煤矿采煤机截割电机优化设计

罗 怡

（同煤集团马脊梁矿，山西大同 037003）

0 引言

近些年来，中国煤炭行业取得了较快发展，这一发展得益于综采工作面所具有的开采效率，而开采效率的日益提升则依托于各个大型设备的正常运行及紧密配合。在开采过程中，采煤机是最主要的设备，该设备是否可以稳定运行，将对作业面进行的开采作业造成影响。其中，截割电机是确保采煤机有效运行的关键动力。因此，为了使工作面开展的开采作业具备较高的效率，必须保证截割电机的运行性能。

由于综采工作面的生产环境较为恶劣，对截割电机的性能提出了更高的要求，且与地面各个设备的电机存在较大区别。其最核心的是保证采煤机电机具备较强的抗振动、耐潮湿性能，可以在一些危险环境下运行，其外形的尺寸参数必须尽可能小，以保证其可以顺应作业面的恶劣状况。目前，中国所采用的截割电机的体积过于庞大，并且输出水平较差，必须进行优化设计，以实现体积较小、输出较大的要求[1]。

1 完善设计理论概述

依据相关的理论知识可以取得三相异步电机的等效电路图，如图1所示。

图1 三相异步电机的T型等效电路图

根据图1 可以计算出三相异步电机的方程组，从而得到转矩计算式为：

式中：U 为电机所承受的外界电压；p为截割电机所具有的极数；R为定子绕组存在的电阻数值；R2′为由R值扩展为电机的电源频率；X为定子绕组的电抗值；X2′为转子绕组的漏抗值。

根据式（1）可以发现，如果要使启动及最大两个转矩的数值不断提升，最合理的办法就是减小转子的漏抗值。通过相关分析，促使最大转矩值得以提升的关键渠道就是对启动电流加以抑制，运用双笼转子来有效处理上述问题。因此，本文主要针对双笼转子来进行研究[2]。

通过下式可以对截割电机所具有的各个参数进行计算：

式中：Dil为定子的内径；lcf为定子铁芯的最佳长度；ap′为极弧系数；Kwm为气隙磁场所具有的波形系数；Kdpl为定子绕组的基波系数；A为电荷载；Bδ为最大的气隙磁密数值；p′为截割电机的理论功率；n为电机的转速。

根据式（2）可知，当截割电机保持相同的输出扭矩时，如果想要降低电机的尺寸，就必须提高A 和Bδ这两个参数。其中，从理论上讲，如果要转变热负荷的极限值，可以运用各个水冷形式来实现，如表1所示。

根据表1 可以发现，在具体应用的过程中可以利用充液及定子外两种水冷方式来增加热负荷的极限值。

表1 截割电机的热负荷极限值

另外，也可以通过气隙的密度来适当调整电机的尺寸，如图2所示。通过分析可知，当磁密的数值维持在B2范围之内，随着电机使用效率的不断增高，其尺寸将会越小；当磁密的数值维持在B3范围之内，尽管可以使电机的尺寸得到有效降低，但却不具备较高的过载水平，即不具备较强的稳定性。因此，可以将磁密的数值设定在B2的区域之内[3]。

图2 电机硅钢片磁化特性曲线

2 截割电机水冷结构完善设计

截割电机最主要的指标就是“体积较小”。为了使截割电机所具有的体积尽可能减小，本文采取优化冷却的形式来完成截割电机的冷却，从而使该电机的电负荷水平得以提升。通过分析各类资料可知，在对截割电机进行冷却时，水冷却是最有效的一种方法[4]。因此，可将传统的冷却结构改良为水冷却形式，如图3所示。

图3 截割电机水冷却的结构图

水冷却的形式主要有定子外水冷、轴水冷等。在实际运用过程中，通道运用以上这些方式，其中各个形式的热负荷极值如表1所示。

根据电机的结构可知，其机座可以采取水冷却的方法，具有较高的可行性，内部难以出现进水；端盖运用水冷却的形式，由于其水路出现了并联及串联的原因，因此水路过差，从而导致可靠性较低；轴子采取水冷却的方法，因其转子属于转动零件，这就要求电机具备更高的密封性[5]。通过以上所开展的研究，截割电机在完成改良之后主要运用单端水冷却的形式，其构造如图4所示。通过运用这种水冷却的形式，不仅可以将电机内部存在的密封结构进行缩减，而且可以提升电机运行的可靠性[4]。

图4 单端水冷却形式的构造图

此外，除了上述所研究的方法之外，电机在经过改良之后，可以运用定子外水冷却的形式。流程如下：将相应的液体冲到电机，这种液体可以与电机绕轴、转子等进行直接接触，从而使截割电机具备较高的热负荷极限值，其构造图如图5所示。采用这种结构的水冷却方式，除了要求其具备更高的密封性能之外，还应当配置相应的观察窗口、补充口等等[6]。

图5 充液冷却结构示意图

3 组合结构改良设计

对各个结构进行组合运用的目的在于减小电机的体积，这里所阐述的组合结构主要是将截割电机的局部与采煤机形成一个整体[7]，其构造如图6所示。通过运用图中的结构，其机座可以被分为两个部分，一是与其整体的框架形成连接；二是涵盖了隔爆腔体等构造。根据以上这些结构，不仅可以增强电机的防爆性，而且可以使电机分别具有独立的机械及电器性能[8]。

图6 采煤机截割电机的组合结构

4 结束语

为了使采煤机运行具备较强的稳定性，必须确保截割电机的正常运行，这也是保证工作面开采效率的基础。经过相关理论研究，通过对水冷却结构进行改良和设计出组合式电机，可以使截割电机的负荷水平得到极大提升。将本方案（ZB2D-111 型采煤机可以运用水套冷却的形式，同时将该设备的整体框架与其外部框架可形成一个整体）运用到实际生产中，取得了较好的效果。