電動(dòng)機(jī)水冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明

煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)水冷卻構(gòu)造設(shè)計(jì)瑞杰2008級(jí)機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)綱要對(duì)煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)水冷卻系統(tǒng)及構(gòu)造的設(shè)計(jì)進(jìn)行商討。環(huán)繞電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)剖析、熱均衡計(jì)算、冷卻系統(tǒng)水流參數(shù)計(jì)算、冷卻水箱構(gòu)造設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，并聯(lián)合實(shí)踐論述了有關(guān)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。要點(diǎn)詞煤礦井下用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)：水冷卻系統(tǒng)；水冷式構(gòu)造前言煤礦井下設(shè)施采納的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)其冷卻系統(tǒng)常采納水冷式構(gòu)造（往常為ICW37）。這是鑒于煤礦井下特別的環(huán)境條件和煤礦設(shè)施特別的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況決定的。煤礦井下水冷式電動(dòng)機(jī)擁有以下特色：1）煤礦井下作業(yè)場(chǎng)狹小，設(shè)施留給機(jī)遇的安裝空間較小，環(huán)境空氣流動(dòng)性差。電動(dòng)機(jī)采納風(fēng)（空氣）冷卻構(gòu)造，效果遇到很大影響。特別是在采掘面，當(dāng)煤塊、粉塵等聚積物堵塞電動(dòng)機(jī)外面的通風(fēng)散熱通道時(shí)，電動(dòng)機(jī)通風(fēng)散熱狀況將更為惡劣。而采納水沉著卻構(gòu)造，則防止了這個(gè)弊端。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。只需機(jī)遇的水沉著系統(tǒng)流道構(gòu)造設(shè)計(jì)合理，其冷卻成效和靠譜性?xún)?yōu)于風(fēng)沉著式電動(dòng)機(jī)。2）煤礦井用電動(dòng)機(jī)因受設(shè)施安裝要求限制，常常要求有較小的外形體積和簡(jiǎn)單的外形構(gòu)造。水冷式電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上沒(méi)有電扇、風(fēng)罩、散熱片等零件，而且水道部署在關(guān)閉的殼體之，所以其外形簡(jiǎn)潔，體積小于同樣功率的風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)。3）煤礦井下采掘、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施，因其特別的工作條件，常常負(fù)荷顛簸很大，所用電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)有發(fā)生，造成電動(dòng)機(jī)溫升增高。此外在設(shè)計(jì)這些設(shè)施使用的電動(dòng)機(jī)時(shí)，考慮到其外形體積和功率大小雙方面要求，常常采納減小電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子死心外徑，加長(zhǎng)定、轉(zhuǎn)子死心長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)方案。由典型的機(jī)遇溫升設(shè)計(jì)理論可知，死心較長(zhǎng)的機(jī)遇其熱負(fù)荷常常偏高，溫升計(jì)算偏差也較大，這雙方面的原由以致電動(dòng)機(jī)的溫升處于不行靠狀態(tài)。只管采納提升電動(dòng)機(jī)絕緣等級(jí)的方法進(jìn)行填補(bǔ)，但電動(dòng)機(jī)使用壽命也將大打折扣。而水冷式構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)擁有較好的冷卻成效，可填補(bǔ)電動(dòng)機(jī)溫升設(shè)計(jì)偏差及超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的弊端。4）水冷式電動(dòng)機(jī)無(wú)電扇、風(fēng)罩等零件，所以不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)摩消耗和噪聲，而且冷卻水箱還擁有吸振減振成效，這些又形成了電動(dòng)機(jī)效率較高、噪聲低、振動(dòng)小的長(zhǎng)處。從以上剖析能夠看出水冷卻系統(tǒng)在煤礦井下用電動(dòng)機(jī)上的重要作用，所以對(duì)其系統(tǒng)和構(gòu)造的設(shè)計(jì)研究必需。當(dāng)前國(guó)很多電機(jī)廠家都累積了各自在此方面的可貴經(jīng)驗(yàn)，亟待進(jìn)行理論性的整理和提升。本文試對(duì)此問(wèn)題睜開(kāi)初步商討。水冷式電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)剖析與熱均衡計(jì)算1.1溫度場(chǎng)剖析水冷式電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)同風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)基真相像，其不一樣處在于風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)是靠自帶電扇吹動(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)的物理特征有較大差異。進(jìn)行水冷式機(jī)遇溫度場(chǎng)熱路剖析，能夠借用風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)等效熱路模型。見(jiàn)圖1。出水口

環(huán)境

進(jìn)水口水箱壁水箱機(jī)殼壁軛部繞組機(jī)內(nèi)齒部導(dǎo)條端環(huán)軸承軸圖例：

熱傳導(dǎo)；圖1

熱對(duì)流；無(wú)源節(jié)點(diǎn)；有源節(jié)點(diǎn)熱路模型圖從等效熱路能夠看出，整個(gè)熱路系統(tǒng)傳熱方式多樣，傳熱路線復(fù)雜。依據(jù)實(shí)質(zhì)工程的要求，我們能夠?qū)?wèn)題做以下簡(jiǎn)化和設(shè)定。1）電動(dòng)機(jī)的溫度散布沿圓周方向?qū)ΨQ(chēng)，電動(dòng)機(jī)在圓周方向冷卻條件同樣。2）對(duì)機(jī)遇部的各樣傳熱方式和路線進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)定電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量所有經(jīng)過(guò)機(jī)殼壁法線方向向外傳達(dá)，即熱量先以導(dǎo)熱的方式傳給機(jī)殼壁，又以對(duì)流方式傳給水箱的冷卻水，流出水箱的水帶走大多數(shù)熱量，小部分熱量由水傳達(dá)給水箱外壁后在空氣中發(fā)散，見(jiàn)圖2。3）圖2顯示熱傳達(dá)過(guò)程的溫度梯度。t、t1、t2、t3、t4分別是各界面的溫度。我們依據(jù)工程實(shí)質(zhì)要乞降導(dǎo)熱基本定律分別確立和計(jì)算其溫度值。此中，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(jí)為120℃，F(xiàn)級(jí)為145℃，H級(jí)為165℃）；t1—我們?cè)O(shè)定為電動(dòng)機(jī)繞組及繞組及死心等部各發(fā)熱源傳達(dá)至機(jī)殼壁的溫度限值。為保證機(jī)遇絕緣壽命靠譜性，取t1~t2段是導(dǎo)熱方式傳熱，按傅立葉導(dǎo)熱基本定律Bq1=(t1-t2)/A(1)由此可計(jì)算t2t2~t3段是對(duì)流方式傳熱按牛頓冷卻定律q2=Aα（t2-t3）由此可計(jì)算t3q1—導(dǎo)熱方式傳熱流量（W）；q2—對(duì)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（℃）；t3—流體溫度（℃）；B—機(jī)座壁厚（m）;A—接觸表面面積（m2）。3）我們?cè)O(shè)定電動(dòng)機(jī)的熱量主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中定轉(zhuǎn)子繞組的消耗、硅鋼片鐵耗、機(jī)械耗及其余雜散消耗，即H=p2(1/η-1)式中，H—機(jī)遇單位時(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熱均衡計(jì)算如上所述電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量絕大多數(shù)被擁有必定壓力和流速的水帶出冷卻水箱外發(fā)散（傳給水箱外壁的熱量因量少且散熱條件差可發(fā)忽視），所以對(duì)流傳熱部分是我們研究的要點(diǎn)。對(duì)流傳熱的熱流量與其介質(zhì)性質(zhì)、流動(dòng)速度、接觸面積、接觸面溫差有親密關(guān)系。熱力學(xué)試考證明，熱流量與的過(guò)程關(guān)系很大。電動(dòng)機(jī)水沉著系統(tǒng)的水不是在水箱關(guān)閉狀態(tài)對(duì)流傳熱，而是從入口流入，經(jīng)過(guò)部流道汲取熱量，再?gòu)某隹诹鞒?。假如按?jīng)典理論公式計(jì)算與實(shí)質(zhì)狀況差異太大。依據(jù)水的熱力學(xué)性質(zhì)和詳細(xì)狀況，我們采納以下經(jīng)驗(yàn)公式更切合工程實(shí)質(zhì)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?tīng)顩r我們?cè)O(shè)定為30℃；t出—出水口水溫，為防止?fàn)C傷，我們?cè)O(shè)定為50℃。設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量所有由冷卻水帶走（忽視水箱外壁和端蓋外壁發(fā)散的熱量），使電動(dòng)機(jī)溫升保持在絕緣資料的溫度限值之。由此成立熱均衡方程Φ≥H（5）當(dāng)發(fā)生異樣狀況造成水流中止時(shí)，原熱均衡狀態(tài)將被損壞。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量不可以被水帶出，以致水箱積水溫度不停高升，直至達(dá)到沸點(diǎn)溫度。這類(lèi)狀況也是電動(dòng)機(jī)水冷卻系設(shè)計(jì)一定考慮的。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)轉(zhuǎn)熱穩(wěn)固狀態(tài)時(shí)，斷水10min，定子繞組端部溫度應(yīng)不超出相應(yīng)絕緣資料的溫度限值。水擁有優(yōu)秀的熱容性，由水的比熱公式Q=CM△t（6）式中，Q—水汲取的熱量（kw，KJ/h）；C—比熱（J/kg℃）；M—質(zhì)量（kg）；△t—溫度增量（℃）?？芍馁|(zhì)量越大汲取的熱量越多，則能保證電動(dòng)機(jī)部熱量不停傳出，使定子繞組溫度不超出限值。依據(jù)水的熱容特征和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水冷式電動(dòng)機(jī)斷水要求的時(shí)間和溫度限制要求，我們能夠成立又一熱均衡方程。公式（3）為電動(dòng)機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)生的總熱量Q1=HT（7）熱均衡方程為：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。水冷系統(tǒng)最小容積確實(shí)定2.1冷卻水箱最小容積確實(shí)定由熱均衡方程（8）我們能夠初步確立冷卻水箱的容積V。將M=ρV代入式（8）則V≥HT/C△tρ（9）為使電動(dòng)機(jī)有較小的構(gòu)造體積，我們應(yīng)聯(lián)合電磁設(shè)計(jì)、機(jī)殼構(gòu)造設(shè)計(jì)等詳細(xì)狀況求得水箱的最小容積。2.2冷卻水箱的水流量確立由熱均衡方程（4）我們能夠初步確立冷卻水箱的水流量。將式（4）代入式（5），則S≥H/ρCp（t出-t進(jìn)）（10）2.3冷卻水箱水流壓力確實(shí)定為保證水箱冷卻水的不停流動(dòng)，進(jìn)入水箱的水流一定擁有必定的壓力，該壓力是關(guān)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（壓力值采納標(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(shì)能差（落差），即：P1-P2=p=h。依據(jù)伯努利方程論述的流體在管道做定常流時(shí)的能量守恒和能量變換定律，進(jìn)水口與出水口水位勢(shì)能差將變換為整個(gè)水流的動(dòng)能增添。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）確立，在我們依據(jù)工程結(jié)構(gòu)要求采納適合的進(jìn)水口和出水口標(biāo)準(zhǔn)件管接頭，確立其截面積計(jì)算其流速后，便可進(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構(gòu)造原由及水并不是理想液體，水流過(guò)程不行驚詫地產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失。實(shí)質(zhì)采納進(jìn)水壓力應(yīng)大于計(jì)算值，依據(jù)煤礦井下?tīng)顩r一般選擇3Mpa以下壓力水。冷卻水箱的構(gòu)造設(shè)計(jì)上述水冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)是水箱詳細(xì)構(gòu)造設(shè)計(jì)的基本依照。我們以容積、流量、壓力為拘束條件，聯(lián)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(duì)水箱詳細(xì)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行。3.1冷卻水箱基本構(gòu)造設(shè)計(jì)煤礦井下電動(dòng)機(jī)冷卻水箱是由電動(dòng)機(jī)座外殼和水箱外殼構(gòu)成的套筒式構(gòu)造，腔部署導(dǎo)水流道，兩頭用端環(huán)封堵，其容積大小是設(shè)計(jì)考慮的主要要素之一。機(jī)殼徑依據(jù)定子死心外徑確立，機(jī)殼壁厚則要綜合考慮其構(gòu)造強(qiáng)度、導(dǎo)熱成效及同其余零零件的安裝置合尺寸等要素確立，而后依據(jù)容積要求確立水箱外殼尺寸，并參照整機(jī)外形尺寸要求進(jìn)行適合調(diào)整。水箱外殼壁應(yīng)能保證在部3Mpa壓力水壓力下不變形。3.2冷卻水箱流道構(gòu)造設(shè)計(jì)水箱流道設(shè)計(jì)應(yīng)盡量防止構(gòu)造上產(chǎn)生的液流阻力，如流道截面積的忽然變化、水流方向急劇改變、管接頭過(guò)多、渦流區(qū)多死水面積大等缺點(diǎn)。冷卻水箱流道常采納螺旋式和折返式兩種基本構(gòu)造型式，各有特色和使用限制性。螺旋式繞電動(dòng)機(jī)外殼，構(gòu)造暢達(dá)，流道截面積比較均衡，機(jī)同一端，一定經(jīng)過(guò)外接水管把進(jìn)水口和出水口調(diào)整到同一端地點(diǎn)，以方便外接水源安裝，見(jiàn)圖3。折返式水道適合較小規(guī)格型號(hào)電動(dòng)機(jī)。水道沿電動(dòng)機(jī)外殼軸線方向平行擺列，水流從機(jī)殼尾部進(jìn)入沿水道抵達(dá)機(jī)殼另端拐彎折回，來(lái)去多次復(fù)蓋機(jī)殼所有表面面后，又從機(jī)殼尾部流出，見(jiàn)圖4。折反式水道構(gòu)造折彎多，水流方向變化大，水流滯阻力較大。為戰(zhàn)勝這個(gè)弊端，應(yīng)適合提升進(jìn)水口水的壓力。但采納折返式水產(chǎn)的水箱，其進(jìn)水口、出水口都可部署在水箱尾部端環(huán)上，與水源連結(jié)方便。電動(dòng)機(jī)整機(jī)外形構(gòu)造簡(jiǎn)短、體積小，殼體外面可加工出用于安裝的定位面，特別適合于吞入安裝。3.3水道截面積確實(shí)定螺旋式流道和折返式流道都是采納適合厚度鋼板，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，我們以上已確立的冷卻水箱水流系統(tǒng)的容量、流量、壓力、流速為依照，綜合考慮確立水道截面尺寸。3.4冷卻水箱構(gòu)造工藝性設(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，知足冷卻性能、隔爆性能及與其余零零件安裝置合等多項(xiàng)技術(shù)要求。其加工制造工藝較為復(fù)雜，所以在水箱殼體詳細(xì)構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)就一定考慮其加工制造的工藝性。水箱殼體系造工藝可分為殼體毛坯制造和機(jī)械加工兩大多數(shù)，此中殼體毛坯制造是關(guān)鍵。水箱殼體為焊接組合構(gòu)造，構(gòu)成殼體的筒、外筒、端環(huán)及流道隔板等零件均要采納焊接性能和綜合機(jī)械性能較好的碳素構(gòu)造鋼（如Q235-A）。、外筒可直接采納構(gòu)造尺寸適合的管材，也可采納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，進(jìn)而保證整體的尺寸精度和焊接質(zhì)量。水箱部流道隔板按設(shè)計(jì)尺寸和地點(diǎn)要求與筒外壁焊牢。如采納螺旋式結(jié)構(gòu)水道，則應(yīng)選擇尺寸適合的小截面方鋼或圓鋼，進(jìn)行早先成型，而后套入筒焊接。流道隔板與筒焊接后應(yīng)加工其外圓，保證與外筒壁的配合嚴(yán)實(shí)。水箱殼體焊接達(dá)成后，應(yīng)進(jìn)行除去焊策應(yīng)力力辦理，以減小機(jī)加工后殼體變形。水箱殼體所有精加工后，要求進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，保持壓力3Mpa、