隔爆型三相异步电动机的优化设计

孙梅

[摘    要 ]采煤机在采煤作业过程中，面临着自身性能不足、损耗过大、发热较高、散热不足等问题，再加之井下作业环境空间封闭、空气中混合爆炸气体、潮湿等易爆复杂问题，需对隔爆型三相异步电动机进行优化设计。针对上述问题，对电动机的电磁部分以及结构部分进行优化。通过理论实践、样机测试，确保在此优化方案下，性能良好，提高采煤产出率，避免爆炸等安全事故，使用广泛应用于综合机械煤矿井下采集，为相关企业提供解决思路。

[关键词]隔爆型采煤机;三相异步电动机;采煤隔爆;优化设计

[中图分类号]TD724[文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）08–00–03

Optimization Design of Flameproof Three Phase Asynchronous Motor

Sun Mei

[Abstract]In the process of coal mining， shearer is faced with the problems of insufficient performance， excessive loss， high heating and insufficient heat dissipation. In addition， the underground working environment is closed， mixed explosive gas in the air， humidity and other explosive complex problems， so it is necessary to optimize the design of flameproof three-phase asynchronous motor. In view of the above problems， the electromagnetic part and structure part of the motor are optimized. Through theoretical practice and prototype test， it is ensured that under the optimized scheme， the performance is good， the coal mining output rate is improved， and the safety accidents such as explosion are avoided. It is widely used in underground collection of comprehensive mechanical coal mine， providing solutions for related enterprises.

[Keywords]Flameproof shearer; three phase asynchronous motor; coal mining flameproof; optimization design

在傳统采煤环境中，井下的开采空间有限，施工环境相对潮湿、封闭，使得采煤机工作时面临的情景更加复杂，普通采煤用电动机在工作，常常因为发热及散热不充分，引发一系列安全问题以及工具损耗过快等现象[1]。因此，针对内外部的困扰，优化设计采煤用的隔爆型三相异步电动机，在结构设计上，由于和电控箱一体安装，在完整壳体周围安装三相异步电动机、连接箱体以及电控箱体。一体化的设计避免了因潮湿等情况引发的安全问题，同时考虑到作业空间有限，设计的机身体积，使得电动机有足够的强度承受爆炸等极端情况。总而言之，优化设计后的电动机加大采煤产出率高，体积适中方便井下作业，广泛应用于综合机械化开采使用。

1 隔爆型三相异步电动机使用环境及优化思路

在传统采煤机工作环境时，作业环境较差，在井下通常是在比较窄小、湿度较高的空间中作业，开采环境条件恶劣。采煤机工作时聚热而不易散热，空气湿度较大，积水较多，再加之在井下作业，空气中含有大量的瓦斯、煤气等混合气体，当气体浓度达到一定程度，非常容易发生爆炸事故。

对于其所处的环境，在设计制造采煤用的电动机的时候，应从以下几点解决：首先电机在长时间的作业下，会有发热问题，应当防止机身高温损害零件，并且提高散热效率，其次若发生爆炸，电动机的外壳必须坚硬，防爆性能好、防护等级高，即使发生爆炸这样的极端环境下，依旧能够抵抗冲击，防止外壳炸裂飞溅从而引起事故的二次伤害。

针对以上问题，现在采取的隔爆型三相异步电动机是对普通电动机的优化设计，主要包括以下角度：对电磁的优化、对电机材料、制造结构、以及冷却系统的优化。从这4个方面进行改良后，能够达到的理想效果是：首先是能够提高电机的工作效率，能耗减少的同时增加电机本身的过载能力，减少了磨损的同时延长使用时间，更重要的是加强了冷却效果，在井下作业时，既能够优化性能提高矿井生产效率，同时提高了安全系数。同时，需要提出的是，电机结构应当按照用户的需求，定制以适应具体要求，图1展示了YBKD7.5-4 7.5 kW 34V 5～140 Hz电机外形，此图为优化后的电机图实例，具体优化思路如下。

2 电磁部分优化设计

在电动机优化设计过程中，很重要的一个环节就是对电磁部分的优化。电动机正常投入使用，其各项性能指标需满足生产要求，并且在作业过程中有较强的适应性，建立在电磁性能指标优化设计的基础上[2]。电磁部分的设计优化中的计算部分，利用了哈尔滨工业大学开发的异步电动机计算程序软件;另外在分析电磁场的暂态与稳态，主要使用的电磁计算机软件是美国开发的ANSOFT。

依据电磁设计原理，选取了以下参数：通风道的数量、槽型、槽配合零件、电磁铁心长、节距以及冲片材质的确定等等。再配合以上参数设计时能够保证电动机的转矩倍数、电流倍数、效率、功率因数等达到标准。此外，还需要在标准基础上保留空余，这样，电动机即使在比较复杂且极端的临界条件依然可以正常运行作业。

此外，对电动机的指标性能做了优化设计，使其既能够符合安装尺寸标准，又能高于相关的行业标准。首先，从上文中提到的外部高温环境作业问题出发，计算机结合其发热、散热的特点，模拟分析温度场，模拟结果又能够指导电动机热源分布以及散热情况的优化设计改进，能够在不消耗过多材料与时间下避免高温危險的出现。

理论上，根据电动机功率的大小，以1000 kW为分界线，定子铁线圈采用不同的绕组方式：1000 kW以下，采用散绕组方式;超过1000 kW采用成型绕组、模压下线的方式;需要注意的是，有的电动机功率超过200 kW在1000 kW以下、电压等级为1140 V的电动机，采用的方式为模压下线、成型绕组的方式。但在实际操作的过程中，需考虑的方面为：①由于电动机体积大小绕组的长短受到了影响，需解决接线困难、不宜进行检修等人工操作。②考虑其绝缘性能，在进行绕组前，线圈需采用VPI浸渍处理，绕组的绝缘等级应为H级，这样在防潮、绝缘性能的加持下，线圈绕组会更加安全。③确定材质，特别是使用过程中的转子槽形、端环以及导条，依据电动机的功率不同，采用的转子材质也不同：功率小于100 kW，采用铸铝转子;大于100 kW时，则采用双鼠笼铜条转子。铜条转子的主要材质为内部采用紫铜、外部采用锰黄铜，端环使用纯铜锻件加工，确保轴与转子冲片间的间隙距离为0.03～0.10 mm。

3 结构优化设计

3.1 基座结构

电动机在井下作业时，自身的功率较大，发热情况比较严重，加之井下作业环境封闭不易散热。先前的冷却系统采用的是空气冷却结构，在急速的升温下散热效能并不好，增加了电动机的能耗和损坏同时也增加了爆炸的风险[3]。为延长使用寿命且更安全，可对原先传统的冷却结构改变——将空气冷却结构置换为水冷却结构。具体操作为将冷却水注入基座的底部，冷却水在基座中不断循环使得电动机降温散热，电动机内部始终维持在安全温度之下。而水冷却系统中存在水体流出等安全隐患，可以通过内外双层水套解决。机身的结构为强度比较大且不易变形的钢板，因此冷却系统相对比较安全。具体如图2部分设计，基座的底部两端部分配备了防爆呼吸排水阀，单向结构且紧固螺栓电机外壳外侧与端盖均布的六搭子得以可靠联接，双层水套中，内层水套采取轴流式，冷却水道被均分为12等，在对应位置处增设开孔，内外水套之间留有空隙，盈余空间在0.41 mm，多道工序的保护下，即使是发生水套过热膨胀，也不会使坚硬耐磨的外套变形膨胀，只会在孔隙处挡水条塞焊，冷却系统强度得以保障，提高安全性、延长使用寿命。

3.2 端盖结构

为进一步提高冷却效果，对端盖结构也进行了优化设计——采用水冷却钢板焊接结构（图2）。冷却效果进一步提升，散热性能好，延长了其他零部件，如滚动轴承的使用寿命，间接减少了更换与维修。另外，在安全方面，使用的是严格设计后的橡胶型密封圈，保证了端盖进水口与基座之间的密封效果。

3.3 转轴结构

转轴结构极其重要，在电动及运行过程中，轴承结构的断裂或者问题必然引发机器的故障及危险。对此部分结构的优化，主要从轴的强度以及刚性方面改进。隔爆型三相异步电动机使用的材质为40CrNiMo的花轴键，硬度比较高，特别是经过淬火加工后，HRC为45以上。该类花键轴强度高、韧性好，更是领先于其他合金钢的淬透性能以及抗热性能。为进一步加固，在转轴的两端骨架油封处镶嵌淬火后硬度（HRC）达到45以上的轴套，这样电动机就能稳定运行且符合机械强度标准。

3.4 轴承结构

轴承结构主要问题是电动机使用时间过长，轴承会在不断的摩擦中不可避免地有一定程度的损坏。在优化设计的过程中可以采用圆柱滚子轴承，除了结构方面的优化，使用的材质也要进一步优化，严格把控其优质质量，这样可以在使用寿命以及使用效率上获得平衡，满足使用需求。

4 优化结果分析

参照设计方案对传统电动机进行改造后，对改造完成后的样机进行跟踪实验并对各参数进行记录分析。从分析结果上看：优化改良过后的电动机节能高效，堵转电流小、转矩高，使得电动机在工作时能负荷强度增大，解决了电动机的发热问题，另一方面水冷却系统的使用，散热性能明显提高。不仅从源头上解决电动机发热及散热不良的问题，增强其防护强度，同时能够在一定程度上延缓机器的损耗以及延长使用寿命，投入采煤生产后，生产效率大大提高。

5 结束语

上述优化设计方案是切实可行的，并且在实际效果中展示了采煤用隔爆型三相异步电动车性能确实得到了提升如表1，通过在工作频率10～140 Hz方面的测试，可知，优化后的电动机可以正常使用，同时解决了在下井作业时的问题，解决了发热散热问题，加固了机械强度以及防爆防护程度，使得电动机的运转达到基本要求，另外能用更少的能源消耗提升工作效率，从安全性、实用性方面获得双优化改进成功。

参考文献

[1] 李秀芳，刘思敬.浅谈煤矿井下电动汽车用隔爆型三相交流异步电动机的设计[J].电气防爆，2011（4）：16-20.

[2] 肖红，何惠明，殷少康.YB2中大型高压隔爆三相异步电动机的优化设计[J].电机技术，2014（3）：40-45.

[3] 肖立民，曹汉春.煤矿阀门电动装置用隔爆型三相异步电动机的设计特点[J].电气防爆，2012（4）：15-17.

[4] 沈鑫.煤矿隔爆型三相异步电动机的优化设计[J].机械管理开发，2019，34（3）：27-28，210.

[5] 田儒彰.煤矿带式高压隔爆型三相异步电动机的应用[J].防爆电机，2015，50（5）：35-39.