礦用隔爆型永磁同步電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030）

0 引言

礦用隔爆型永磁同步電機(jī)不僅具有效率高、體積小、噪聲低和運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，還配備了豐富的智能傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控的通信接口，是礦用智能裝備不可或缺的動(dòng)力執(zhí)行部件。近年來(lái)，在煤礦皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。礦用隔爆型永磁同步電機(jī)采用三相永磁同步方案，主要是由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、隔爆外殼（含水套機(jī)座）和位置傳感器等部件組成的，為了保證電磁溫度控制，電機(jī)需要獨(dú)特的水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。

1 隔爆電機(jī)水冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用隔爆型永磁同步電機(jī)是由高效稀土永磁材料作為勵(lì)磁，在滿足給定輸出功率的同時(shí)，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，幾乎是普通電機(jī)的一半，使得功率密度得到了大幅的提高[2]。電機(jī)發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取水冷的方式散熱。設(shè)計(jì)時(shí)采用釹鐵硼NdFeB.42UH 磁鋼，磁鋼平均工作溫度為90℃，轉(zhuǎn)子永磁體工作溫度為90℃。

永磁電機(jī)采用空水冷冷卻，其冷卻結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電機(jī)外殼圓筒采用鋼板焊接，形成了圓形水套機(jī)座結(jié)構(gòu)方式，定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套方式壓裝，以此來(lái)增加傳熱效果。鐵心和鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包括銅耗與鐵耗，電機(jī)端部熱量經(jīng)過(guò)銅繞組傳遞至直線段，再通過(guò)定子鐵心傳走。設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)子損耗也不可忽略，電機(jī)內(nèi)部通過(guò)風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)路，熱量通過(guò)風(fēng)路傳遞至定子鐵心軛部，再傳遞到水冷機(jī)座上帶走所有熱量[3]。

按照標(biāo)準(zhǔn)MT/T847 要求，水道應(yīng)承受4.5 MPa 的靜水壓力，歷時(shí)5 min，水道不應(yīng)發(fā)生變形和滲漏。電機(jī)內(nèi)桶需要承受1.0 MPa 的靜水壓力，歷時(shí)1 min，不應(yīng)發(fā)生變形和滲漏。為了保證水道強(qiáng)度，除了采用熱套工藝外，還需要在擋水條上增加鉚釘加固，以防止水壓造成膨脹。在水道設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行防銹處理，涂覆防銹油，在底部設(shè)計(jì)排水口，用于排盡水道中的水，以免對(duì)水道造成銹蝕破壞。水道加工時(shí)焊縫不允許有夾渣、針孔、零部件鐵屑、焊渣、飛濺物和疤痕物等雜物，保證水道的暢通。

2 冷卻水道計(jì)算分析

冷卻水道采用“Z”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使冷卻水帶走更多的熱量，進(jìn)出水口設(shè)計(jì)在電機(jī)中部，如圖2 所示。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比采用銅管與外殼壁貼靠傳遞方式簡(jiǎn)單，且不需要銅管與隔爆外殼的隔爆接合，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。冷卻水道計(jì)算的方式是根據(jù)電機(jī)水路主要參數(shù)和水的溫度及其物性參數(shù)對(duì)永磁同步電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算[4]。

圖1 永磁電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)

圖2 水道結(jié)構(gòu)

擋水條高度12 mm，寬度30 mm，電機(jī)水道寬度設(shè)計(jì)為64 mm，水套截面周長(zhǎng)152 mm，長(zhǎng)度670 mm，設(shè)計(jì)有20 條擋水條均分列在電機(jī)內(nèi)筒外壁。根據(jù)電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)的隔爆電機(jī)的水道參數(shù)，見(jiàn)表1。水的溫度及其物性參數(shù)見(jiàn)表2。按照GB3836.1 的標(biāo)準(zhǔn)要求，電機(jī)需要在最不利條件下測(cè)試隔爆外殼溫度，所以電機(jī)冷卻水量取2.3 m3/h 計(jì)算。

表1 水道主要參數(shù)

表2 水的溫度及其物性參數(shù)

將以上數(shù)值帶入公式，計(jì)算結(jié)果如下：

當(dāng)量直徑

式中：d—當(dāng)量直徑，m。A—水道截面積，m2。U—濕潤(rùn)周長(zhǎng)，m。

水道內(nèi)水流流速

式中：Q—水道冷卻水量，m3/h。A—水道截面積，m2。

由雷諾數(shù)公式

式中：V—水道內(nèi)水流流速， m/s。d—當(dāng)量直徑，m。uf—30℃水的運(yùn)動(dòng)粘度，Pa·s。

其中，取30℃水的運(yùn)動(dòng)粘度uf為8.06×10-7Pa·s，由Re>104判斷，水流系統(tǒng)流態(tài)為湍流。根據(jù)怒謝爾特系數(shù)：

對(duì)流熱系數(shù)

式中：Re—雷諾數(shù)。Pr—普朗克系數(shù)。d—當(dāng)量直徑，m。L—通道周長(zhǎng)，m。uf—30℃水的運(yùn)動(dòng)粘度， Pa·s。ux—?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s。

計(jì)算出熱交換后水路壁的平均溫度

式中：P1—電機(jī)損耗，kW。tav—平均溫度，℃。

式中：P1為電機(jī)損耗為38 kW。α—對(duì)流熱系數(shù)。S—散熱面積，m2。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，水路壁的平均溫度小于40℃，符合設(shè)計(jì)要求。

3 水冷系統(tǒng)的選配

隔爆型水冷電機(jī)不僅在額定工礦下需要滿足溫升的要求，電機(jī)的最高表面溫度也可在GB/T755 規(guī)定的“A 區(qū)”內(nèi)最不利的試驗(yàn)電壓下測(cè)定，這就對(duì)水冷效果在隔爆的安全性能上提出了更高的要求[5]。隔爆型水冷電機(jī)可以選用大流量和大水壓的外置水源，但有時(shí)受煤礦井下條件的限制，沒(méi)有合適的冷卻水源，就需要配置自循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)的選擇需要考慮電機(jī)損耗、流量、進(jìn)出口水溫等因素。為了滿足永磁隔爆電機(jī)要求，對(duì)自循環(huán)水冷機(jī)進(jìn)行了選擇，參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 自循環(huán)水冷機(jī)基本參數(shù)

水泵輸送介質(zhì)為清水（不溶物：≤30 mg/L），硬度不超過(guò)12（德國(guó)度），相當(dāng)于每升水中含有0.12 g 的 CaO，或物理化學(xué)性質(zhì)類似于清水的其他液體，以保證自循環(huán)冷系統(tǒng)和水道長(zhǎng)期使用。此外，煤礦井下的自循環(huán)水冷系統(tǒng)還需要選擇隔爆型的冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目研究的礦用隔爆型水冷永磁同步電機(jī)，通過(guò)從水道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到冷卻分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用條件配置了水冷卻系統(tǒng)，經(jīng)額定負(fù)載和95%額定電壓下額定負(fù)載的最不利條件下進(jìn)行溫度測(cè)試，其水冷效果符合了GB3836.1、IEC60079-0 標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證了磁鋼的安全工作溫度，電機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)通過(guò)動(dòng)態(tài)爆炸測(cè)試筒體和水道的強(qiáng)度，符合了GB3836.2 的強(qiáng)度要求。電機(jī)經(jīng)過(guò)溫度和外殼強(qiáng)度的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)符合了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。