刮板输送机防爆变频电机的电磁设计及结构设计

靳宇峰

（长治职业技术学院 山西省长治市 046000）

当前，国内在铁路机车最常用的电机是变频调速电动机，在矿用防爆电机领域采用皮带输送机电机或者水泵、风机等变频电机，但是在刮板输送机方面，还没有较为成熟的电机，其应用领域与使用范围也较为空白。本文根据实际要求，对一台400kW 的刮板输送机防爆变频电机进行电磁设计及结构设计，使其可以在水泵、绞车等场合都能够得到广泛应用，简单介绍如下。

1 电机参数设置

电机参数如表1 所示。

该防爆变频电动机适用于煤矿井下，对工作面刮板输送机进行辅助，与负荷相类似。该电机的起动与运动特性较为特殊，与传统的供电方式不同，异步电动机直接起动，降压起动的方式为自动。变频调速电机主要是通过控制转子电流不变的方式进行起动，其工作原理是电机在低频低压霞起动的话[2]，电抗小，电流小，相对的磁通和电流的有功分量会适当增加，电机会获取更大的起动转矩，在最大的转矩作用下完成起动；其过载能力，需要将其过载系数设置为1.15～1.25，对变频调速异步牵引电动机而言，在额定电压和额定频率的状态下可以将过载系数设置为1.6～2.5，过载系数最高不可以超过1.3。如果是其他类型的负载[3]，在实际工作的过程中需要根据负载的性质确定电机是否有足够的过载能力进行处理，只有这样，才能实现对刮板输送机防爆变频电机的科学设计，为进一步提高该变频电机的运行性能，满足工程施工需求创造良好的条件。

2 电磁设计

2.1 电机极数确定

该项目是对煤矿井下刮板输送机的驱动系统进行创新的新项目，总体设计较为特殊。原有的电机通过调速型液力偶合器进行调速后，确定电机为4 极。考虑到一个重要的因素，就是在进行备选方案设计时，该项目是第一次开发，结合了变频器与电机，在煤矿井下这种高复杂的工作环境下，测试变频器是否可以承受的住煤矿井下的易爆、高温环境[4]。因此，一旦变频器出现问题，立即将变频器舍弃，让电机可以保持正常的4 极运行，确保煤矿的正常生产。

2.2 电、磁负荷与气隙设计

确定好电机的级数后，确定电机的定子冲片内外径，Φ650mm、Φ420mm 是本次项目设计的电机定子冲片参数，铁心长度为470mm，与同功率非变频电机的铁心长度相同。当电机的转子冲片内径超过Φ190mm，不会因为转矩的冲击引起扫膛[5]，不需要可以加大气隙。本项目的电机负荷结果为1600Acm，比一般的非变频机座水冷刮板输送机的电机负荷低。

2.3 绕组与槽形设计

表1：防爆变频电机技术参数[1]

为了增加漏电抗性，将定子槽形设计的又窄又深，根据煤炭行业的标准MT478-1996 的要求，电机的起动转矩要达到2 倍以上才可。虽然本项目的电机为变频电机，可以完成恒转矩起动，但是要考虑到实际的工作环境能够以及备选方案设计[6]，尽量将转子槽形设计成双笼（图1），提高电机的起动转矩。BVF-400 电机设计指标与MT478-1996 标准指标值如表2 所示。

表2：YBVF-400 电机设计指标与MT478-1996 标准指标对照表

3 结构设计

防爆变频器有一个非常明显的特点，就是将电机与变频器合成为一个整体，安装方便，便于用户的使用。该电机的安装方式采用法兰联结，电机的上部、后部是电控箱，主要作用在变频控制系统中。在电机的左右两侧，电机的壳体与电控箱之间有凹槽，进线安装可以放在凹槽中，防止使用或者运输过程中产生的损坏，以达到延长防爆变频器使用寿命的目的。

3.1 绝缘设计

定子线圈引进国外FCR 耐电晕薄膜烧结线，其优势是耐电晕效果好，是当前电机绝缘设计中较为优质的电磁线，非常使用于条件恶劣的环境中[5]。云母带采用聚酰亚胺薄膜，该薄膜结构优质，与云母结合后，不仅具备良好的耐电晕效果[7]，而且电气的性能较好，耐热温度高于H 级。在6kV 电机绝缘结构的基础上适当进行绝缘改进，可以让耐热等级效果更好，根据电磁的实际反应情况，此种设计可以保证电机的结构最佳，性能最好。绕组绑扎采用的书双端箍结构，出槽口部位采用环氧石英砂进行固定，相邻的线圈主要采用薄型环氧英砂垫进行固定，经过浸漆后端部整体性能好，不仅可以防止电机起动所引起的损伤，还可以减弱变频电源所引起的高频振动对绝缘所产生的伤害。

3.2 机座设计

机座设计主要分为三个部分，外层水道、外层水道以及法兰焊接，水道结构主要通过调整水道的宽度和高度，降低水阻，在低水压的条件下保证水流量可以达到要求，降低电机的温度。电机采用的安装方式为B10，该改装方式相当于一种悬臂，当刮板运输机在运动的过程中产生的振动越大，对机座的外水套以及法兰焊缝就越考验。因此，在机座的内外径不相同时，可以适当增加外水套的厚度，采用强度较高的钢板进行安装，增加焊缝的高度，在法兰与外水套之间增加支撑筋，焊接工艺要专业，这样可以提高焊机的质量，增加机座的强度。通过仿真软件对机座进行模态分析，结果显示机座的结构可以大大的满足强度的要求，机座的固有频率也能够达到标准的电机工作频率，且在运行的过程中不会产生较大的电机振动，消除了安全隐患。

3.3 转子设计

转子设计不同于一般的结构设计，在进行转子设计时，采用单笼铜条转子结构进行安装可以防止转子的轴向发生攒动，利用转子的压圈固定，对导条和冲片槽进行设计，两端嵌入端环中，采用银铜焊接的方式与导条焊接，降低绕组的温度，并在绕组的两侧增加两个风扇，通过风扇增加转子平衡。转轴采用抗拉强度高的方式进行处理，提高轴的强度，防止频繁过载而发生断裂。

3.4 轴承设计

如果轴承发生损坏，主要的因素是由于轴承的游隙在运行过程中受到膨胀，导致轴承的温度迅速升高，出现这种问题后需要立即采取措施解决。在两端的端盖上采用冷水，独立的进出水口，可以降低轴温，经过验证后进行分析，当一台电机的轴承温度超过100度，采用水冷端盖方案后可以将温度降低到60 度。前后的轴承采用耐磨性能好大游隙轴承，可以更好的控制轴承室，最大可能的减小摩擦。

4 实际应用情况分析

4.1 工作面概况

某煤电公司煤矿设计生产能力达到了399 万t/a，所使用的工作面型号为14309，工作面主要位于井田边界线处，其倾角为4°左右，倾向长度达到220m，开采厚度在3.1m 以上，直线结构均属于砂岩结构，其厚度达到了6.9m，对于直接底结构而言，其厚度达到了3.7m。

4.2 板输送机设备配套变频电机控制概况

在进行工作面开采作业中，需要加强对刮板输送机防爆变频电机的控制，以保证隔煤的安全性，同时，还要做好对变频电机运转速率的调整和优化，确保电动机能够可靠、稳定、安全地运行。本文所设计的变频电机，主要利用了变频双回路方式，并在不同回路中，各自运行，而变频回路的设计目的是为了确保该变频电机在实际的运行中，可以自动调节和控制刮板输送机的运行速率，以实现对电动机功率的有效平衡。此外，还要做好对刮板输送机的调试，确保该设备运行的正常性和稳定性。另外，还要加强对相关保护装置的设置，确保变频电机在不同的回路之间能更快速地切换，通过将变频电机与电抗器装置进行有效结合，可以实现对刮板输送机防爆变频电机运行状态的实施监控和调节。最后，还要将隔爆电度表箱安装在变频电机装置上，从而实现对变频电机内部电流、功率等参数的实时检测和控制，然后，借助刮板输送机，得出变频电机装置调控使用后的节能效果。由于该变频电机是在空载状态下运行的，因此，链条转速率相对较低，缩小了变频电机设备之间的摩擦力，有效地延长了变频电机各个部件的使用寿命，因此，所获得的节能降耗效果极佳。总之，应用实践结果表明：通过应用该变频电机，取得了理想的节能降耗效果。

5 结束语

在变频电机设计过程中，电力电子技术为变频电机的发展奠定了基础，三相异步电机的变频调速传动在实际应用中，比直流电机调速传动更加具有优势，单机在容量方面不受限制，体积小，方便安装与使用，在转动惯量方面量较小，响应好，节能佳。结合刮板机的实际工况，充分考虑额定点的数据，可以更快的进行方案确定，保证工程的有效运行。