繞組的定子鐵芯需通過(guò)真空壓力浸漆兩次，使油漆完全填滿定子繞組之間的所有空隙，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)烘干保證漆膜均勻，時(shí)鐵芯在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)散熱均勻。充分利用定子槽的有效面積選用NOMEX紙和亞胺薄膜制成的NHN，以增強(qiáng)機(jī)械保護(hù)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將JOY 30EB500J電動(dòng)機(jī)按上述設(shè)計(jì)進(jìn)行制作，在各部件組裝完成后。在室溫為25℃的房間內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)試。同時(shí)將改進(jìn)前的JOY 30EB500J電動(dòng)機(jī)與改進(jìn)后的JOY 30EB500J電動(dòng)機(jī)同時(shí)連續(xù)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)8 h，將兩組電動(dòng)機(jī)拆開，測(cè)試其轉(zhuǎn)子的表面溫度分別為95.4℃（優(yōu)化前）和64.6℃（優(yōu)化后）。經(jīng)過(guò)改進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)8 h后經(jīng)過(guò)優(yōu)化中心轉(zhuǎn)子的溫度為64.6℃，降低了30.8℃，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常采用的JOY 30EB500J型采煤機(jī)截割部電機(jī)電磁、結(jié)構(gòu)和絕緣三部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以獲得更佳的散熱效果和機(jī)械性能。通過(guò)優(yōu)化，將連續(xù)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)8 h后中心轉(zhuǎn)子的溫度由95.4℃降低到了64.6℃，優(yōu)化符合生產(chǎn)使用中散熱的要求。本設(shè)計(jì)已被投入工業(yè)使用，運(yùn)行效果良好。