段小燕

（山西省呂梁市柳林縣煤炭工業(yè)局， 山西 呂梁 033300）

引言

采煤機是地下煤礦生產(chǎn)過程中的關鍵設備，采煤機的工作效率直接決定著綜采工作面的原煤產(chǎn)量。在實際生產(chǎn)中為保證持續(xù)生產(chǎn)，采煤機截割部電機就會不停運轉。由于電機在運轉過程中會產(chǎn)生熱量，尤其是在電機運行時間過長且散熱效率過低時，就會導致電機溫度過高[1]。發(fā)熱異?？赡軙龎慕^緣，導致線路短路致使繞組損壞；銅條的端環(huán)出現(xiàn)熱塑形變而造成銅條斷裂和軸承膨脹抱死而燒毀電機等事故。并且在有限的采煤工作面之中，由于割煤或打錨桿等作業(yè)產(chǎn)生煤塵在電機表面覆蓋堆積導致電機外殼熱量無法釋放，最終造成人員燙傷甚至爆炸事故[2]。亟待對采煤機截割部上轉載的隔爆水冷三相電動機的散熱進行改進。本文以采煤機截割部常用的JOY 30EB500J型電機（JOY 30EB500J型電機的功率為750 kW，額定電壓為3300 V，采用水冷設計）為例，進行散熱優(yōu)化，為采煤機的持續(xù)安全運行提供保障。

1 電動機散熱改進分析

電動機在運轉過程中將電能轉化為電磁能，利用轉子在磁場中受到的磁場力作用而轉動。在轉子轉動的過程中，會出現(xiàn)電磁互換，定子繞組與轉子電樞中會有持續(xù)的電流流動。由于定子繞組與轉子電樞中不可避免的會有電阻，因此會產(chǎn)生熱能。而且定轉子是由硅鋼組成，硅鋼會在變化磁場形成的渦流中發(fā)熱。以及轉子在轉動過程中也會由于摩擦產(chǎn)生熱量。電動機運轉過程中既會產(chǎn)生熱量，也會以空氣和金屬作為傳熱介質(zhì)進行散熱。若散熱速率與發(fā)熱速率達到平衡時，電動機的溫度就不會上升。實際使用中往往會由于電機內(nèi)部進入粉塵或外殼上雜物堆積，致使散熱速率大大降低，導致截割部電動機發(fā)熱異常[3]。

通過對采煤機截割部電動機的發(fā)熱原理進行分析，為使電動機擁有更好的散熱能力，應從設計入手，選用最佳的材料避免產(chǎn)生更多的熱量，利用合理的散熱結構獲得更佳的散熱速率，采用厚度較小但不會降低絕緣性能的絕緣材料增加熱量的釋放。因此，本改進從電磁設計、機械結構設計和絕緣設計三方面入手。

2 電磁設計

通過電磁設計優(yōu)化可以減少電動機運轉過程中熱量的產(chǎn)生，從根本上解決熱量集聚的問題。電磁設計包括定轉子槽型和定轉子鐵芯硅鋼片等。

2.1 定轉子槽型設計

在設計電動機時，廠家為了在降低堵轉電流的同時獲得更高的堵轉轉矩，一般采用深槽型或上下雙籠槽型的設計。采用深槽型設計的電動機在開始運轉時由于電流的頻率過高，導致導體的的漏抗增加甚至超過電阻，此時導體漏抗是電流的主要阻力來源。由于槽電流與漏抗為反比例關系。在槽口附近的漏抗較小，而槽口部分的電流較大，在電流集膚效應的作用下導致槽導體內(nèi)的電阻增大。由于轉子在電機運轉時會不斷旋轉，因此電動機應采用受集膚效應影響較小的閉口式深槽矩形定子槽型和閉口式轉子槽型。如圖1所示，為設計的定子與轉子槽型。

圖1 定子與轉子槽型

2.2 硅鋼片的選擇

電動機內(nèi)的硅鋼片是導磁介質(zhì)，利用高效電機鋼可以有效減少鐵損并保證磁感不受影響。目前可用做電動機的硅鋼片有熱扎無取向硅鋼片和冷軋無取向硅鋼片。雖然熱扎無取向硅鋼片的穩(wěn)定性較高，且沖剪應力較小加工相對容易。但冷軋無取向硅鋼片具有鐵損小、磁感高、表面光滑和加工尺寸容易受控等優(yōu)點，因此采用冷軋無取向硅鋼片作為電動機的硅鋼片。利用高精度模具與沖裁設備可以消除或減少冷軋無取向硅鋼片在加工過程中出現(xiàn)的毛刺，更高程度上降低硅鋼片的磁損。從經(jīng)濟和應用效果考慮，采用寶山鋼鐵廠生產(chǎn)的B50A350無取向硅鋼片，該硅鋼片的相關性能如下：厚度0.05 cm，密度7.65 kg/dm3，鐵損 2.85 W/kg，磁感 1.68 T。

2.3 材質(zhì)選擇及其他設計

以鐵損更小的材質(zhì)制作轉子、端環(huán)和導條可以進一步降低電機運轉中的散熱量。一般等級功率不足100 kW的電機采用的是鑄鋁材質(zhì)的轉子，超過100 kW的電動機則采用雙鼠籠銅條轉子。將T1純銅通過鍛件加工成銅條轉子的端環(huán)，采用HMn58-2錳黃銅制作外籠，采用T2Y紫銅制作內(nèi)籠。通過在上端環(huán)的兩端焊接上銅制葉片充當內(nèi)風扇。其中，轉子沖片與軸之間的間隙應控制在0.003～0.01 cm，內(nèi)籠條與轉子沖片之間的配合間隙應保持在0.04 cm，外籠條與沖片之間的配合間隙應控制在0.01～0.03 cm。

3 結構設計

3.1 水路設計

如圖2所示，為JOY30EB500J電動機原水路設計圖。該水路由38條厚度為1 cm的擋水條焊接而成。此種設計的焊接工作量較大，采用人工焊接的焊接質(zhì)量不均勻。當機座內(nèi)部的水套進行熱套時會出現(xiàn)擋水條彎曲的現(xiàn)象，導致水流不暢，降低熱交換速率。為降低水流流動阻力，采用12條隔板分割水路的設計（見圖3）。每塊隔板的厚度為4 cm。并且在機座上設有一個防水口，機座不使用時就將水路中的水放完，避免水路出現(xiàn)銹蝕影響熱交換速率。

圖2 原水路結構

圖3 改進后水路結構

3.2 端蓋設計

為加快電動機機座與繞組的端部的熱交換速率采用水冷鋼板焊接結構的端蓋，此種設計可以使?jié)L動軸承運行更加可靠，并延長其使用壽命。需注意在端蓋的進出水口與機座之間應采用橡膠密封圈進行密封，并且密封圈溝的尺寸不得過高，以免出現(xiàn)泄漏，影響水路的散熱效率。

3.3 轉軸設計

轉軸是電動機的關鍵部件之一，在實際使用中常常會因為轉矩過高導致斷裂。因此要求轉軸具有較高的強度和剛度?？梢詮霓D軸的結構和材質(zhì)入手提高轉軸的強度和剛度。一般功率高于100 kW的電動機采用的是內(nèi)花鍵。將40CrNiMo的合金棒依次進行粗車與調(diào)質(zhì)，在花鍵齒進行加工后對其淬火，淬火硬度（HRC）為45～50。采用SKF軸承，該型號軸承的兩端不同，一端為球軸承另一端為圓柱滾子軸承，該軸承適用于兩端轉矩差較大的場合。采用FAG潤滑脂在保證潤滑性的同時，可以讓熱量及時散發(fā)。

4 絕緣設計

原JOY 30EB500J型電機線圈采用的是QZY-2/180聚酯亞胺漆包圓銅線，該材質(zhì)的安全性不足，經(jīng)常出現(xiàn)繞組燒毀的案例。根據(jù)一線工人對JOY電機繞組維修的經(jīng)驗，可采用杜邦公司生產(chǎn)的亞胺膜燒結電磁線，該繞組在電磁線的外部包有一層自黏性玻璃絲保護層，可以加強對絕緣線的保護。為定子繞組的定子鐵芯需通過真空壓力浸漆兩次，使油漆完全填滿定子繞組之間的所有空隙，然后經(jīng)旋轉烘干保證漆膜均勻，時鐵芯在運轉時散熱均勻。充分利用定子槽的有效面積選用NOMEX紙和亞胺薄膜制成的NHN，以增強機械保護。

5 現(xiàn)場應用

將JOY 30EB500J電動機按上述設計進行制作，在各部件組裝完成后。在室溫為25℃的房間內(nèi)進行溫度測試。同時將改進前的JOY 30EB500J電動機與改進后的JOY 30EB500J電動機同時連續(xù)滿載運轉8 h，將兩組電動機拆開，測試其轉子的表面溫度分別為95.4℃（優(yōu)化前）和64.6℃（優(yōu)化后）。經(jīng)過改進電動機在連續(xù)滿載運轉8 h后經(jīng)過優(yōu)化中心轉子的溫度為64.6℃，降低了30.8℃，可以滿足實際生產(chǎn)需求。

6 結論

通過對常采用的JOY 30EB500J型采煤機截割部電機電磁、結構和絕緣三部分進行重新設計，以獲得更佳的散熱效果和機械性能。通過優(yōu)化，將連續(xù)滿載運轉8 h后中心轉子的溫度由95.4℃降低到了64.6℃，優(yōu)化符合生產(chǎn)使用中散熱的要求。本設計已被投入工業(yè)使用，運行效果良好。