电动机水冷却结构设计..

煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却结构设计

姜瑞杰

2008级机电一体化专业

摘要对煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却系统及结构的设计进行探讨。围绕电动机温度场分析、热平衡计算、冷却系统水流参数计算、冷却水箱结构设计几个方面，并结合实践阐述了相关设计理论和设计方法。

关键词煤矿井下用隔爆型三相异步电动机：水冷却系统；水冷式结构

0 引言

煤矿井下设备采用的隔爆型三相异步电动机其冷却系统常采用水冷式结构（通常为ICW37）。这是基于煤矿井下特殊的环境条件和煤矿设备特殊的运行状况决定的。煤矿井下水冷式电动机具有以下特点：

（1）煤矿井下作业场狭窄，设备留给时机的安装空间较小，环境空气流动性差。电动机采用风（空气）冷却结构，效果受到很大影响。尤其是在采掘面，当煤块、粉尘等堆积物阻塞电动机外部的通风散热通道时，电动机通风散热状况将更加恶劣。而采用水冷静却结构，则避免了这个缺点。煤矿井下一般不缺压力源，水的导热系数远远大于空气。只要时机的水冷静系统流道结构设计合理，其冷却效果和可靠性优于风冷静式电动机。

（2）煤矿井用电动机因受设备安装要求限制，往往要求有较小的外形体积和简单的外形结构。水冷式电动机结构上没有风扇、风罩、散热片等零件，并且水道布置在封闭的壳体之内，因此其外形简约，体积小于相同功率的风冷式电动机。

（3）煤矿井下采掘、运输等设备，因其特殊的工作条件，往往负荷波动很大，所用电动机超负荷运行状况进有发生，造成电动机温升增高。另外在设计这些设备使用的电动机时，考虑到其外形体积和功率大小两方面要求，往往采用减小电动机定、转子铁心外径，加长定、转子铁心长度的设计方案。由典型的时机温升设计理论可知，铁心较长的时机其热负荷往往偏高，温升计算误差也较大，这两方面的原因致使电动机的温升处于不可靠状态。尽管采用提高电动机绝缘等级的方法进行弥补，但电动机使用寿命也将大打折扣。而水冷式结构的电动机具有较好的冷却效果，可弥补电动机温升设计误差及超负荷运行带来的缺点。

（4）水冷式电动机无风扇、风罩等零件，因此不会产生风摩损耗和噪声，并且冷却水箱还具有吸振减振效果，这些又形成了电动机效率较高、噪声低、振动小的优点。

从以上分析可以看出水冷却系统在煤矿井下用电动机上的重要作用，因此对其系统和结构的设计研究必要。目前国内许多电机厂家都积累了各自在此方面的宝贵经验，亟待进行理论性的整理和提高。本文试对此问题展开初步探讨。

1 水冷式电动机的温度场分析与热平衡计算

1.1 温度场分析

水冷式电动机的温度场同风冷式电动机基本相似，其不同处在于风冷式电动机是靠自带风扇吹动机壳外的空气带走热量，而水冷式电动机是利用包在机壳外水箱里水的流动带走热量。介质的物理特性有较大差异。进行水冷式时机温度场热路分析，可以借用风冷式电动机等效热路模型。见图1。

从等效热路可以看出，整个热路系统传热方式多样，传热路线复杂。根据实际工程的要求，我们可以对问题做以下简化

和设定。

（1）电动机的温度分布沿圆周方向对称，电动机在圆周方向冷却条件相同。

（2）对时机内部的各种传热方式和路线进行简化，认定电动机运行产生的热量全部通过机壳壁法线方向向外传递，即热量先以导热的方式传给机壳壁，又以对流方式传给水箱内的冷却水，流出水箱的水带走大部分热量，小部分热量由水传递给水箱外壁后在空气中散发，见图2。

（3）图2显示热传递过程的温度梯度。t 、t 1、t 2、t 3、t 4分别是各界面的温度。我们根据工程实际要求和导热基本定律分别确定和计算其温度值。

其中，t —GB755—2000规定的电动机绕组的温度限值（）即最高环境温度+绕组的温升限值，B 级为120℃，F 级为145℃，H 级为165℃）；

t 1—我们设定为电动机绕组及绕组及铁心等内部各发热源传递至机壳壁的温度限值。为保证时机绝缘寿命可靠性，取t 1~ t 2段是导热方式传热，按傅立叶导热基本定律

q 1=(t 1 - t 2)/A B (1)

由此可计算t 2

t 2~ t 3段是对流方式传热按牛顿冷却定律

q 2=A α（t 2 - t 3）

由此可计算t 3

q1—导热方式传热流量（W）；q2—对流方式传热热流量（W）；λ—导热系数（W/m℃）; t2—接触表面（机座表面）温度（℃）；t3—流体温度（℃）；B—机座壁厚（m）; A—接触表面面积（m2）。

（3）我们设定电动机的热量主要来自电动机运行中定转子绕组的损耗、硅钢片铁耗、机械耗及其他杂散损耗，即H=p2(1/η-1)

式中，H—时机单位时间产生的热量（kw，KJ/h）；p2—电动机额定输出功率（kw）；η—电动机的效率。

（4）我们庙宇电动机冷却水箱里的水为理想液体做定常流动。

1.2 热平衡计算

1.2.1 如上所述电动机产生的热量绝大部分被具有一定压力和流速的水带出冷却水箱外散发（传给水箱外壁的热量因量少且散热条件差可发忽略），因此对流传热部分是我们研究的重点。对流传热的热流量与其介质性质、流动速度、接触面积、接触面温差有密切关系。热力学试验证明，热流量与的过程关系很大。电动机水冷静系统的水不是在水箱内封闭状态对流传热，而是从进口流入，经过内部流道吸收热量，再从出口流出。如果按经典理论公式计算与实际状况差别太大。根据水的热力学性质和具体状况，我们采用以下经验公式更符合工程实际要求。

Φ=SρC p(t进- t出) （4）

式中，Φ—单位时间流出水箱的水带走的热量（kw，kJ/h）；s—水流量（m3/s）；ρ—介质密度（kg/ m3）；C p—介质比热（J/kg℃）；t进—进水口水温，按煤矿井下情况我们设定为30℃；t出—出水口水温，为避免烫伤，我们设定为50℃。

设计的理想状态是电动机运行产生的热量全部由冷却水带走（忽略水箱外壁和端盖外壁散发的热量），使电动机温升保持在绝缘材料的温度限值之内。由此建立热平衡方程Φ≥H （5）

1.2.2 当发生异常状况造成水流中断时，原热平衡状态将被破坏。电动机产生的热量不能被水带出，导致水箱内积水温度不断升高，直至达到沸点温度。这种情况也是电动机水冷却系设计必须考虑的。有关标准规定水冷式电动机当达到额定运行热稳定状态时，断水10min，定子绕组端部温度应不超过相应绝缘材料的温度限值。水具有良好的热容性，由水的比热公式Q=CM△t （6）

式中，Q—水吸收的热量（kw，KJ/h）；C—比热（J/kg℃）；M—质量（kg）；△t—温度增量（℃）。

可知水的质量越大吸收的热量越多，则能保证电动机内部热量不断传出，使定子绕组温度不超过限值。根据水的热容特性和相关标准中对水冷式电动机断水要求的时间和温度限定要求，我们可以建立又一热平衡方程。公式（3）为电动机单

位时间产生的总热量

Q1=HT （7）

热平衡方程为：Q≥Q1即

CM△t≥HT （8）

式中，T—电动机断水时间=10min；△t=水沸点温度-设定水箱出口水温。

2 水冷系统最小容积的确定

2.1冷却水箱最小容积的确定

由热平衡方程（8）我们可以初步确定冷却水箱的容积V。将M=ρV代入式（8）则

V≥HT/C△tρ（9）

为使电动机有较小的结构体积，我们应结合电磁设计、机壳结构设计等具体情况求得水箱的最小容积。

2.2 冷却水箱的水流量确定

由热平衡方程（4）我们可以初步确定冷却水箱的水流量。将式（4）代入式（5），则

S≥H/ρC p（t出- t进）（10）

2.3 冷却水箱水流压力的确定

为保证水箱内冷却水的不断流动，进入水箱的水流必须具有一定的压力，该压力是封闭管道中水流动的主要能量（即压能），我们高该压力为P1，出口处的水直接放入环境，其压力P2等于大气压（压力值采用标准工程大气压）。进水口与出水

口的压力差△p相当于不等高水位的势能差（落差），即：P1-P2=△p=h。根据伯努利方程阐述的流体在管道内做定常流时的能量守恒和能量转换定律，进水口与出水口水位势能差将转换为整个水流的动能增加。即

P1-P2=△p=h=V2/2g （11）

因出水口压力P2等于标准工程大气压，则

P1=P2+V2/2g （12）

又因水箱的水流量已由式（10）确定，在我们根据工程结构要求选用合适的进水口和出水口标准件管接头，确定其截面积计算其流速后，就可进一步计算出进水压力P1。式（12）是把水作为稳态定常流动的理想液体进行计算的，但因冷却水箱中水道结构原因及水并非理想液体，水流过程不可愕然地产生沿程压力损失和局部压力损失。实际选用进水压力应大于计算值，根据煤矿井下情况一般选择3Mpa以下压力水。

3 冷却水箱的结构设计

上述水冷却系统的主要参数是水箱具体结构设计的基本依据。我们以容积、流量、压力为约束条件，结合电动机的电气性能要求、外形安装尺寸要求等，综合调整各个数据，对水箱具体结构进行优化进行。

3.1 冷却水箱基本结构设计

煤矿井下电动机冷却水箱是由电动机座外壳和水箱外壳组成的套筒式结构，内腔布置导水流道，两端用端环封堵，其

容积大小是设计考虑的主要因素之一。机壳内径根据定子铁心外径确定，机壳壁厚则要综合考虑其结构强度、导热效果及同其它零部件的安装配合尺寸等因素确定，然后根据容积要求确定水箱外壳尺寸，并参照整机外形尺寸要求进行适当调整。水箱外壳壁应能保证在内部3Mpa压力水压力下不变形。

3.2 冷却水箱内流道结构设计

水箱内流道设计应尽量避免结构上产生的液流阻力，如流道截面积的突然变化、水流方向急剧改变、管接头过多、涡流区多死水面积大等缺陷。

冷却水箱内流道常采用螺旋式和折返式两种基本结构型式，各有特点和使用局限性。螺旋式绕电动机外壳，结构通畅，流道截面积比较均衡，机同一端，必须通过外接水管把进水口和出水口调整到同一端位置，以方便外接水源安装，见图3。

折返式水道适合较小规格型号电动机。水道沿电动机外壳轴线方向平行排列，水流从机壳尾部进入沿水道到达机壳另端拐弯折回，往复多次复盖机壳全部外表面后，又从机壳尾部流出，见图4。

折反式水道结构折弯多，水流方向变化大，水流滞阻力较

大。为克服这个缺点，应适当提高进水口水的压力。但采用折返式水产的水箱，其进水口、出水口都可布置在水箱尾部端环上，与水源连接方便。电动机整机外形结构简洁、体积小，壳体外部可加工出用于安装的定位面，特别适合于吞入安装。3.3 水道截面积的确定

螺旋式流道和折返式流道都是采用适当厚度钢板，在机壳壁外按等间隔距离焊接，形成水道。水道截面呈矩形或扇形，我们以上已确定的冷却水箱水流系统的容量、流量、压力、流速为依据，综合考虑确定水道截面尺寸。

3.4 冷却水箱结构工艺性设计

冷却水箱即电动机的壳体，在整机中担负多项功能，满足冷却性能、隔爆性能及与其他零部件安装配合等多项技术要求。其加工制造工艺较为复杂，因此在水箱壳体具体结构设计时就必须考虑其加工制造的工艺性。水箱壳体制造工艺可分为壳体毛坯制造和机械加工两大部分，其中壳体毛坯制造是关键。

水箱壳体为焊接组合结构，构成壳体的内筒、外筒、端环及流道隔板等零件均要选用焊接性能和综合机械性能较好的碳素结构钢（如Q235-A）。内、外筒可直接选用结构尺寸合适的管材，也可采用钢板下料后卷圆而成。零件应粗加工出配合止口和焊接坡口，从而保证整体的尺寸精度和焊接质量。水箱内部流道隔板按设计尺寸和位置要求与内筒外壁焊牢。如采用

螺旋式结构水道，则应选择尺寸合适的小截面方钢或圆钢，进行预先成型，然后套入内筒焊接。流道隔板与内筒焊接后应加工其外圆，保证与外筒内壁的配合严密。水箱壳体焊接完成后，应进行消除焊接应力力处理，以减小机加工后壳体变形。水箱壳体全部精加工后，要求进行静压试验，保持压力3Mpa、历时10s不滴水为合格。

4 结语

近几年我们在煤矿井下用隔爆型水冷式电动机新产品开发设计中，应用上述设计理论和方法进行电动机水冷静却系统结构的设计，产品经过型式试验和工业运行试验，实验数据和结果与设计要求达到统一，设计理论和方法行到验证，为电动机水冷却系统和结构的设计建立了科学依据，提高了设计的可靠性。特别是对一些有特殊要求的非传统结构的电动机水冷系统的设计，在电动机非传统结构的电动机水冷系统的设计，在电动机功率参数、外形体积

安装结构等诸多约束条件限制下，如何实现可靠的冷却效果有较大指导作用。