淺談大容量輸送機用隔爆型變頻水冷三相異步電動機的設計

王天鋒等

摘要： 本文對大容量輸送機用隔爆型變頻水冷三相異步電動機的電磁設計、結構設計、防爆安全性等方面進行了簡單介紹，并簡述了變頻電機軸電流的產生及預防方法，其結構合理，外觀漂亮，具有較好的社會效益和企業經濟效益。

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.

關鍵詞：變頻水冷；電機設計；隔爆安全性

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

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）28-0174-03

0 引言

我國煤炭高產高效礦井開采技術正朝向“一井一面年產千萬噸”方向發展，綜采設備功率逐漸增大，促使電動機單機容量功率越來越大。目前，國外刮板機用電動機單機功率達到了1200kW，皮帶機用輸送機用電動機單機功率達到了1850kW。國內電動機只有撫順電機廠的輸送機用電動機單機功率達到了1600kW，但也在神東公司出現了繞組燒毀的現象。且現有國內電動機與當今世界發達國家相比，從外觀、結構、性能上存在著相當大的差距，難以適應現代煤礦行業形勢發展的需要。因此，南陽防爆集團股份有限公司結合在煤專、大功率隔爆電機、高壓電機領域的設計、工藝、分析、制造、試驗等方便的優勢，及國內其他煤專電機廠大功率煤專電機的結構特點，自主研制開發了大容量輸送機用隔爆型變頻水冷三相異步電動機，以滿足國內外市場需要。

YBSS-1600-4 1600kW 3300V是為神華集團神東公司使用的煤礦大功率刮板輸送機設備開發的專用電動機，可用于替代英國摩利（MORLEY）的HXW95產品，是目前世界上最大的刮板機電機，并且采用變頻器供電，難度很大。在電磁設計、結構設計過程中，對電磁方案進行了有限元仿真分析，利用ANSYS軟件對機座結構和轉軸進行模態分析，以下簡單介紹其設計過程。

1 設計要點

1.1 電磁設計

變頻調速電機可以在低頻低壓下起動，電機可獲得較大的起動轉矩。因此電磁設計可不考慮起動轉矩，但要求有較高的最大轉矩，且要求轉子電阻較小，漏抗較小。水冷電機靠近機殼部分散熱條件好，轉子部分散熱條件差，需適當增加軛部磁密，增大轉子導條截面積，采用電阻率較低的導條和端環材質，降低轉子損耗；定子采用窄而深的槽形，以增大定子線圈導線截面，可以降低定子銅耗；轉子槽形采用單籠銅條轉子?？紤]以上因素，該電機設計熱負荷2075，定子齒部磁密12759，鐵耗12727，最大轉矩倍數2.4。

為避免出現局部過熱的情況，提高電機可靠性，對電磁方案進行了有限元仿真，對定子槽口、齒頂等危險區域的磁密、損耗進行校核。有限元分析結果如圖1-圖4。

1.2 整體結構設計

1.2.1 絕緣結構設計

定子線圈采用進口杜邦公司的FCR耐電暈薄膜燒結線，該電磁線具有優異的耐電暈性能，是目前世界上最優質的電磁線，非常適合煤專電機惡劣的運行環境。云母帶采用聚酰亞胺薄膜補強少膠云母帶，聚酰亞胺薄膜為優質耐電暈薄膜，與云母復合后，不僅耐電暈性能好，而且電氣性能優良，其耐熱溫度遠高于H級。絕緣結構在6kV電機絕緣結構基礎上適當減薄絕緣，耐熱等級更高，結合電磁計算，做到結構最優，性能最優。

繞組綁扎采用繞組端部雙端箍結構，出槽口部位采用環氧石英砂墊塊外包聚酯粘固定，相鄰線圈采用薄型環氧英砂墊塊外包聚酯粘固定，經浸漆后端部有較好的整體性能，一方面能夠避免電機起動由于起動電流過大引起的較強的磁拉力對絕緣帶來的損傷，另一方面也能減弱由于變頻電源存在的高次諧波在繞組端部引起的高頻振動而對絕緣產生的損傷，延長絕緣壽命。

1.2.2 機座設計

機座采用內、外層水道和法蘭整體焊接結構，采用軸流式水道結構，該水道結構通過調整水道的寬度、高度、數量以及擋水條的寬度，可使水阻較低，在最低的水壓下也能達到水流量的要求，有效降低電機溫度。電機采用B10安裝，重量較重，整個結構相當于一種懸臂結構，而刮板運輸機在運行過程中振動也較大，這對機座外水套及外水套與法蘭之間的焊縫是個極大的考驗。因此在機座內外徑不變的情況下，采用適當加大外水套厚度，減小內水套厚度，并采用強度較高的Q345鋼板，加高焊縫高度，在法蘭與外水套間增加8均布的支撐筋，并采用特殊的焊接工藝，提高焊接質量，增大機座強度。經過ANSYS軟件對機座進行模態分析，機座結構能夠滿足強度要求，并且機座的固有頻率要遠高于電機的工作頻率，運行時不會由于共振而帶來電機振動，不存在安全隱患。

1.2.3 轉子設計

轉子采用單籠銅條轉子結構，為防止轉子軸向竄動，采用轉子壓圈固定配合，導條按與沖片槽配合間隙0.3（雙邊）設計，兩端嵌入端環中，采用銀銅焊接方式將導條與端環焊牢。為降低繞組端部溫升，兩端增加兩個內風扇，通過風扇鍵與轉軸連接，且在風扇上增加平衡環，平衡環上可焊接平衡塊，用于轉子平衡。轉軸采用抗拉強度更高的40Cr，并且調質處理，提高軸的疲勞強度，防止因頻繁過載而斷裂。采用剛性軸設計，軸的臨界轉速超出最高轉速1800r/min的30%以上，可靠性高。

1.2.4 軸承結構設計

軸承損壞的主要原因是由軸承游隙在運行中受熱膨脹而引起的軸承溫度高，這也是困擾煤礦大容量輸送機設計的一個難題。目前，采用以下措施來解決這一問題。首先是兩端的端蓋均采用水冷端蓋，前后端蓋都采用獨立的進出水口（一進一出），可有效降低軸溫，經驗證分析：一臺軸承溫度在106度的電機，采用水冷端蓋后，軸溫可降到67度。其次，前后軸承均采用大游隙軸承，骨架油封采用耐磨性能好的氟橡膠材料，且按公司規范嚴格控制軸承室及軸承臺的公差及軸上與骨架油封配合面公差，以保證配合間隙，減小摩擦損耗。

潤滑脂采用TEMP90潤滑脂，其具有很好的粘溫特性、耐水淋性、抗腐蝕性，適合煤專電機的工況條件和環境條件。

1.2.5 電動機軸電流及解決措施

電動機磁路不對稱而引起的低頻軸電流可在右電動機轉軸、軸承、端蓋和電動機定子機座組成的導電性回路中產生交流感應電壓，當此感應電壓破壞軸承潤滑劑的絕緣能力后，電流就會流過包括電動機前后軸承在內的回路。另外，變頻器輸出電壓中的大量不對稱的高次諧波，零序阻抗很小，可導致中性點電壓不為零，進而使三相正弦電源不平衡而造成高頻軸電流。軸電流破壞軸承的絕緣性能，腐蝕滾動軸承的滾動體和軸承內外套，進而影響電機性能。

可通過使用絕緣軸承來有效解決軸電流問題，但絕緣軸承價格太高，本電動機采用在風扇端的端蓋和軸承內外蓋上增加絕緣軸套的方法，即在電機端蓋與軸承連接處增加絕緣軸套，并在軸承內外蓋與軸承連接處增加絕緣板，其結構如圖5所示。

1.3 防爆安全性設計

電機殼體所有零部件間的結合面均按GB3836.1-2010《爆炸性環境 第1部分：設備通用要求》和GB3836.2-2010《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》設計，主體外殼材質采用鋼板Q345制造，機座、接線盒、端蓋采用鋼板焊接加固設計，具有較高的抗沖擊、抗碰撞能力，軸承內蓋等其余外殼零部件均采用不低于HT250的灰鑄鐵制成。電動機的外殼強度，組成外殼各零部件間的接合面間隙和寬度，以及限制外殼的表面溫度不致達到危險溫度是保證隔爆性能的關鍵條件，組成電動機隔爆外殼的零部件加工后，均執行GB3836.2的規定進行靜壓試驗，以保證能承受最大內部爆炸壓力。

1.4 型試結果

經以上的設計分析，該電機順利制造完成，并在公司試驗站進行型試試驗，型試結果如下：效率：0.94；功率因數：0.85；堵轉轉矩倍數：1.85；最大轉矩倍數：3.22；繞組溫升：75k；軸承溫度：55°/60°（軸伸端/風扇端）；空載噪聲：106dB（A）；振動：2.2mm/s，機殼表面最高溫度：72.6°，經判定，該電機滿足行業標準要求。

2 結束語

大容量輸送機用隔爆型三相異步電動機結合公司在煤專、大功率隔爆電機、高壓電機領域的設計、工藝、分析、制造等方便的優勢，及國內其他煤專電機廠大功率煤專電機的結構特點，現已研制成功，其外觀漂亮，結構合理，其軸承溫度、定子繞組溫升、噪聲、最大轉矩等各項技術指標也全部符合國家規定，且其有很好的市場前景，具有較好的社會效益和企業經濟效益。

參考文獻：

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