高压隔爆型三相异步电动机开发*

吕朝帅，田儒彰，陈中洋，曹佳冉

(1中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400050；2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400050)



高压隔爆型三相异步电动机开发*

吕朝帅，田儒彰，陈中洋，曹佳冉

(1中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400050；2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400050)

针对煤矿主通风机用高压电机在工程应用中频繁出现的质量问题进行分析，提出了技术解决方案，开发了达到GB 30254—2013中2级能效要求的YBF2系列风机用高压隔爆型三相异步电动机，并结合产品试验数据进行技术水平对比分析。

煤矿主通风机；电动机；2级能效

0 引言

通风机作为煤矿井下主要的通风设备，其运行可靠性是煤矿安全生产的重要保障，其中对旋式轴流风机由于具有安装简单、成本较低的优点，约占煤矿主通风机用量的2/3，且局部通风机几乎全部是对旋结构[1、2]。然而由于对旋式轴流风机的特殊负载特性，其配套电动机经常出现起动时间长、超载运行、温升高及轴承损坏等质量问题，而且存在技术更新落后、体积庞大、重量沉、能效水平低等问题。通过走访用户并结合煤矿主通风机的发展趋势及配套电动机的工况特性，全新研制了新一代主通风机用高压隔爆型三相异步电动机YBF2系列。

1 煤矿主通风机用电动机的工况特性

1.1 工作环境

风机安装示意图见图1，由于隔流腔和主风道之间的正负压问题，其一级风机的Ⅰ级电动机隔流腔内瓦斯浓度达到0.1%～0.3%，不存在安全隐患；而二级风机的Ⅱ级电动机隔流腔内瓦斯浓度达到2.2%～2.8%，存在着瓦斯浓度超限问题[3]，另外风机为了减小风阻损耗提高效率，必须将电动机安装在完全封闭的空腔内，致使电机运行的环境温度增高了大约10℃，降低电机冷却散热效果，容易造成绕组烧毁，并且煤矿井下的空气中含有大量的粉尘(浓度50～100mg/m3)，很可能随着电机进出风不均匀的聚集在风扇上，产生较大的不平衡，造成电机剧烈震动，损坏轴承[4、5]。

图1 风机安装示意图

1.2 负载转动惯量大

随着我国煤矿井下高产高效综采的快速发展，工作面走向越来越长，长距离大断面掘进巷道随之诞生，井下用风量逐渐增加，这就要求大风量、高风压的通风机来满足其需求[6]。目前矿用通风机叶轮外直径为2～4m，重量约为500～2500kg，所以其配套电动机需满足大转动惯量负载的启动要求，避免启动电流过大、启动时间过长烧毁电机。

1.3 轴承工况恶劣

由于风机叶轮直接安装在电机输出轴上由电机直接传动，所以电机轴承除了承受转子自身的重量外，还需要承受叶轮的重量及其在运转过程中所产生的轴向力，同时会出现在风机运行过程中气动不平衡引起的动载荷及刹车时所产生的不平衡力。除此之外由于叶轮的外形尺寸和重量问题，很容易在装配和运输过程中对电机轴承造成早期损伤。据不完全统计YBF系列高压风机用电动机的轴承故障约占风机故障的80%以上[7]。

1.4 Ⅱ级电动机过载运行

对旋式轴流通风机之所以越来越被人们认可，原因是其通过一级叶轮作为风量的保证，二级叶轮进一步做功以提高其通风压力，两级风机共同作用使其具有风量大、全压高的特点，能够长距离通风。但由于通风距离与流量成反比，当通风距离稍微增加，流量减小，Ⅱ级电机负载就会增加很快，所以当通风距离增加到一定程度时，虽然两级风机的总功率尚未达到单级的两倍，但是Ⅱ级电机的负载就已远远超出了额定功率，从而导致电机烧毁[8]。

1.5 变频技术应用

煤矿主通风机在煤矿安全生产中起着至关重要的作用，由于其功率大且必须保持连续运转，因而耗电很大，其耗电量占煤矿总用电量的15%～30%。并且在生产过程中，风机所提供的风量及风压是随着煤矿生产能力和其他条件的变化而不断变化的。变频调速控制系统以其可靠性高、调节方便灵活、节能效果显著等优点已经成为矿井通风机控制系统的首选[9]。所以煤矿主通风机用高压电机既要符合常规电源供电的使用要求，也要满足变频器供电的情况。

1.6 反风要求

矿井反风是在矿井发生火灾时一项非常重要而有效的风流调度的救灾措施。特别是在矿井入风井筒、入风大巷等进风井巷道发生火灾时，采取反风措施使高温烟流和有害气体由进风井筒排除，从而保证井下作业人员的安全撤离和缩小灾害范围[10]。因此矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向[11]。

2 电机研制的技术解决方案

针对煤矿主通风机用电机的工况特点，对YBF2系列风机用高压隔爆型三相异步电动机提出以下技术解决方案。

2.1 全系列采用IC411管夹片冷却结构

YBF系列电机采用IC511的冷却方式，电机体积大，部分风机筒要做成异性结构才能满足其安装要求。YBF2系列电机全系列采用经优化的管夹片式IC411冷却结构，增加功率密度，缩小电机体积，不仅满足了电机的安装要求，并且在风机筒直径不变的前提下通过电机本体优化达到增加风机过风面积、提高风量的效果，符合目前国内煤矿主通风机的发展趋势。YBF2系列电机与YBF系列电机体积及重量对比见表1，相同功率下可降低2～3个机座号，重量减轻340～7600kg。

表1 YBF2系列与YBF系列电机体积及重量对比

2.2 提高电机起动性能

根据电机学原理，提高电机起动转矩倍数、降低起动电流倍数可以缩短电机起动时间、降低电机起动时的发热量、减小电流冲击对绕组绝缘和转子的损伤，提高电机最大转矩倍数可以提高其过载能力。YBF2系列风机用电机与YBF系列及通用电机起动性能比较见表2。

表2 YBF2系列风机用电机与YBF系列及通用电机起动性能比较

2.3 提高轴承使用寿命

由于风机用电机的工况特性，其轴承受力情况与普通电机相比发生了很大的变化。普通电机的轴承受力示意图如图2所示。风机用电机的轴承受力示意图如图3所示。

图2 普通电机轴承受力示意图

图3 风机用电机轴承受力示意图

图2、图3中，G—电机转子重量；T—单边磁拉力；FrA—电机非轴伸端轴承所受的径向力；FrB—电机轴伸端轴承所受的径向力；Fr—风机叶轮作用在电机轴上的径向力；Fa—电机所受的风机叶轮引起的轴向力。

普通电机所受径向力

风机用电机所受径向力

合理的进行轴承选型，正确使用和维护电机轴承，可有效降低轴承故障率，确保矿用主通风机的安全可靠性运行。YBF2系列样机轴承寿命见表3，后端轴承寿命较长，一方面是由于后端采用不承受轴向力的单一柱轴承结构，且承受径向力比较小，但符合最小径向载荷要求；另一方面是由于风机厂对副轴伸的特殊要求导致后端轴承选型受限。

表3 YBF2系列风机用高压隔爆型三相异步电动机样机轴承寿命

2.4 提高电机使用系数

提高电机使用系数，一方面通过电机本体优化来改善二级风机配套电动机过载的问题，避免电机烧毁；另一方面由于风机用电机安装在封闭的空腔内，致使其运行的环境温度过高，大大降低了其散热能力，电机需要预留温升余量。

我国标准和IEC标准均没有对高压电机使用系数的明确规定[13]，但是为了避免风机系统整体效率过低，这就需要电机厂与风机厂做好前期选型设计沟通，可以考虑提高电机使用系数，但裕量不可过大，一般为1.15～1.2倍比较合理[14]，也可以考虑选择不同功率电机。

2.5 采用变频电机设计措施

由于变频技术在煤矿通风系统中的应用，要求其配套电机既能满足常规电源供电也能满足变频电源供电，设计措施如下

(1)采用变频电磁线，满足变频器脉冲电源的使用要求。

(2)由于风机用电动机是多极数电机，通过选择合适的槽配合、采用斜槽、控制气隙磁密等电磁设计方案降低电磁噪声。

2.6 双向风路，控制损耗

为了满足矿井反风要求，YBF2系列电机内外风扇均采用双向风路结构，考虑其安装环境不利于电机的散热，所以适当加大内外风扇外径提高电机的冷却能力，但是随之而来的机械损耗的增加导致电机效率下降。YBF2系列是以满足GB 30254—2013中2级能效要求为开发目的的风机用电机，这就需要在风扇选择上考虑机械损耗的影响来保证效率，通过控制外风路风速来保证温升，具体取值见表4。

表4 YBF2系列风机用高压隔爆型三相异步电动机机械损耗与外风路风速控制

3 样机性能分析

根据以上技术方案，进行了YBF2系列风机用高压隔爆型三相异步电动机的开发，并试制生产了涵盖6kV、10kV机座号H355～H560共5台性能样机，完成了型式试验、湿热试验、防爆试验等试验项目，试验全部合格。关键试验结果见表5、表6、图4、图5、图6、图7、图8。试验数据表明，样机的防爆性能、启动性能、过载能力、能效等级都符合国家标准及本文提出的考核指标。

表5 湿热试验

表6 防爆试验

注：样机中所有腔体内部点燃不传爆试验均未传爆。

图4 样机堵转转矩倍数

图6 样机最大转矩倍数

图7 样机温升

图8 样机效率

4 结语

YBF2系列电机的开发填补了国内没有2级能效矿用风机用高压隔爆型三相异步电动机的空白，全系列采用IC411结构推动矿用主通风机用电机向紧凑型发展，解决了国内矿用风机用高压电机堵转转矩小、启动时间长的问题。

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Development of Flame-Proof High-Voltage Three-Phase Induction Motor

LyuChaoshuai,TianRuzhang,ChenZhongyang,andCaoJiaran

(1.CCTEG Chongqing Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 400050, China；2.National Key Laboratory of Gas Hazard Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400050, China)

This paper analyzes the quality problems occurred in engineering application of high-voltage motor for colliery main fan and provides technical solutions. YBF2 series high-voltage flame-proof three-phase induction motor which meet the requirements of 2-grade energy efficiency in GB 30254-2013 were developed. The comparative analysis of technical level were carried out based on experimental data of product.

Colliery main fan；electric motor；2-grade energy efficiency

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目(项目编号：2015ZD003)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.10

TM357

B

1008-7281(2016)06-0030-005

吕朝帅 男 1986年生；毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，现从事高压电机的设计研发工作.

2016-06-07