采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用水冷隔爆型行走電動機(jī)設(shè)計(jì)與分析.docx

1、采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用水冷隔爆型行走電動機(jī)設(shè)計(jì)與分析劉發(fā)梅，肖立民,王博文(臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽473008)關(guān)鍵詞采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置;行走電動機(jī);有限元分析摘要提供了適用于采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)設(shè)計(jì)方案，并基于An-softMaxwell2D軟件搭建了電機(jī)電磁場仿真模型，進(jìn)行有限元分析，得到滿足特性要求的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，最后通過樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。中圖分類號TM357文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1004-9118(2021)04-0013-061)01:10.14023/ki.dqfb.2021.04.004DesignandAnalysisofWa

2、ter-coolingFlameproofDriveMotorforVariable-frequencyandVariable-speedDeviceofShearerLiuFamei,XiaoLi-inin,WangBo-wen(WolongNanyangExplosionProtectionGroupCo.Ltd.NanyangHenan473008)Keywords:variable-frequencyandvariable-speeddeviceofshearer;drivemotor;finiteelementanalysisAbstract:Itprovidesthedesigns

3、chemeofflameproofdrivemotorforvariable-frequencyandvariable-speeddeviceofshearer.ThefiniteelementanalysiscarriedouttoobtainthemotordesignschemebasedonAnsoftMaxwell2Dsoftwareelectromagneticfie：dsimulationmodeformotor.Thetestresultsofsamplemachineprovestherationalityofthedesignscheme.0引言采煤機(jī)是煤炭開采的核心裝備，

4、它與工作面刮板輸送機(jī)、液壓支架及膠帶輸送機(jī)等配套使用，在采煤工作面實(shí)現(xiàn)采、裝、運(yùn)的機(jī)械化。采煤機(jī)屬于行走作業(yè)機(jī)械，其行走驅(qū)動裝置的調(diào)速傳動方式有機(jī)械牽引行走、液壓牽引行走、電牽引行走等。電牽引是利用電動機(jī)自驅(qū)動行走的一種采煤機(jī)牽引方式，己成為當(dāng)今大功率采煤機(jī)的主流牽引方式E.根據(jù)所采用行走電機(jī)的不同，電牽引調(diào)速系統(tǒng)又可以分為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流可控硅調(diào)速系統(tǒng)兩類，目前交流變頻調(diào)速占電牽引調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用行走電動機(jī)就是為采煤機(jī)牽引變頻調(diào)速裝置特制的隔爆型變頻調(diào)速專用水冷三相異步電動機(jī)。1采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)的設(shè)計(jì)要求某型采煤機(jī)牽引力和牽引速度圖如圖1所示

5、，牽引力和牽引速度受諸多因素的影響，比如截割阻力、工作面的坡度和截割深度等。采煤機(jī)牽引負(fù)載特性：在截割時為恒轉(zhuǎn)矩特性，調(diào)動時為恒功率特性。收收日期2021-04-12作者簡介劉發(fā)梅（1983）、女,2005年畢業(yè)于中原工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè),工程師，主要從事電機(jī)制造與質(zhì)依工作，13采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用行走電動機(jī)在煤礦井下惡劣環(huán)境條件下使用，同時又受到采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的限制,要求其具有較小的外形尺寸和相對高的輸出轉(zhuǎn)矩、較大的過載能力、較高的控制精度，結(jié)構(gòu)簡單、易于維修。2采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)的參數(shù)與設(shè)計(jì)2.1采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置.用隔爆型行走電動機(jī)的基本參數(shù)針對采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置的應(yīng)

6、用工況，設(shè)計(jì)一臺采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型三相異步行走電動機(jī),設(shè)計(jì)要求如表1所示。表1性能參數(shù)要求型號YBV1-150額定功率/kW90/120/150額定電壓,，'V160/575/690額定電流/A162/170/175額定頻率JHz50/50/60頻率范劇Hz50-120同步轉(zhuǎn)速(rmin)1500/1500/1800額定轉(zhuǎn)矩/(N-m)570/770/790熱分級180(H)工作制SI/S9防爆型式,，'防爆標(biāo)志隔爆型/Ex<11Mb安裝方式IMB5臥式法蘭安裝外殼直徑fmm400電機(jī)總長,mm1165冷卻方式1C3W7水冷冷卻水壓力,'MPa4.0冷卻水

7、流St(1.min)302.2采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)2.2.1電機(jī)主要尺寸和槽配合的選擇普通電機(jī)設(shè)計(jì)時，主要尺寸的選擇有一定的自由度，但對丁采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型永磁同步行走電動機(jī)來說，其安裝在牽引部殼體內(nèi)部，電機(jī)的安裝與外形尺寸固定，電機(jī)主要尺寸的選擇無過多空間。根據(jù)表1的性能要求，在兼顧機(jī)座強(qiáng)度和冷卻水套結(jié)構(gòu)的前提下，定子鐵心外徑確定為350mm,在兼顧繞組端部K度和鐵心加工工藝的前提下，鐵心長度確定為550mm.在電機(jī)的極數(shù)和相數(shù)確定的前提下，電機(jī)定子槽數(shù)的選擇取決于每極每相槽數(shù)/當(dāng)選擇較大的q時，電機(jī)的諧波分量較小，能減附加損耗和附加轉(zhuǎn)矩，改善電機(jī)的性能。行

8、走電機(jī)功率密度較大，引起電機(jī)溫升升高，因此行走電機(jī)設(shè)計(jì)必須優(yōu)化電磁負(fù)荷分布，使熱源分布更趨合理。本電機(jī)設(shè)計(jì)時結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和性能要求，每極每相槽數(shù)g取為4,定子槽數(shù)乙為48。本文中設(shè)計(jì)電機(jī)為鼠籠形轉(zhuǎn)子電機(jī)，轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇十分重要，當(dāng)定轉(zhuǎn)子槽配合選擇不當(dāng)時，可能會引起較大的附加轉(zhuǎn)矩、振動、噪音及較大的附加損耗，起動困難。當(dāng)定子槽數(shù)乙確定后，轉(zhuǎn)子槽數(shù)乙的選擇會受到定子槽數(shù)乙的制約，采用多槽配合，可以使轉(zhuǎn)子齒諧波減小,在定子中產(chǎn)生的脈振損耗也減小，所以總的附加損耗可減小，結(jié)合同類型電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)子槽數(shù)乙取為58。2.2.2繞組設(shè)計(jì)根據(jù)性能參數(shù)中的功率大、功率密度高的要求，電機(jī)定子繞組采用雙層疊繞，

9、這樣可以通過選取合適的節(jié)距來削弱諧波、改善氣隙磁場波形、改善電機(jī)性能。綜合電機(jī)的性能要求，同時為了削弱5次和7次諧波，繞組節(jié)距選擇為111。2.2.3氣隙氣隙長度3也是一個非常重要的參數(shù)，對電機(jī)性能影響很大。氣隙長度6越小，電機(jī)的功率因數(shù)越高；氣隙長度5越大，電機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性會越高。從電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，本電機(jī)的長徑比較大，軸的撓度較大，氣隙不能太小，而且變頻運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩沖擊與脈振較大，氣隙應(yīng)略大于普通電機(jī)，再考慮到電動機(jī)的特性及運(yùn)行條件，選擇氣隙長度5=1mm*2.2.4轉(zhuǎn)子槽形與導(dǎo)條、端環(huán)材質(zhì)選擇可供選擇的鼠籠轉(zhuǎn)子槽形有很多，但對于本電機(jī)來說，要求槽面積盡可能大，盡量減小轉(zhuǎn)子電阻

10、，以減少轉(zhuǎn)子銅耗，提高效率。另外，槽形不宜過深，盡可能減少轉(zhuǎn)了基波漏感，增大最大轉(zhuǎn)矩。采用半閉口槽并適當(dāng)放大槽【高度，提高槽【高與槽口寬比值，以增加轉(zhuǎn)子諧波漏抗，轉(zhuǎn)子槽形總體采用上寬卜窄的平行齒。該電機(jī)功率較大，功率密度較高，但是散熱條件較差。轉(zhuǎn)子熱量傳遞分兩路，第一路由轉(zhuǎn)子兩端的空氣介質(zhì)傳遞到機(jī)座，第二路經(jīng)由氣隙傳遞到定子鐵心再到機(jī)座，然后通過冷卻水將熱量帶走為了減少發(fā)熱量，需降低轉(zhuǎn)了銅耗，因此，選擇電阻率較低的純銅作為導(dǎo)條和端環(huán)材料，轉(zhuǎn)子采用銅條轉(zhuǎn)子。銅導(dǎo)條的形狀為上窄卜寬的凸形銅條，如圖1所示，采用專用模具拉制成型。對普通異步電機(jī)斜槽可以改善啟動性能，削弱附加轉(zhuǎn)矩，降低噪聲，但在本電機(jī)中

11、，這些問題己不存在，斜槽會造成漏抗增加，損耗增大，因此，轉(zhuǎn)子采用直槽。2.2.5電機(jī)主要參數(shù)通過以上分析，最終確定采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。2.3采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1整體結(jié)構(gòu)電動機(jī)主要由機(jī)座、繞組定子鐵心、端蓋、轉(zhuǎn)子、輸出軸、接線盒等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,電動機(jī)整體安裝尺寸符合用戶使用要求。采煤機(jī)電動機(jī)工作于惡劣環(huán)境,為了方便維修，電動機(jī)采用輸出軸與轉(zhuǎn)子分體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心與空心軸一體，空心軸依靠可自定心、承載能力大的漸開線花鍵與輸出軸聯(lián)結(jié)，再由輸出軸驅(qū)動牽引傳動裝置。電動機(jī)內(nèi)部裝有制動器，當(dāng)采煤機(jī)停止?fàn)恳蛴捅猛Ｖ构┯?/p>

12、時，制動器就起作用，防止采煤機(jī)下滑。制動器安裝在后端蓋上，制動器摩擦盤與軸相連，用于鎖定轉(zhuǎn)子。制動器封閉安裝于電機(jī)端蓋內(nèi)部，整機(jī)防護(hù)等級高，可有效避免煤塵進(jìn)入制動器內(nèi)，影響制動力矩。電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，用于反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。電機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，重量輕。表2主要電磁參數(shù)定子外徑,，mm350氣隙磁密卜T0.64定于內(nèi)徑/mm240定子齒磁密TI.61轉(zhuǎn)子內(nèi)徑/nun115定子輒磁密,，T1.61鐵心長''mm546轉(zhuǎn)子齒破密,，'T1.75%隙長度,'mm1.0轉(zhuǎn)于輒磴密，'T0.64定子槽數(shù)48定子電密J(AJmnT)6.1轉(zhuǎn)子槽數(shù)58熱負(fù)荷A

13、J1/(A3.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)nun電動機(jī)轉(zhuǎn)子籠條在運(yùn)轉(zhuǎn)時除了受到電磁應(yīng)力、熱應(yīng)力、離心力的作用外，還受到加速或制動時所產(chǎn)生的切向應(yīng)力。如果轉(zhuǎn)子籠條在槽內(nèi)過松,轉(zhuǎn)子籠條會在槽內(nèi)跳動，導(dǎo)致籠條疲勞損壞。因此，本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子采用異形銅導(dǎo)條鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增加了銅條轉(zhuǎn)子的可拳性,更適應(yīng)煤礦井下頻繁啟動的工況條件。在銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中使用卷制圓柱彈性銷，通過彈性銷吸收因振動或受熱而產(chǎn)生的銅條應(yīng)力，減少由丁低應(yīng)力高周期疲勞而引發(fā)故障的可能性,增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的可靠性。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示。)306硅鋼片牌號50W470導(dǎo)條材料純鋼T2圖3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖2.3.3冷卻水路結(jié)構(gòu)冷卻水路分布采用軸向水路，擋水板沿著電機(jī)軸方向平行分布形成水

14、路,冷卻水流入水路后，15沿電機(jī)軸向流動。這種水路的優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地將進(jìn)、出水口設(shè)計(jì)在電機(jī)的同-側(cè)；散熱均勻、不會在電機(jī)兩端產(chǎn)生溫度梯度J;結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。在井卜水質(zhì)惡劣的情況下，水道極易生銹、結(jié)垢產(chǎn)生漏水和堵塞現(xiàn)象,造成電機(jī)無法依靠水路循環(huán)進(jìn)行散熱，縮短電機(jī)的使用壽命，降低可靠性。為防止水道銹蝕、結(jié)垢，水道表面可以采用化學(xué)鍍鐐工藝防腐處理'員。進(jìn)、出水口采用兩進(jìn)兩出設(shè)計(jì)，均位于電動機(jī)接線盒端。冷卻水流走向圖如圖4所示。圖4冷卻水流走向圖2.3.4隔爆結(jié)構(gòu)電動機(jī)隔爆部件有機(jī)座、端蓋、空心軸、接線盒座、接線盒蓋、絕緣套、接線螺栓、密封圈等。電動機(jī)設(shè)計(jì)時從電動機(jī)隔爆外殼強(qiáng)度、隔爆外殼

15、的各零部件間的隔爆接合面寬度、間隙或直徑差、隔爆接合面粗糙度以及限制外殼表面不許達(dá)到危險(xiǎn)溫度等關(guān)鍵條件著手,來確保電動機(jī)的隔爆性能。組成電動機(jī)隔爆外殼的所有零部件，精加工后,均進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。電動機(jī)接線盒內(nèi)部裸露導(dǎo)體之間，裸露導(dǎo)體與金屬外殼之間的電氣間隙、爬電距離等均符合GB3836的規(guī)定。3采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)有限元分析3.1電動機(jī)建?；贏nsoftMaxwell2D軟件建立電動機(jī)有限元仿真模型，進(jìn)行電磁場仿真分析。電動機(jī)的二維有限元分析模型如圖5所示。圖5電動機(jī)二雄有限元模型3.2額定負(fù)載工況磁場仿真對電動機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算額定負(fù)載下運(yùn)行時的磁力線和磁密分布，磁力線和

16、磁密分布見圖6和圖乙從圖6、圖7可以看出，磁密飽和值主要出現(xiàn)在定子齒頂處和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條對應(yīng)的槽口處。為了觀察氣隙磁密，在氣隙中取軌跡線L,穩(wěn)態(tài)時氣隙磁密如圖8所示。從圖8中可以看出,氣隙磁密波動較為明顯。為了更好地分析磁密值，進(jìn)高次諧波分量如圖9所示，諧波分量:的幅值大小如行氣隙磁密的傅里葉分解，基波分量以及各圖10所示。0.73579112S1719212325圖10電動機(jī)氣隙磁密諧波分址的幅值0.6g0.59|0.4g0.3H0.20.10電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖11所示。從圖中額定負(fù)載情況下電動機(jī)的額定電流如圖12所可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后平均值為819.8Nm,電示,三相電流有效值的平均值為

17、87.2A,電流波形機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩波形較為平穩(wěn)。正弦度較好。4樣機(jī)性能分析4樣機(jī)性能分析采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用YBVF系列行走電動機(jī)技術(shù)條件的規(guī)定，進(jìn)行了型試試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見樣機(jī)試制完成后，按照MT/T10402019表3：表3型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號型號名稱功率電壓效率功率因數(shù)1STTSTTM溫升振動噪聲備注單位kWV%A倍倍Kmm/sdBA1YBVF-15O標(biāo)準(zhǔn)值15069093.50.886.01.92.21353.51012限值92.530.867.21.711.983試驗(yàn)15069093.60.8916.362.33.1760.983合格通過型式試驗(yàn)結(jié)果可知：本次試制樣機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測值均達(dá)到或超過技術(shù)條件的規(guī)定，到了理想的設(shè)計(jì)效果。其中：效率和功率因數(shù)試驗(yàn)值超過技術(shù)條件所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值；堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)試驗(yàn)值吃容差合格；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)炬倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)炬倍數(shù)試驗(yàn)值均遠(yuǎn)優(yōu)于技術(shù)條件所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值;溫升有較大的裕度;振動和噪聲均遠(yuǎn)優(yōu)于技術(shù)條件的規(guī)定。5結(jié)束語本文根據(jù)設(shè)備性能要求，設(shè)計(jì)了一臺采煤機(jī)變頻調(diào)速裝置用隔爆型行走電動機(jī)，并利用有限元法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對電機(jī)額定運(yùn)行時電