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1、 煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)水冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 姜瑞杰 2008級機(jī)電一體化專業(yè) 摘 要 對煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。圍繞電動(dòng)機(jī)溫度場分析、熱平衡計(jì)算、冷卻系統(tǒng)水流參數(shù)計(jì)算、冷卻水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，并結(jié)合實(shí)踐闡述了相關(guān)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞 煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)：水冷卻系統(tǒng)；水冷式結(jié)構(gòu) 0 引言 煤礦井下設(shè)備采用的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)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(shè)備特殊的運(yùn)行狀況決定的。煤礦井下水冷式電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)： （1）煤礦井下作業(yè)場狹窄，設(shè)備留給時(shí)機(jī)

2、的安裝空間較小，環(huán)境空氣流動(dòng)性差。電動(dòng)機(jī)采用風(fēng)（空氣）冷卻結(jié)構(gòu)，效果受到很大影響。尤其是在采掘面，當(dāng)煤塊、粉塵等堆積物阻塞電動(dòng)機(jī)外部的通風(fēng)散熱通道時(shí)，電動(dòng)機(jī)通風(fēng)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(gè)缺點(diǎn)。煤礦井下一般不缺壓力源，水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣。只要時(shí)機(jī)的水冷靜系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其冷卻效果和可靠性優(yōu)于風(fēng)冷靜式電動(dòng)機(jī)。 （2）煤礦井用電動(dòng)機(jī)因受設(shè)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上沒有風(fēng)扇、風(fēng)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(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)。 （3）煤礦井下采掘、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備，因其特

3、殊的工作條件，往往負(fù)荷波動(dòng)很大，所用電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行狀況進(jìn)有發(fā)生，造成電動(dòng)機(jī)溫升增高。另外在設(shè)計(jì)這些設(shè)備使用的電動(dòng)機(jī)時(shí)，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(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心外徑，加長定、轉(zhuǎn)子鐵心長度的設(shè)計(jì)方案。由典型的時(shí)機(jī)溫升設(shè)計(jì)理論可知，鐵心較長的時(shí)機(jī)其熱負(fù)荷往往偏高，溫升計(jì)算誤差也較大，這兩方面的原因致使電動(dòng)機(jī)的溫升處于不可靠狀態(tài)。盡管采用提高電動(dòng)機(jī)絕緣等級的方法進(jìn)行彌補(bǔ)，但電動(dòng)機(jī)使用壽命也將大打折扣。而水冷式結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)具有較好的冷卻效果，可彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)溫升設(shè)計(jì)誤差及超負(fù)荷運(yùn)行帶來的缺點(diǎn)。 （4）水冷式電動(dòng)機(jī)無風(fēng)扇、風(fēng)罩等零件，因此不會產(chǎn)生風(fēng)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(dòng)機(jī)效率較高、噪聲低、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。 從以上分析可以看出水冷卻系統(tǒng)在煤礦井下用電動(dòng)機(jī)上的重要作用，因此對其系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究必要。目前國內(nèi)許多電機(jī)廠家都積累了各自在此方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，亟待進(jìn)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(dòng)機(jī)的溫度場分析與熱平衡計(jì)算 1.1 溫度場分析 水冷式電動(dòng)機(jī)的溫度場同風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)基本相似，其不同處在于風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)是靠自帶風(fēng)扇吹動(dòng)機(jī)殼外的空氣帶走熱量，而水冷式電動(dòng)機(jī)是利用包在機(jī)殼外水箱里水的流動(dòng)帶走熱量。介質(zhì)的物理特性有較大差異。進(jìn)行水冷式時(shí)機(jī)溫度場熱路分析，可以借用風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)等效熱路模型

5、。見圖1。 從等效熱路可以看出，整個(gè)熱路系統(tǒng)傳熱方式多樣，傳熱路線復(fù)雜。根據(jù)實(shí)際工程的要求，我們可以對問題做以下簡化和設(shè)定。 （1）電動(dòng)機(jī)的溫度分布沿圓周方向?qū)ΨQ，電動(dòng)機(jī)在圓周方向冷卻條件相同。 （2）對時(shí)機(jī)內(nèi)部的各種傳熱方式和路線進(jìn)行簡化，認(rèn)定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量全部通過機(jī)殼壁法線方向向外傳遞，即熱量先以導(dǎo)熱的方式傳給機(jī)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(shí)際要求和導(dǎo)熱基本定律分別確定和計(jì)算其溫度值。

6、其中，t—GB755—2000規(guī)定的電動(dòng)機(jī)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(shè)定為電動(dòng)機(jī)繞組及繞組及鐵心等內(nèi)部各發(fā)熱源傳遞至機(jī)殼壁的溫度限值。為保證時(shí)機(jī)絕緣壽命可靠性，取t1~ t2段是導(dǎo)熱方式傳熱，按傅立葉導(dǎo)熱基本定律 q1=(t1 - t2)/ (1) 由此可計(jì)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(jì)算t3 q1—導(dǎo)熱方式傳熱流量（W）；q2—對流方式傳熱熱流量（W）；λ—導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）; t2—接觸表面（機(jī)座表面）溫度（℃）；t

7、3—流體溫度（℃）；B—機(jī)座壁厚（m）; A—接觸表面面積（m2）。 （3）我們設(shè)定電動(dòng)機(jī)的熱量主要來自電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中定轉(zhuǎn)子繞組的損耗、硅鋼片鐵耗、機(jī)械耗及其他雜散損耗，即 H=p2(1/η-1) 式中，H—時(shí)機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量（kw，KJ/h）；p2—電動(dòng)機(jī)額定輸出功率（kw）；η—電動(dòng)機(jī)的效率。 （4）我們廟宇電動(dòng)機(jī)冷卻水箱里的水為理想液體做定常流動(dòng)。 1.2 熱平衡計(jì)算 1.2.1 如上所述電動(dòng)機(jī)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(diǎn)。對流傳熱的熱流量與其介質(zhì)性質(zhì)、流動(dòng)速

8、度、接觸面積、接觸面溫差有密切關(guān)系。熱力學(xué)試驗(yàn)證明，熱流量與的過程關(guān)系很大。電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jì)算與實(shí)際狀況差別太大。根據(jù)水的熱力學(xué)性質(zhì)和具體狀況，我們采用以下經(jīng)驗(yàn)公式更符合工程實(shí)際要求。 Φ=SρCp(t進(jìn)- t出) （4） 式中，Φ—單位時(shí)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(jìn)—進(jìn)水口水溫，按煤礦井下情況我們設(shè)定為30℃；t出—出水口水溫，為避免燙傷，我們設(shè)定為50℃。 設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)

9、是電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)生異常狀況造成水流中斷時(shí)，原熱平衡狀態(tài)將被破壞。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量不能被水帶出，導(dǎo)致水箱內(nèi)積水溫度不斷升高，直至達(dá)到沸點(diǎn)溫度。這種情況也是電動(dòng)機(jī)水冷卻系設(shè)計(jì)必須考慮的。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水冷式電動(dòng)機(jī)當(dāng)達(dá)到額定運(yùn)行熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，斷水10min，定子繞組端部溫度應(yīng)不超過相應(yīng)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(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中對水冷式電動(dòng)機(jī)斷水要求的時(shí)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(dòng)機(jī)單位時(shí)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(dòng)機(jī)斷水時(shí)間=10min；△t=水沸點(diǎn)溫度-設(shè)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(dòng)機(jī)有較小的結(jié)構(gòu)體積，我們應(yīng)結(jié)合電磁設(shè)計(jì)、機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)） （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(dòng)，進(jìn)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)工程大氣壓）。進(jìn)水口與出水口的壓力差△p相當(dāng)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(shí)的能量守恒和能量轉(zhuǎn)換定律，進(jìn)水口與出水口水位勢能差將轉(zhuǎn)換為整個(gè)水流的動(dòng)能增加。即 P1-P2=△p=h=V2/2g （11） 因出水口壓力P2等于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)水口和出水口標(biāo)準(zhǔn)件管接頭，確定其截面積計(jì)算其流速后，就可進(jìn)一步計(jì)算出進(jìn)水壓力P1。式（12）是把水作為穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)的理想液體進(jìn)行計(jì)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(shí)際選用進(jìn)水壓力應(yīng)大于計(jì)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(shè)計(jì) 上述水冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)是水箱具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的電氣性能要求、外形安裝尺寸要求等，綜合調(diào)整各個(gè)數(shù)據(jù)，對水箱具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行。 3.1 冷卻水箱基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 煤礦井下電動(dòng)機(jī)冷卻水箱是由電動(dòng)機(jī)座外殼和水箱外殼組成的套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔布置導(dǎo)水流道，兩端用端環(huán)封堵，其容積大小是設(shè)計(jì)考慮的主要因素之一。機(jī)殼內(nèi)徑根據(jù)定子鐵心外徑確定，機(jī)殼壁厚則要綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、導(dǎo)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(jī)外形尺寸要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。水箱外殼壁應(yīng)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(shè)計(jì) 水箱內(nèi)流道設(shè)計(jì)應(yīng)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(diǎn)和使用局限性。螺旋式繞電動(dòng)機(jī)外殼，結(jié)構(gòu)通暢，流道截面積比較均衡，機(jī)同一端，必須通過外接水管把進(jìn)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(dòng)機(jī)。水道沿電動(dòng)機(jī)外殼軸線方向平行排列，水流從機(jī)殼尾部進(jìn)入沿水道到達(dá)機(jī)殼另端拐彎折回，往復(fù)多次復(fù)蓋機(jī)殼全部外表面后，又從機(jī)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(gè)缺點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)提高進(jìn)水口水的壓力。但采用折返式水產(chǎn)的水箱，其進(jìn)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(dòng)機(jī)整機(jī)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(dāng)厚度鋼板，在機(jī)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(shè)計(jì) 冷卻水箱即電動(dòng)機(jī)的殼體，在整機(jī)中擔(dān)負(fù)多項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)要求。其加工制造工藝較為復(fù)雜，因此在水箱殼體具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(jī)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(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)選擇尺寸合適的小截面方鋼或圓鋼，進(jìn)行預(yù)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(yīng)加工其外圓，保證與外筒內(nèi)壁的配合嚴(yán)密。水箱殼體焊接完成后，應(yīng)進(jìn)行消除焊接應(yīng)力力處理，以減小機(jī)加工后殼體變形。水箱殼體全部精加工后，要求進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，保持壓力3Mpa、歷時(shí)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(dòng)機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用上述設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)水冷靜卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品經(jīng)過型式試驗(yàn)和工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果與設(shè)計(jì)要求達(dá)到統(tǒng)一，設(shè)計(jì)理論和方法行到驗(yàn)證，為電動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建立了科學(xué)依據(jù)，提高了設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)可靠的冷卻效果有較大指導(dǎo)作用。 13 驕陽文書#