浅谈大容量输送机用隔爆型变频水冷三相异步电动机的设计

王天锋等

摘要： 本文对大容量输送机用隔爆型变频水冷三相异步电动机的电磁设计、结构设计、防爆安全性等方面进行了简单介绍，并简述了变频电机轴电流的产生及预防方法，其结构合理，外观漂亮，具有较好的社会效益和企业经济效益。

Abstract： This paper introduces the electromagnetic design， structural design， explosion-proof security and other aspects of the flameproof frequency conversion water-cooled three-phase asynchronous motor of the large capacity conveyor， and simply expounds the production and prevention methods of electric currents of frequency conversion motor shaft. The structure of it is reasonable， appearance is beautiful， and it has good social benefit and enterprise economic benefits.

关键词：变频水冷；电机设计；隔爆安全性

Key words： frequency hydrocooling；electric machine design；explosion-proof security

中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）28-0174-03

0 引言

我国煤炭高产高效矿井开采技术正朝向“一井一面年产千万吨”方向发展，综采设备功率逐渐增大，促使电动机单机容量功率越来越大。目前，国外刮板机用电动机单机功率达到了1200kW，皮带机用输送机用电动机单机功率达到了1850kW。国内电动机只有抚顺电机厂的输送机用电动机单机功率达到了1600kW，但也在神东公司出现了绕组烧毁的现象。且现有国内电动机与当今世界发达国家相比，从外观、结构、性能上存在着相当大的差距，难以适应现代煤矿行业形势发展的需要。因此，南阳防爆集团股份有限公司结合在煤专、大功率隔爆电机、高压电机领域的设计、工艺、分析、制造、试验等方便的优势，及国内其他煤专电机厂大功率煤专电机的结构特点，自主研制开发了大容量输送机用隔爆型变频水冷三相异步电动机，以满足国内外市场需要。

YBSS-1600-4 1600kW 3300V是为神华集团神东公司使用的煤矿大功率刮板输送机设备开发的专用电动机，可用于替代英国摩利（MORLEY）的HXW95产品，是目前世界上最大的刮板机电机，并且采用变频器供电，难度很大。在电磁设计、结构设计过程中，对电磁方案进行了有限元仿真分析，利用ANSYS软件对机座结构和转轴进行模态分析，以下简单介绍其设计过程。

1 设计要点

1.1 电磁设计

变频调速电机可以在低频低压下起动，电机可获得较大的起动转矩。因此电磁设计可不考虑起动转矩，但要求有较高的最大转矩，且要求转子电阻较小，漏抗较小。水冷电机靠近机壳部分散热条件好，转子部分散热条件差，需适当增加轭部磁密，增大转子导条截面积，采用电阻率较低的导条和端环材质，降低转子损耗；定子采用窄而深的槽形，以增大定子线圈导线截面，可以降低定子铜耗；转子槽形采用单笼铜条转子。考虑以上因素，该电机设计热负荷2075，定子齿部磁密12759，铁耗12727，最大转矩倍数2.4。

为避免出现局部过热的情况，提高电机可靠性，对电磁方案进行了有限元仿真，对定子槽口、齿顶等危险区域的磁密、损耗进行校核。有限元分析结果如图1-图4。

1.2 整体结构设计

1.2.1 绝缘结构设计

定子线圈采用进口杜邦公司的FCR耐电晕薄膜烧结线，该电磁线具有优异的耐电晕性能，是目前世界上最优质的电磁线，非常适合煤专电机恶劣的运行环境。云母带采用聚酰亚胺薄膜补强少胶云母带，聚酰亚胺薄膜为优质耐电晕薄膜，与云母复合后，不仅耐电晕性能好，而且电气性能优良，其耐热温度远高于H级。绝缘结构在6kV电机绝缘结构基础上适当减薄绝缘，耐热等级更高，结合电磁计算，做到结构最优，性能最优。

绕组绑扎采用绕组端部双端箍结构，出槽口部位采用环氧石英砂垫块外包聚酯粘固定，相邻线圈采用薄型环氧英砂垫块外包聚酯粘固定，经浸漆后端部有较好的整体性能，一方面能够避免电机起动由于起动电流过大引起的较强的磁拉力对绝缘带来的损伤，另一方面也能减弱由于变频电源存在的高次谐波在绕组端部引起的高频振动而对绝缘产生的损伤，延长绝缘寿命。

1.2.2 机座设计

机座采用内、外层水道和法兰整体焊接结构，采用轴流式水道结构，该水道结构通过调整水道的宽度、高度、数量以及挡水条的宽度，可使水阻较低，在最低的水压下也能达到水流量的要求，有效降低电机温度。电机采用B10安装，重量较重，整个结构相当于一种悬臂结构，而刮板运输机在运行过程中振动也较大，这对机座外水套及外水套与法兰之间的焊缝是个极大的考验。因此在机座内外径不变的情况下，采用适当加大外水套厚度，减小内水套厚度，并采用强度较高的Q345钢板，加高焊缝高度，在法兰与外水套间增加8均布的支撑筋，并采用特殊的焊接工艺，提高焊接质量，增大机座强度。经过ANSYS软件对机座进行模态分析，机座结构能够满足强度要求，并且机座的固有频率要远高于电机的工作频率，运行时不会由于共振而带来电机振动，不存在安全隐患。

1.2.3 转子设计

转子采用单笼铜条转子结构，为防止转子轴向窜动，采用转子压圈固定配合，导条按与冲片槽配合间隙0.3（双边）设计，两端嵌入端环中，采用银铜焊接方式将导条与端环焊牢。为降低绕组端部温升，两端增加两个内风扇，通过风扇键与转轴连接，且在风扇上增加平衡环，平衡环上可焊接平衡块，用于转子平衡。转轴采用抗拉强度更高的40Cr，并且调质处理，提高轴的疲劳强度，防止因频繁过载而断裂。采用刚性轴设计，轴的临界转速超出最高转速1800r/min的30%以上，可靠性高。

1.2.4 轴承结构设计

轴承损坏的主要原因是由轴承游隙在运行中受热膨胀而引起的轴承温度高，这也是困扰煤矿大容量输送机设计的一个难题。目前，采用以下措施来解决这一问题。首先是两端的端盖均采用水冷端盖，前后端盖都采用独立的进出水口（一进一出），可有效降低轴温，经验证分析：一台轴承温度在106度的电机，采用水冷端盖后，轴温可降到67度。其次，前后轴承均采用大游隙轴承，骨架油封采用耐磨性能好的氟橡胶材料，且按公司规范严格控制轴承室及轴承台的公差及轴上与骨架油封配合面公差，以保证配合间隙，减小摩擦损耗。

润滑脂采用TEMP90润滑脂，其具有很好的粘温特性、耐水淋性、抗腐蚀性，适合煤专电机的工况条件和环境条件。

1.2.5 电动机轴电流及解决措施

电动机磁路不对称而引起的低频轴电流可在右电动机转轴、轴承、端盖和电动机定子机座组成的导电性回路中产生交流感应电压，当此感应电压破坏轴承润滑剂的绝缘能力后，电流就会流过包括电动机前后轴承在内的回路。另外，变频器输出电压中的大量不对称的高次谐波，零序阻抗很小，可导致中性点电压不为零，进而使三相正弦电源不平衡而造成高频轴电流。轴电流破坏轴承的绝缘性能，腐蚀滚动轴承的滚动体和轴承内外套，进而影响电机性能。

可通过使用绝缘轴承来有效解决轴电流问题，但绝缘轴承价格太高，本电动机采用在风扇端的端盖和轴承内外盖上增加绝缘轴套的方法，即在电机端盖与轴承连接处增加绝缘轴套，并在轴承内外盖与轴承连接处增加绝缘板，其结构如图5所示。

1.3 防爆安全性设计

电机壳体所有零部件间的结合面均按GB3836.1-2010《爆炸性环境 第1部分：设备通用要求》和GB3836.2-2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》设计，主体外壳材质采用钢板Q345制造，机座、接线盒、端盖采用钢板焊接加固设计，具有较高的抗冲击、抗碰撞能力，轴承内盖等其余外壳零部件均采用不低于HT250的灰铸铁制成。电动机的外壳强度，组成外壳各零部件间的接合面间隙和宽度，以及限制外壳的表面温度不致达到危险温度是保证隔爆性能的关键条件，组成电动机隔爆外壳的零部件加工后，均执行GB3836.2的规定进行静压试验，以保证能承受最大内部爆炸压力。

1.4 型试结果

经以上的设计分析，该电机顺利制造完成，并在公司试验站进行型试试验，型试结果如下：效率：0.94；功率因数：0.85；堵转转矩倍数：1.85；最大转矩倍数：3.22；绕组温升：75k；轴承温度：55°/60°（轴伸端/风扇端）；空载噪声：106dB（A）；振动：2.2mm/s，机壳表面最高温度：72.6°，经判定，该电机满足行业标准要求。

2 结束语

大容量输送机用隔爆型三相异步电动机结合公司在煤专、大功率隔爆电机、高压电机领域的设计、工艺、分析、制造等方便的优势，及国内其他煤专电机厂大功率煤专电机的结构特点，现已研制成功，其外观漂亮，结构合理，其轴承温度、定子绕组温升、噪声、最大转矩等各项技术指标也全部符合国家规定，且其有很好的市场前景，具有较好的社会效益和企业经济效益。

参考文献：

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