刮板輸送機防爆變頻電機的電磁設計及結構設計

靳宇峰

（長治職業技術學院 山西省長治市 046000）

當前，國內在鐵路機車最常用的電機是變頻調速電動機，在礦用防爆電機領域采用皮帶輸送機電機或者水泵、風機等變頻電機，但是在刮板輸送機方面，還沒有較為成熟的電機，其應用領域與使用范圍也較為空白。本文根據實際要求，對一臺400kW 的刮板輸送機防爆變頻電機進行電磁設計及結構設計，使其可以在水泵、絞車等場合都能夠得到廣泛應用，簡單介紹如下。

1 電機參數設置

電機參數如表1 所示。

該防爆變頻電動機適用于煤礦井下，對工作面刮板輸送機進行輔助，與負荷相類似。該電機的起動與運動特性較為特殊，與傳統的供電方式不同，異步電動機直接起動，降壓起動的方式為自動。變頻調速電機主要是通過控制轉子電流不變的方式進行起動，其工作原理是電機在低頻低壓霞起動的話[2]，電抗小，電流小，相對的磁通和電流的有功分量會適當增加，電機會獲取更大的起動轉矩，在最大的轉矩作用下完成起動；其過載能力，需要將其過載系數設置為1.15～1.25，對變頻調速異步牽引電動機而言，在額定電壓和額定頻率的狀態下可以將過載系數設置為1.6～2.5，過載系數最高不可以超過1.3。如果是其他類型的負載[3]，在實際工作的過程中需要根據負載的性質確定電機是否有足夠的過載能力進行處理，只有這樣，才能實現對刮板輸送機防爆變頻電機的科學設計，為進一步提高該變頻電機的運行性能，滿足工程施工需求創造良好的條件。

2 電磁設計

2.1 電機極數確定

該項目是對煤礦井下刮板輸送機的驅動系統進行創新的新項目，總體設計較為特殊。原有的電機通過調速型液力偶合器進行調速后，確定電機為4 極。考慮到一個重要的因素，就是在進行備選方案設計時，該項目是第一次開發，結合了變頻器與電機，在煤礦井下這種高復雜的工作環境下，測試變頻器是否可以承受的住煤礦井下的易爆、高溫環境[4]。因此，一旦變頻器出現問題，立即將變頻器舍棄，讓電機可以保持正常的4 極運行，確保煤礦的正常生產。

2.2 電、磁負荷與氣隙設計

確定好電機的級數后，確定電機的定子沖片內外徑，Φ650mm、Φ420mm 是本次項目設計的電機定子沖片參數，鐵心長度為470mm，與同功率非變頻電機的鐵心長度相同。當電機的轉子沖片內徑超過Φ190mm，不會因為轉矩的沖擊引起掃膛[5]，不需要可以加大氣隙。本項目的電機負荷結果為1600Acm，比一般的非變頻機座水冷刮板輸送機的電機負荷低。

2.3 繞組與槽形設計

表1：防爆變頻電機技術參數[1]

為了增加漏電抗性，將定子槽形設計的又窄又深，根據煤炭行業的標準MT478-1996 的要求，電機的起動轉矩要達到2 倍以上才可。雖然本項目的電機為變頻電機，可以完成恒轉矩起動，但是要考慮到實際的工作環境能夠以及備選方案設計[6]，盡量將轉子槽形設計成雙籠（圖1），提高電機的起動轉矩。BVF-400 電機設計指標與MT478-1996 標準指標值如表2 所示。

表2：YBVF-400 電機設計指標與MT478-1996 標準指標對照表

3 結構設計

防爆變頻器有一個非常明顯的特點，就是將電機與變頻器合成為一個整體，安裝方便，便于用戶的使用。該電機的安裝方式采用法蘭聯結，電機的上部、后部是電控箱，主要作用在變頻控制系統中。在電機的左右兩側，電機的殼體與電控箱之間有凹槽，進線安裝可以放在凹槽中，防止使用或者運輸過程中產生的損壞，以達到延長防爆變頻器使用壽命的目的。

3.1 絕緣設計

定子線圈引進國外FCR 耐電暈薄膜燒結線，其優勢是耐電暈效果好，是當前電機絕緣設計中較為優質的電磁線，非常使用于條件惡劣的環境中[5]。云母帶采用聚酰亞胺薄膜，該薄膜結構優質，與云母結合后，不僅具備良好的耐電暈效果[7]，而且電氣的性能較好，耐熱溫度高于H 級。在6kV 電機絕緣結構的基礎上適當進行絕緣改進，可以讓耐熱等級效果更好，根據電磁的實際反應情況，此種設計可以保證電機的結構最佳，性能最好。繞組綁扎采用的書雙端箍結構，出槽口部位采用環氧石英砂進行固定，相鄰的線圈主要采用薄型環氧英砂墊進行固定，經過浸漆后端部整體性能好，不僅可以防止電機起動所引起的損傷，還可以減弱變頻電源所引起的高頻振動對絕緣所產生的傷害。

3.2 機座設計

機座設計主要分為三個部分，外層水道、外層水道以及法蘭焊接，水道結構主要通過調整水道的寬度和高度，降低水阻，在低水壓的條件下保證水流量可以達到要求，降低電機的溫度。電機采用的安裝方式為B10，該改裝方式相當于一種懸臂，當刮板運輸機在運動的過程中產生的振動越大，對機座的外水套以及法蘭焊縫就越考驗。因此，在機座的內外徑不相同時，可以適當增加外水套的厚度，采用強度較高的鋼板進行安裝，增加焊縫的高度，在法蘭與外水套之間增加支撐筋，焊接工藝要專業，這樣可以提高焊機的質量，增加機座的強度。通過仿真軟件對機座進行模態分析，結果顯示機座的結構可以大大的滿足強度的要求，機座的固有頻率也能夠達到標準的電機工作頻率，且在運行的過程中不會產生較大的電機振動，消除了安全隱患。

3.3 轉子設計

轉子設計不同于一般的結構設計，在進行轉子設計時，采用單籠銅條轉子結構進行安裝可以防止轉子的軸向發生攢動，利用轉子的壓圈固定，對導條和沖片槽進行設計，兩端嵌入端環中，采用銀銅焊接的方式與導條焊接，降低繞組的溫度，并在繞組的兩側增加兩個風扇，通過風扇增加轉子平衡。轉軸采用抗拉強度高的方式進行處理，提高軸的強度，防止頻繁過載而發生斷裂。

3.4 軸承設計

如果軸承發生損壞，主要的因素是由于軸承的游隙在運行過程中受到膨脹，導致軸承的溫度迅速升高，出現這種問題后需要立即采取措施解決。在兩端的端蓋上采用冷水，獨立的進出水口，可以降低軸溫，經過驗證后進行分析，當一臺電機的軸承溫度超過100度，采用水冷端蓋方案后可以將溫度降低到60 度。前后的軸承采用耐磨性能好大游隙軸承，可以更好的控制軸承室，最大可能的減小摩擦。

4 實際應用情況分析

4.1 工作面概況

某煤電公司煤礦設計生產能力達到了399 萬t/a，所使用的工作面型號為14309，工作面主要位于井田邊界線處，其傾角為4°左右，傾向長度達到220m，開采厚度在3.1m 以上，直線結構均屬于砂巖結構，其厚度達到了6.9m，對于直接底結構而言，其厚度達到了3.7m。

4.2 板輸送機設備配套變頻電機控制概況

在進行工作面開采作業中，需要加強對刮板輸送機防爆變頻電機的控制，以保證隔煤的安全性，同時，還要做好對變頻電機運轉速率的調整和優化，確保電動機能夠可靠、穩定、安全地運行。本文所設計的變頻電機，主要利用了變頻雙回路方式，并在不同回路中，各自運行，而變頻回路的設計目的是為了確保該變頻電機在實際的運行中，可以自動調節和控制刮板輸送機的運行速率，以實現對電動機功率的有效平衡。此外，還要做好對刮板輸送機的調試，確保該設備運行的正常性和穩定性。另外，還要加強對相關保護裝置的設置，確保變頻電機在不同的回路之間能更快速地切換，通過將變頻電機與電抗器裝置進行有效結合，可以實現對刮板輸送機防爆變頻電機運行狀態的實施監控和調節。最后，還要將隔爆電度表箱安裝在變頻電機裝置上，從而實現對變頻電機內部電流、功率等參數的實時檢測和控制，然后，借助刮板輸送機，得出變頻電機裝置調控使用后的節能效果。由于該變頻電機是在空載狀態下運行的，因此，鏈條轉速率相對較低，縮小了變頻電機設備之間的摩擦力，有效地延長了變頻電機各個部件的使用壽命，因此，所獲得的節能降耗效果極佳。總之，應用實踐結果表明：通過應用該變頻電機，取得了理想的節能降耗效果。

5 結束語

在變頻電機設計過程中，電力電子技術為變頻電機的發展奠定了基礎，三相異步電機的變頻調速傳動在實際應用中，比直流電機調速傳動更加具有優勢，單機在容量方面不受限制，體積小，方便安裝與使用，在轉動慣量方面量較小，響應好，節能佳。結合刮板機的實際工況，充分考慮額定點的數據，可以更快的進行方案確定，保證工程的有效運行。