采煤机变频调速装置用水冷隔爆型行走电动机设计与分析.docx

1、采煤机变频调速装置用水冷隔爆型行走电动机设计与分析刘发梅，肖立民,王博文(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳473008)关键词采煤机变频调速装置;行走电动机;有限元分析摘要提供了适用于采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机设计方案，并基于An-softMaxwell2D软件搭建了电机电磁场仿真模型，进行有限元分析，得到满足特性要求的电机设计方案，最后通过样机试验结果，验证了设计方案的合理性。中图分类号TM357文献标识码A文章编号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引言采煤机是煤炭开采的核心装备，

4、它与工作面刮板输送机、液压支架及胶带输送机等配套使用，在采煤工作面实现采、装、运的机械化。采煤机属于行走作业机械，其行走驱动装置的调速传动方式有机械牵引行走、液压牵引行走、电牵引行走等。电牵引是利用电动机自驱动行走的一种采煤机牵引方式，己成为当今大功率采煤机的主流牵引方式E.根据所采用行走电机的不同，电牵引调速系统又可以分为交流变频调速系统和直流可控硅调速系统两类，目前交流变频调速占电牵引调速系统的主导地位。采煤机变频调速装置用行走电动机就是为采煤机牵引变频调速装置特制的隔爆型变频调速专用水冷三相异步电动机。1采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机的设计要求某型采煤机牵引力和牵引速度图如图1所示

5、，牵引力和牵引速度受诸多因素的影响，比如截割阻力、工作面的坡度和截割深度等。采煤机牵引负载特性：在截割时为恒转矩特性，调动时为恒功率特性。收收日期2021-04-12作者简介刘发梅（1983）、女,2005年毕业于中原工学院计算机科学与技术专业,工程师，主要从事电机制造与质依工作，13采煤机变频调速装置用行走电动机在煤矿井下恶劣环境条件下使用，同时又受到采煤机结构的限制,要求其具有较小的外形尺寸和相对高的输出转矩、较大的过载能力、较高的控制精度，结构简单、易于维修。2采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机的参数与设计2.1采煤机变频调速装置.用隔爆型行走电动机的基本参数针对采煤机变频调速装置的应

6、用工况，设计一台采煤机变频调速装置用隔爆型三相异步行走电动机,设计要求如表1所示。表1性能参数要求型号YBV1-150额定功率/kW90/120/150额定电压,，'V160/575/690额定电流/A162/170/175额定频率JHz50/50/60频率范剧Hz50-120同步转速(rmin)1500/1500/1800额定转矩/(N-m)570/770/790热分级180(H)工作制SI/S9防爆型式,，'防爆标志隔爆型/Ex<11Mb安装方式IMB5卧式法兰安装外壳直径fmm400电机总长,mm1165冷却方式1C3W7水冷冷却水压力,'MPa4.0冷却水

7、流St(1.min)302.2采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机的电磁设计2.2.1电机主要尺寸和槽配合的选择普通电机设计时，主要尺寸的选择有一定的自由度，但对丁采煤机变频调速装置用隔爆型永磁同步行走电动机来说，其安装在牵引部壳体内部，电机的安装与外形尺寸固定，电机主要尺寸的选择无过多空间。根据表1的性能要求，在兼顾机座强度和冷却水套结构的前提下，定子铁心外径确定为350mm,在兼顾绕组端部K度和铁心加工工艺的前提下，铁心长度确定为550mm.在电机的极数和相数确定的前提下，电机定子槽数的选择取决于每极每相槽数/当选择较大的q时，电机的谐波分量较小，能减附加损耗和附加转矩，改善电机的性能。行

8、走电机功率密度较大，引起电机温升升高，因此行走电机设计必须优化电磁负荷分布，使热源分布更趋合理。本电机设计时结合设计经验和性能要求，每极每相槽数g取为4,定子槽数乙为48。本文中设计电机为鼠笼形转子电机，转子槽数的选择十分重要，当定转子槽配合选择不当时，可能会引起较大的附加转矩、振动、噪音及较大的附加损耗，起动困难。当定子槽数乙确定后，转子槽数乙的选择会受到定子槽数乙的制约，采用多槽配合，可以使转子齿谐波减小,在定子中产生的脉振损耗也减小，所以总的附加损耗可减小，结合同类型电机的设计经验，转子槽数乙取为58。2.2.2绕组设计根据性能参数中的功率大、功率密度高的要求，电机定子绕组采用双层叠绕，

9、这样可以通过选取合适的节距来削弱谐波、改善气隙磁场波形、改善电机性能。综合电机的性能要求，同时为了削弱5次和7次谐波，绕组节距选择为111。2.2.3气隙气隙长度3也是一个非常重要的参数，对电机性能影响很大。气隙长度6越小，电机的功率因数越高；气隙长度5越大，电机运行的可靠性和安全性会越高。从电机本身的结构特点来看，本电机的长径比较大，轴的挠度较大，气隙不能太小，而且变频运行时转矩冲击与脉振较大，气隙应略大于普通电机，再考虑到电动机的特性及运行条件，选择气隙长度5=1mm*2.2.4转子槽形与导条、端环材质选择可供选择的鼠笼转子槽形有很多，但对于本电机来说，要求槽面积尽可能大，尽量减小转子电阻

10、，以减少转子铜耗，提高效率。另外，槽形不宜过深，尽可能减少转了基波漏感，增大最大转矩。采用半闭口槽并适当放大槽【高度，提高槽【高与槽口宽比值，以增加转子谐波漏抗，转子槽形总体采用上宽卜窄的平行齿。该电机功率较大，功率密度较高，但是散热条件较差。转子热量传递分两路，第一路由转子两端的空气介质传递到机座，第二路经由气隙传递到定子铁心再到机座，然后通过冷却水将热量带走为了减少发热量，需降低转了铜耗，因此，选择电阻率较低的纯铜作为导条和端环材料，转子采用铜条转子。铜导条的形状为上窄卜宽的凸形铜条，如图1所示，采用专用模具拉制成型。对普通异步电机斜槽可以改善启动性能，削弱附加转矩，降低噪声，但在本电机中

11、，这些问题己不存在，斜槽会造成漏抗增加，损耗增大，因此，转子采用直槽。2.2.5电机主要参数通过以上分析，最终确定采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机的主要参数如表2所示。2.3采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机的结构设计2.3.1整体结构电动机主要由机座、绕组定子铁心、端盖、转子、输出轴、接线盒等部分组成，整体结构如图2所示,电动机整体安装尺寸符合用户使用要求。采煤机电动机工作于恶劣环境,为了方便维修，电动机采用输出轴与转子分体结构，转子铁心与空心轴一体，空心轴依靠可自定心、承载能力大的渐开线花键与输出轴联结，再由输出轴驱动牵引传动装置。电动机内部装有制动器，当采煤机停止牵引或油泵停止供油

12、时，制动器就起作用，防止采煤机下滑。制动器安装在后端盖上，制动器摩擦盘与轴相连，用于锁定转子。制动器封闭安装于电机端盖内部，整机防护等级高，可有效避免煤尘进入制动器内，影响制动力矩。电机转子同轴安装旋转编码器，用于反馈转子转速。电机整体结构紧凑、体积小，重量轻。表2主要电磁参数定子外径,，mm350气隙磁密卜T0.64定于内径/mm240定子齿磁密TI.61转子内径/nun115定子辄磁密,，T1.61铁心长''mm546转子齿破密,，'T1.75%隙长度,'mm1.0转于辄磴密，'T0.64定子槽数48定子电密J(AJmnT)6.1转子槽数58热负荷A

13、J1/(A3.2转子结构nun电动机转子笼条在运转时除了受到电磁应力、热应力、离心力的作用外，还受到加速或制动时所产生的切向应力。如果转子笼条在槽内过松,转子笼条会在槽内跳动，导致笼条疲劳损坏。因此，本设计转子采用异形铜导条鼠笼转子结构，增加了铜条转子的可拳性,更适应煤矿井下频繁启动的工况条件。在铜条转子结构中使用卷制圆柱弹性销，通过弹性销吸收因振动或受热而产生的铜条应力，减少由丁低应力高周期疲劳而引发故障的可能性,增强转子的可靠性。转子结构如图3所示。)306硅钢片牌号50W470导条材料纯钢T2图3转子结构图2.3.3冷却水路结构冷却水路分布采用轴向水路，挡水板沿着电机轴方向平行分布形成水

14、路,冷却水流入水路后，15沿电机轴向流动。这种水路的优点是可以很方便地将进、出水口设计在电机的同-侧；散热均匀、不会在电机两端产生温度梯度J;结构简单，制造方便。在井卜水质恶劣的情况下，水道极易生锈、结垢产生漏水和堵塞现象,造成电机无法依靠水路循环进行散热，缩短电机的使用寿命，降低可靠性。为防止水道锈蚀、结垢，水道表面可以采用化学镀镣工艺防腐处理'员。进、出水口采用两进两出设计，均位于电动机接线盒端。冷却水流走向图如图4所示。图4冷却水流走向图2.3.4隔爆结构电动机隔爆部件有机座、端盖、空心轴、接线盒座、接线盒盖、绝缘套、接线螺栓、密封圈等。电动机设计时从电动机隔爆外壳强度、隔爆外壳

15、的各零部件间的隔爆接合面宽度、间隙或直径差、隔爆接合面粗糙度以及限制外壳表面不许达到危险温度等关键条件着手,来确保电动机的隔爆性能。组成电动机隔爆外壳的所有零部件，精加工后,均进行静压试验。电动机接线盒内部裸露导体之间，裸露导体与金属外壳之间的电气间隙、爬电距离等均符合GB3836的规定。3采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机有限元分析3.1电动机建模基于AnsoftMaxwell2D软件建立电动机有限元仿真模型，进行电磁场仿真分析。电动机的二维有限元分析模型如图5所示。图5电动机二雄有限元模型3.2额定负载工况磁场仿真对电动机模型进行网格划分，计算额定负载下运行时的磁力线和磁密分布，磁力线和

16、磁密分布见图6和图乙从图6、图7可以看出，磁密饱和值主要出现在定子齿顶处和转子导条对应的槽口处。为了观察气隙磁密，在气隙中取轨迹线L,稳态时气隙磁密如图8所示。从图8中可以看出,气隙磁密波动较为明显。为了更好地分析磁密值，进高次谐波分量如图9所示，谐波分量:的幅值大小如行气隙磁密的傅里叶分解，基波分量以及各图10所示。0.73579112S1719212325图10电动机气隙磁密谐波分址的幅值0.6g0.59|0.4g0.3H0.20.10电动机负载转矩曲线如图11所示。从图中额定负载情况下电动机的额定电流如图12所可以看出，负载转矩稳定后平均值为819.8Nm,电示,三相电流有效值的平均值为

17、87.2A,电流波形机输出的转矩波形较为平稳。正弦度较好。4样机性能分析4样机性能分析采煤机变频调速装置用YBVF系列行走电动机技术条件的规定，进行了型试试验，试验数据见样机试制完成后，按照MT/T10402019表3：表3型式试验数据序号型号名称功率电压效率功率因数1STTSTTM温升振动噪声备注单位kWV%A倍倍Kmm/sdBA1YBVF-15O标准值15069093.50.886.01.92.21353.51012限值92.530.867.21.711.983试验15069093.60.8916.362.33.1760.983合格通过型式试验结果可知：本次试制样机各项指标的实测值均达到或超过技术条件的规定，到了理想的设计效果。其中：效率和功率因数试验值超过技术条件所规定的标准值；堵转电流倍数试验值吃容差合格；堵转转炬倍数和最大转炬倍数试验值均远优于技术条件所规定的标准值;温升有较大的裕度;振动和噪声均远优于技术条件的规定。5结束语本文根据设备性能要求，设计了一台采煤机变频调速装置用隔爆型行走电动机，并利用有限元法进行了数值计算，对电机额定运行时电