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1、 煤礦井下用隔爆型三相異步電動機水冷卻結(jié)構(gòu)設計 姜瑞杰 2008級機電一體化專業(yè) 摘 要 對煤礦井下用隔爆型三相異步電動機水冷卻系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的設計進行探討。圍繞電動機溫度場分析、熱平衡計算、冷卻系統(tǒng)水流參數(shù)計算、冷卻水箱結(jié)構(gòu)設計幾個方面，并結(jié)合實踐闡述了相關(guān)設計理論和設計方法。 關(guān)鍵詞 煤礦井下用隔爆型三相異步電動機：水冷卻系統(tǒng)；水冷式結(jié)構(gòu) 0 引言 煤礦井下設備采用的隔爆型三相異步電動機其冷卻系統(tǒng)常采用水冷式結(jié)構(gòu)（通常為ICW37）。這是基于煤礦井下特殊的環(huán)境條件和煤礦設備特殊的運行狀況決定的。煤礦井下水冷式電動機具有以下特點： （1）煤礦井下作業(yè)場狹窄，設備留給時機

2、的安裝空間較小，環(huán)境空氣流動性差。電動機采用風（空氣）冷卻結(jié)構(gòu)，效果受到很大影響。尤其是在采掘面，當煤塊、粉塵等堆積物阻塞電動機外部的通風散熱通道時，電動機通風散熱狀況將更加惡劣。而采用水冷靜卻結(jié)構(gòu)，則避免了這個缺點。煤礦井下一般不缺壓力源，水的導熱系數(shù)遠遠大于空氣。只要時機的水冷靜系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設計合理，其冷卻效果和可靠性優(yōu)于風冷靜式電動機。 （2）煤礦井用電動機因受設備安裝要求限制，往往要求有較小的外形體積和簡單的外形結(jié)構(gòu)。水冷式電動機結(jié)構(gòu)上沒有風扇、風罩、散熱片等零件，并且水道布置在封閉的殼體之內(nèi)，因此其外形簡約，體積小于相同功率的風冷式電動機。 （3）煤礦井下采掘、運輸?shù)仍O備，因其特

3、殊的工作條件，往往負荷波動很大，所用電動機超負荷運行狀況進有發(fā)生，造成電動機溫升增高。另外在設計這些設備使用的電動機時，考慮到其外形體積和功率大小兩方面要求，往往采用減小電動機定、轉(zhuǎn)子鐵心外徑，加長定、轉(zhuǎn)子鐵心長度的設計方案。由典型的時機溫升設計理論可知，鐵心較長的時機其熱負荷往往偏高，溫升計算誤差也較大，這兩方面的原因致使電動機的溫升處于不可靠狀態(tài)。盡管采用提高電動機絕緣等級的方法進行彌補，但電動機使用壽命也將大打折扣。而水冷式結(jié)構(gòu)的電動機具有較好的冷卻效果，可彌補電動機溫升設計誤差及超負荷運行帶來的缺點。 （4）水冷式電動機無風扇、風罩等零件，因此不會產(chǎn)生風摩損耗和噪聲，并且冷卻水箱還具

4、有吸振減振效果，這些又形成了電動機效率較高、噪聲低、振動小的優(yōu)點。 從以上分析可以看出水冷卻系統(tǒng)在煤礦井下用電動機上的重要作用，因此對其系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設計研究必要。目前國內(nèi)許多電機廠家都積累了各自在此方面的寶貴經(jīng)驗，亟待進行理論性的整理和提高。本文試對此問題展開初步探討。 1 水冷式電動機的溫度場分析與熱平衡計算 1.1 溫度場分析 水冷式電動機的溫度場同風冷式電動機基本相似，其不同處在于風冷式電動機是靠自帶風扇吹動機殼外的空氣帶走熱量，而水冷式電動機是利用包在機殼外水箱里水的流動帶走熱量。介質(zhì)的物理特性有較大差異。進行水冷式時機溫度場熱路分析，可以借用風冷式電動機等效熱路模型

5、。見圖1。 從等效熱路可以看出，整個熱路系統(tǒng)傳熱方式多樣，傳熱路線復雜。根據(jù)實際工程的要求，我們可以對問題做以下簡化和設定。 （1）電動機的溫度分布沿圓周方向?qū)ΨQ，電動機在圓周方向冷卻條件相同。 （2）對時機內(nèi)部的各種傳熱方式和路線進行簡化，認定電動機運行產(chǎn)生的熱量全部通過機殼壁法線方向向外傳遞，即熱量先以導熱的方式傳給機殼壁，又以對流方式傳給水箱內(nèi)的冷卻水，流出水箱的水帶走大部分熱量，小部分熱量由水傳遞給水箱外壁后在空氣中散發(fā)，見圖2。 （3）圖2顯示熱傳遞過程的溫度梯度。t、t1、t2、t3、t4分別是各界面的溫度。我們根據(jù)工程實際要求和導熱基本定律分別確定和計算其溫度值。

6、其中，t—GB755—2000規(guī)定的電動機繞組的溫度限值（）即最高環(huán)境溫度+繞組的溫升限值，B級為120℃，F(xiàn)級為145℃，H級為165℃）； t1—我們設定為電動機繞組及繞組及鐵心等內(nèi)部各發(fā)熱源傳遞至機殼壁的溫度限值。為保證時機絕緣壽命可靠性，取t1~ t2段是導熱方式傳熱，按傅立葉導熱基本定律 q1=(t1 - t2)/ (1) 由此可計算t2 t2~ t3段是對流方式傳熱按牛頓冷卻定律 q2=Aα（t2 - t3） 由此可計算t3 q1—導熱方式傳熱流量（W）；q2—對流方式傳熱熱流量（W）；λ—導熱系數(shù)（W/m℃）; t2—接觸表面（機座表面）溫度（℃）；t

7、3—流體溫度（℃）；B—機座壁厚（m）; A—接觸表面面積（m2）。 （3）我們設定電動機的熱量主要來自電動機運行中定轉(zhuǎn)子繞組的損耗、硅鋼片鐵耗、機械耗及其他雜散損耗，即 H=p2(1/η-1) 式中，H—時機單位時間產(chǎn)生的熱量（kw，KJ/h）；p2—電動機額定輸出功率（kw）；η—電動機的效率。 （4）我們廟宇電動機冷卻水箱里的水為理想液體做定常流動。 1.2 熱平衡計算 1.2.1 如上所述電動機產(chǎn)生的熱量絕大部分被具有一定壓力和流速的水帶出冷卻水箱外散發(fā)（傳給水箱外壁的熱量因量少且散熱條件差可發(fā)忽略），因此對流傳熱部分是我們研究的重點。對流傳熱的熱流量與其介質(zhì)性質(zhì)、流動速

8、度、接觸面積、接觸面溫差有密切關(guān)系。熱力學試驗證明，熱流量與的過程關(guān)系很大。電動機水冷靜系統(tǒng)的水不是在水箱內(nèi)封閉狀態(tài)對流傳熱，而是從進口流入，經(jīng)過內(nèi)部流道吸收熱量，再從出口流出。如果按經(jīng)典理論公式計算與實際狀況差別太大。根據(jù)水的熱力學性質(zhì)和具體狀況，我們采用以下經(jīng)驗公式更符合工程實際要求。 Φ=SρCp(t進- t出) （4） 式中，Φ—單位時間流出水箱的水帶走的熱量（kw，kJ/h）；s—水流量（m3/s）；ρ—介質(zhì)密度（kg/ m3）；Cp—介質(zhì)比熱（J/kg℃）；t進—進水口水溫，按煤礦井下情況我們設定為30℃；t出—出水口水溫，為避免燙傷，我們設定為50℃。 設計的理想狀態(tài)

9、是電動機運行產(chǎn)生的熱量全部由冷卻水帶走（忽略水箱外壁和端蓋外壁散發(fā)的熱量），使電動機溫升保持在絕緣材料的溫度限值之內(nèi)。由此建立熱平衡方程 Φ≥H （5） 1.2.2 當發(fā)生異常狀況造成水流中斷時，原熱平衡狀態(tài)將被破壞。電動機產(chǎn)生的熱量不能被水帶出，導致水箱內(nèi)積水溫度不斷升高，直至達到沸點溫度。這種情況也是電動機水冷卻系設計必須考慮的。有關(guān)標準規(guī)定水冷式電動機當達到額定運行熱穩(wěn)定狀態(tài)時，斷水10min，定子繞組端部溫度應不超過相應絕緣材料的溫度限值。水具有良好的熱容性，由水的比熱公式 Q=CM△t （6） 式中，Q—水吸收的熱量（kw，KJ/h）；C—比熱（J/kg℃）

10、；M—質(zhì)量（kg）；△t—溫度增量（℃）。 可知水的質(zhì)量越大吸收的熱量越多，則能保證電動機內(nèi)部熱量不斷傳出，使定子繞組溫度不超過限值。根據(jù)水的熱容特性和相關(guān)標準中對水冷式電動機斷水要求的時間和溫度限定要求，我們可以建立又一熱平衡方程。公式（3）為電動機單位時間產(chǎn)生的總熱量 Q1=HT （7） 熱平衡方程為：Q≥Q1 即 CM△t≥HT （8） 式中，T—電動機斷水時間=10min；△t=水沸點溫度-設定水箱出口水溫。 2 水冷系統(tǒng)最小容積的確定 2.1冷卻水箱最小容積的確定 由熱平衡方程（8）我們可以初步確定冷卻水箱的容積V。將M=ρV代入式（8）則 V≥HT/C△tρ（

11、9） 為使電動機有較小的結(jié)構(gòu)體積，我們應結(jié)合電磁設計、機殼結(jié)構(gòu)設計等具體情況求得水箱的最小容積。 2.2 冷卻水箱的水流量確定 由熱平衡方程（4）我們可以初步確定冷卻水箱的水流量。將式（4）代入式（5），則 S≥H/ρCp（t出- t進） （10） 2.3 冷卻水箱水流壓力的確定 為保證水箱內(nèi)冷卻水的不斷流動，進入水箱的水流必須具有一定的壓力，該壓力是封閉管道中水流動的主要能量（即壓能），我們高該壓力為P1，出口處的水直接放入環(huán)境，其壓力P2等于大氣壓（壓力值采用標準工程大氣壓）。進水口與出水口的壓力差△p相當于不等高水位的勢能差（落差），即：P1-P2=△p=h。根據(jù)伯努利

12、方程闡述的流體在管道內(nèi)做定常流時的能量守恒和能量轉(zhuǎn)換定律，進水口與出水口水位勢能差將轉(zhuǎn)換為整個水流的動能增加。即 P1-P2=△p=h=V2/2g （11） 因出水口壓力P2等于標準工程大氣壓，則 P1=P2+V2/2g （12） 又因水箱的水流量已由式（10）確定，在我們根據(jù)工程結(jié)構(gòu)要求選用合適的進水口和出水口標準件管接頭，確定其截面積計算其流速后，就可進一步計算出進水壓力P1。式（12）是把水作為穩(wěn)態(tài)定常流動的理想液體進行計算的，但因冷卻水箱中水道結(jié)構(gòu)原因及水并非理想液體，水流過程不可愕然地產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失。實際選用進水壓力應大于計算值，根據(jù)煤礦井下情況一般選擇3

13、Mpa以下壓力水。 3 冷卻水箱的結(jié)構(gòu)設計 上述水冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)是水箱具體結(jié)構(gòu)設計的基本依據(jù)。我們以容積、流量、壓力為約束條件，結(jié)合電動機的電氣性能要求、外形安裝尺寸要求等，綜合調(diào)整各個數(shù)據(jù)，對水箱具體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化進行。 3.1 冷卻水箱基本結(jié)構(gòu)設計 煤礦井下電動機冷卻水箱是由電動機座外殼和水箱外殼組成的套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔布置導水流道，兩端用端環(huán)封堵，其容積大小是設計考慮的主要因素之一。機殼內(nèi)徑根據(jù)定子鐵心外徑確定，機殼壁厚則要綜合考慮其結(jié)構(gòu)強度、導熱效果及同其它零部件的安裝配合尺寸等因素確定，然后根據(jù)容積要求確定水箱外殼尺寸，并參照整機外形尺寸要求進行適當調(diào)整。水箱外殼壁應能保證

14、在內(nèi)部3Mpa壓力水壓力下不變形。 3.2 冷卻水箱內(nèi)流道結(jié)構(gòu)設計 水箱內(nèi)流道設計應盡量避免結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的液流阻力，如流道截面積的突然變化、水流方向急劇改變、管接頭過多、渦流區(qū)多死水面積大等缺陷。 冷卻水箱內(nèi)流道常采用螺旋式和折返式兩種基本結(jié)構(gòu)型式，各有特點和使用局限性。螺旋式繞電動機外殼，結(jié)構(gòu)通暢，流道截面積比較均衡，機同一端，必須通過外接水管把進水口和出水口調(diào)整到同一端位置，以方便外接水源安裝，見圖3。 折返式水道適合較小規(guī)格型號電動機。水道沿電動機外殼軸線方向平行排列，水流從機殼尾部進入沿水道到達機殼另端拐彎折回，往復多次復蓋機殼全部外表面后，又從機殼尾部流出，見圖4。

15、 折反式水道結(jié)構(gòu)折彎多，水流方向變化大，水流滯阻力較大。為克服這個缺點，應適當提高進水口水的壓力。但采用折返式水產(chǎn)的水箱，其進水口、出水口都可布置在水箱尾部端環(huán)上，與水源連接方便。電動機整機外形結(jié)構(gòu)簡潔、體積小，殼體外部可加工出用于安裝的定位面，特別適合于吞入安裝。 3.3 水道截面積的確定 螺旋式流道和折返式流道都是采用適當厚度鋼板，在機殼壁外按等間隔距離焊接，形成水道。水道截面呈矩形或扇形，我們以上已確定的冷卻水箱水流系統(tǒng)的容量、流量、壓力、流速為依據(jù)，綜合考慮確定水道截面尺寸。 3.4 冷卻水箱結(jié)構(gòu)工藝性設計 冷卻水箱即電動機的殼體，在整機中擔負多項功能，滿足冷卻性能、

16、隔爆性能及與其他零部件安裝配合等多項技術(shù)要求。其加工制造工藝較為復雜，因此在水箱殼體具體結(jié)構(gòu)設計時就必須考慮其加工制造的工藝性。水箱殼體制造工藝可分為殼體毛坯制造和機械加工兩大部分，其中殼體毛坯制造是關(guān)鍵。 水箱殼體為焊接組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成殼體的內(nèi)筒、外筒、端環(huán)及流道隔板等零件均要選用焊接性能和綜合機械性能較好的碳素結(jié)構(gòu)鋼（如Q235-A）。內(nèi)、外筒可直接選用結(jié)構(gòu)尺寸合適的管材，也可采用鋼板下料后卷圓而成。零件應粗加工出配合止口和焊接坡口，從而保證整體的尺寸精度和焊接質(zhì)量。水箱內(nèi)部流道隔板按設計尺寸和位置要求與內(nèi)筒外壁焊牢。如采用螺旋式結(jié)構(gòu)水道，則應選擇尺寸合適的小截面方鋼或圓鋼，進行預先成型，

17、然后套入內(nèi)筒焊接。流道隔板與內(nèi)筒焊接后應加工其外圓，保證與外筒內(nèi)壁的配合嚴密。水箱殼體焊接完成后，應進行消除焊接應力力處理，以減小機加工后殼體變形。水箱殼體全部精加工后，要求進行靜壓試驗，保持壓力3Mpa、歷時10s不滴水為合格。 4 結(jié)語 近幾年我們在煤礦井下用隔爆型水冷式電動機新產(chǎn)品開發(fā)設計中，應用上述設計理論和方法進行電動機水冷靜卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計，產(chǎn)品經(jīng)過型式試驗和工業(yè)運行試驗，實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果與設計要求達到統(tǒng)一，設計理論和方法行到驗證，為電動機水冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設計建立了科學依據(jù)，提高了設計的可靠性。特別是對一些有特殊要求的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電動機水冷系統(tǒng)的設計，在電動機非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電動機水冷系統(tǒng)的設計，在電動機功率參數(shù)、外形體積 安裝結(jié)構(gòu)等諸多約束條件限制下，如何實現(xiàn)可靠的冷卻效果有較大指導作用。 13 驕陽文書#