矿用隔爆型永磁同步电机水冷系统设计

（中煤科工集团上海有限公司，上海 200030）

0 引言

矿用隔爆型永磁同步电机不仅具有效率高、体积小、噪声低和运行平稳的特点，还配备了丰富的智能传感器和远程监控的通信接口，是矿用智能装备不可或缺的动力执行部件。近年来，在煤矿皮带运输系统中得到了广泛的应用。矿用隔爆型永磁同步电机采用三相永磁同步方案，主要是由定子、转子、端盖、轴承、隔爆外壳（含水套机座）和位置传感器等部件组成的，为了保证电磁温度控制，电机需要独特的水冷结构设计[1]。

1 隔爆电机水冷却结构设计

矿用隔爆型永磁同步电机是由高效稀土永磁材料作为励磁，在满足给定输出功率的同时，它的质量和体积能够大大减小，几乎是普通电机的一半，使得功率密度得到了大幅的提高[2]。电机发热主要集中在定子上，易于采取水冷的方式散热。设计时采用钕铁硼NdFeB.42UH 磁钢，磁钢平均工作温度为90℃，转子永磁体工作温度为90℃。

永磁电机采用空水冷冷却，其冷却结构如图1 所示。电机外壳圆筒采用钢板焊接，形成了圆形水套机座结构方式，定子铁心与水套机座采用热套方式压装，以此来增加传热效果。铁心和铁心段绕组产生的损耗主要包括铜耗与铁耗，电机端部热量经过铜绕组传递至直线段，再通过定子铁心传走。设计时转子损耗也不可忽略，电机内部通过风扇形成循环风路，热量通过风路传递至定子铁心轭部，再传递到水冷机座上带走所有热量[3]。

按照标准MT/T847 要求，水道应承受4.5 MPa 的静水压力，历时5 min，水道不应发生变形和渗漏。电机内桶需要承受1.0 MPa 的静水压力，历时1 min，不应发生变形和渗漏。为了保证水道强度，除了采用热套工艺外，还需要在挡水条上增加铆钉加固，以防止水压造成膨胀。在水道设计上需要进行防锈处理，涂覆防锈油，在底部设计排水口，用于排尽水道中的水，以免对水道造成锈蚀破坏。水道加工时焊缝不允许有夹渣、针孔、零部件铁屑、焊渣、飞溅物和疤痕物等杂物，保证水道的畅通。

2 冷却水道计算分析

冷却水道采用“Z”结构设计，可以使冷却水带走更多的热量，进出水口设计在电机中部，如图2 所示。这种设计结构比采用铜管与外壳壁贴靠传递方式简单，且不需要铜管与隔爆外壳的隔爆接合，具有生产工艺简单、生产成本低的特点。冷却水道计算的方式是根据电机水路主要参数和水的温度及其物性参数对永磁同步电机的水冷结构进行理论计算[4]。

图1 永磁电机冷却结构

图2 水道结构

挡水条高度12 mm，宽度30 mm，电机水道宽度设计为64 mm，水套截面周长152 mm，长度670 mm，设计有20 条挡水条均分列在电机内筒外壁。根据电机尺寸设计的隔爆电机的水道参数，见表1。水的温度及其物性参数见表2。按照GB3836.1 的标准要求，电机需要在最不利条件下测试隔爆外壳温度，所以电机冷却水量取2.3 m3/h 计算。

表1 水道主要参数

表2 水的温度及其物性参数

将以上数值带入公式，计算结果如下：

当量直径

式中：d—当量直径，m。A—水道截面积，m2。U—湿润周长，m。

水道内水流流速

式中：Q—水道冷却水量，m3/h。A—水道截面积，m2。

由雷诺数公式

式中：V—水道内水流流速， m/s。d—当量直径，m。uf—30℃水的运动粘度，Pa·s。

其中，取30℃水的运动粘度uf为8.06×10-7Pa·s，由Re>104判断，水流系统流态为湍流。根据怒谢尔特系数：

对流热系数

式中：Re—雷诺数。Pr—普朗克系数。d—当量直径，m。L—通道周长，m。uf—30℃水的运动粘度， Pa·s。ux—动力粘度，Pa·s。

计算出热交换后水路壁的平均温度

式中：P1—电机损耗，kW。tav—平均温度，℃。

式中：P1为电机损耗为38 kW。α—对流热系数。S—散热面积，m2。经过理论计算，水路壁的平均温度小于40℃，符合设计要求。

3 水冷系统的选配

隔爆型水冷电机不仅在额定工矿下需要满足温升的要求，电机的最高表面温度也可在GB/T755 规定的“A 区”内最不利的试验电压下测定，这就对水冷效果在隔爆的安全性能上提出了更高的要求[5]。隔爆型水冷电机可以选用大流量和大水压的外置水源，但有时受煤矿井下条件的限制，没有合适的冷却水源，就需要配置自循环水冷却系统。水冷却系统的选择需要考虑电机损耗、流量、进出口水温等因素。为了满足永磁隔爆电机要求，对自循环水冷机进行了选择，参数见表3。

表3 自循环水冷机基本参数

水泵输送介质为清水（不溶物：≤30 mg/L），硬度不超过12（德国度），相当于每升水中含有0.12 g 的 CaO，或物理化学性质类似于清水的其他液体，以保证自循环冷系统和水道长期使用。此外，煤矿井下的自循环水冷系统还需要选择隔爆型的冷却系统。

4 结论

该项目研究的矿用隔爆型水冷永磁同步电机，通过从水道的结构设计到冷却分析计算，结合现场的应用条件配置了水冷却系统，经额定负载和95%额定电压下额定负载的最不利条件下进行温度测试，其水冷效果符合了GB3836.1、IEC60079-0 标准的要求，保证了磁钢的安全工作温度，电机性能满足设计要求。电机通过动态爆炸测试筒体和水道的强度，符合了GB3836.2 的强度要求。电机经过温度和外壳强度的检验，设计符合了行业标准的要求。