煤礦采煤機截割電機優化設計

羅 怡

（同煤集團馬脊梁礦，山西大同 037003）

0 引言

近些年來，中國煤炭行業取得了較快發展，這一發展得益于綜采工作面所具有的開采效率，而開采效率的日益提升則依托于各個大型設備的正常運行及緊密配合。在開采過程中，采煤機是最主要的設備，該設備是否可以穩定運行，將對作業面進行的開采作業造成影響。其中，截割電機是確保采煤機有效運行的關鍵動力。因此，為了使工作面開展的開采作業具備較高的效率，必須保證截割電機的運行性能。

由于綜采工作面的生產環境較為惡劣，對截割電機的性能提出了更高的要求，且與地面各個設備的電機存在較大區別。其最核心的是保證采煤機電機具備較強的抗振動、耐潮濕性能，可以在一些危險環境下運行，其外形的尺寸參數必須盡可能小，以保證其可以順應作業面的惡劣狀況。目前，中國所采用的截割電機的體積過于龐大，并且輸出水平較差，必須進行優化設計，以實現體積較小、輸出較大的要求[1]。

1 完善設計理論概述

依據相關的理論知識可以取得三相異步電機的等效電路圖，如圖1所示。

圖1 三相異步電機的T型等效電路圖

根據圖1 可以計算出三相異步電機的方程組，從而得到轉矩計算式為：

式中：U 為電機所承受的外界電壓；p為截割電機所具有的極數；R為定子繞組存在的電阻數值；R2′為由R值擴展為電機的電源頻率；X為定子繞組的電抗值；X2′為轉子繞組的漏抗值。

根據式（1）可以發現，如果要使啟動及最大兩個轉矩的數值不斷提升，最合理的辦法就是減小轉子的漏抗值。通過相關分析，促使最大轉矩值得以提升的關鍵渠道就是對啟動電流加以抑制，運用雙籠轉子來有效處理上述問題。因此，本文主要針對雙籠轉子來進行研究[2]。

通過下式可以對截割電機所具有的各個參數進行計算：

式中：Dil為定子的內徑；lcf為定子鐵芯的最佳長度；ap′為極弧系數；Kwm為氣隙磁場所具有的波形系數；Kdpl為定子繞組的基波系數；A為電荷載；Bδ為最大的氣隙磁密數值；p′為截割電機的理論功率；n為電機的轉速。

根據式（2）可知，當截割電機保持相同的輸出扭矩時，如果想要降低電機的尺寸，就必須提高A 和Bδ這兩個參數。其中，從理論上講，如果要轉變熱負荷的極限值，可以運用各個水冷形式來實現，如表1所示。

根據表1 可以發現，在具體應用的過程中可以利用充液及定子外兩種水冷方式來增加熱負荷的極限值。

表1 截割電機的熱負荷極限值

另外，也可以通過氣隙的密度來適當調整電機的尺寸，如圖2所示。通過分析可知，當磁密的數值維持在B2范圍之內，隨著電機使用效率的不斷增高，其尺寸將會越??；當磁密的數值維持在B3范圍之內，盡管可以使電機的尺寸得到有效降低，但卻不具備較高的過載水平，即不具備較強的穩定性。因此，可以將磁密的數值設定在B2的區域之內[3]。

圖2 電機硅鋼片磁化特性曲線

2 截割電機水冷結構完善設計

截割電機最主要的指標就是“體積較小”。為了使截割電機所具有的體積盡可能減小，本文采取優化冷卻的形式來完成截割電機的冷卻，從而使該電機的電負荷水平得以提升。通過分析各類資料可知，在對截割電機進行冷卻時，水冷卻是最有效的一種方法[4]。因此，可將傳統的冷卻結構改良為水冷卻形式，如圖3所示。

圖3 截割電機水冷卻的結構圖

水冷卻的形式主要有定子外水冷、軸水冷等。在實際運用過程中，通道運用以上這些方式，其中各個形式的熱負荷極值如表1所示。

根據電機的結構可知，其機座可以采取水冷卻的方法，具有較高的可行性，內部難以出現進水；端蓋運用水冷卻的形式，由于其水路出現了并聯及串聯的原因，因此水路過差，從而導致可靠性較低；軸子采取水冷卻的方法，因其轉子屬于轉動零件，這就要求電機具備更高的密封性[5]。通過以上所開展的研究，截割電機在完成改良之后主要運用單端水冷卻的形式，其構造如圖4所示。通過運用這種水冷卻的形式，不僅可以將電機內部存在的密封結構進行縮減，而且可以提升電機運行的可靠性[4]。

圖4 單端水冷卻形式的構造圖

此外，除了上述所研究的方法之外，電機在經過改良之后，可以運用定子外水冷卻的形式。流程如下：將相應的液體沖到電機，這種液體可以與電機繞軸、轉子等進行直接接觸，從而使截割電機具備較高的熱負荷極限值，其構造圖如圖5所示。采用這種結構的水冷卻方式，除了要求其具備更高的密封性能之外，還應當配置相應的觀察窗口、補充口等等[6]。

圖5 充液冷卻結構示意圖

3 組合結構改良設計

對各個結構進行組合運用的目的在于減小電機的體積，這里所闡述的組合結構主要是將截割電機的局部與采煤機形成一個整體[7]，其構造如圖6所示。通過運用圖中的結構，其機座可以被分為兩個部分，一是與其整體的框架形成連接；二是涵蓋了隔爆腔體等構造。根據以上這些結構，不僅可以增強電機的防爆性，而且可以使電機分別具有獨立的機械及電器性能[8]。

圖6 采煤機截割電機的組合結構

4 結束語

為了使采煤機運行具備較強的穩定性，必須確保截割電機的正常運行，這也是保證工作面開采效率的基礎。經過相關理論研究，通過對水冷卻結構進行改良和設計出組合式電機，可以使截割電機的負荷水平得到極大提升。將本方案（ZB2D-111 型采煤機可以運用水套冷卻的形式，同時將該設備的整體框架與其外部框架可形成一個整體）運用到實際生產中，取得了較好的效果。