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摘 要：针对煤矿通风机用电动机的特殊工况进行分析，提出技术难点并对其进行设计研究。
关键词：煤矿通风机用电动机 设计 研究
近年来，我国国民经济蓬勃发展，大力推行工业制造业，能源需求越来越大，目前能源消耗仍以煤炭为主，煤炭行业仍是我国国民经济发展的支柱行业之一。“十二五”期间，我国连续投入煤矿安全技改资金，实施煤矿安全技术改造，强调安全生产管理。随着矿山安全生产意识的逐渐增强，矿井通风装备作为生产安全的重要保障措施，将带动矿用通风设备行业迅猛发展。矿用通风机是指通过机械方法向矿井内输送足够新鲜空气，稀释和排除有毒、有害气体，调节井下所需风量、温度和湿度，改善劳动条件，保证安全生产的机械设备。本文主要针对矿用风机的运行工况对其配套电动机的设计进行简单阐述，在原有设计理念基础上优化电动机性能，从而使风机用隔爆型三相异步电动机的设计不断改进创新。
一、煤矿通风机用电动机的设计难点
1.环境温度高。对旋式轴流风机为了减少风阻损耗，提高效率，把驱动电机置于密闭金属空腔中，将电机冷却风路与风机主风路隔离，致使电机冷却散热条件差，温升高，影响电机运行可靠性及寿命。
2.电机过载。对旋式轴流通风机的工作原理为两级叶轮分别由两个旋转方向相反的电动机驱动，当气流流过集流器进入一级叶轮获得能量后，再经过二级叶轮升压排除，两级叶轮互为导叶，从而达到风量大、风压高、通风距离长的优点，是煤矿井下最理想的通风设备。如果旋式轴流风机的前后两级叶片在结构设计时匹配性不够好，当通风距离增大时，风量就会减小，需要靠二级风机的升压来保证通风效果，这就容易出现风机运行时二级电机因过载而烧毁电机。
3.启动性能要求高。通常用户会向电机制造厂提供风机的转动惯量和负载曲线。一般风机采用部分甚至完全关闭风门启动，其阻力矩在电机额定转矩的20%～30%左右，这对电机设计来说不难达到要求。但有些特殊情况，如风机的转动惯量过大、启动负载过大，尤其是在多种因素共同起作用的时候，给电机的设计造成很大困难。对于一般电机而言，启动负载过大造成启动时间过长，绕组发热量增加，容易将电机烧毁。
4.轴承故障频发。电动机作为风机的驱动设备，直接拖动的负载为大型轴流风扇，其直径一般都在1～4m，重量从几百到两千多kg，直接安装在轴伸上，当电机旋转起来负载轴流风扇所产生的轴向力为几千到几万N，随着旋转方向的不同，轴向力的作用方向也不同，即此轴向力是双向的。与普通电机相比，风机用电机需承受较大的径向力及双向轴向力。由于风机用电机安装在密闭的空腔里，除了电机整体散热条件差外，电机加注新润滑脂和排除废油脂也十分困难，从风机外部向电机轴承加注润滑脂的距离约为0.5～2m，需穿过风机的外筒、风道、内筒、电机保护罩，同时还要考虑风机结构设计、拆装方便等因素。因此风机用电机的轴承冷却也是设计一大难点。如果再考虑风扇本身的不平衡所产生的离心力、叶轮安装及运输、使用维护等过程中出现的特殊情况，轴承故障频发可想而知。据不完全统计结果显示，对旋式轴流风机除了少数叶轮扇叶断裂故障外，绝大部分故障是风机用电机的轴承故障造成的，其中有电机“抱轴”、轴承温度高、轴承响及注油困难等问题。
5.变频技术应用。據资料统计，我国多数煤矿的通风设备电量消耗占全矿总电量消耗的20%～30%，通风机的额定负压比实际需要多余5%～20%。若节省这些多余的能量，则煤矿通风的用电量可大幅度下降。目前矿井中常用的调速方法有转子串电阻调速、串级调速和变频调速三种，其中变频调速通过改变电动机供电电源频率来改变旋转磁场的转速，从而改变电动机转速。对于风机类负载来说无论采用哪种调速方式，都会取得明显的节能效果，但在风机风量相同时，采用变频调速驱动，节能效果最佳。
二、煤矿通风机用电动机的设计分析
针对煤矿通风机用电动机的设计难点，从电磁设计、冷却结构设计、轴承结构设计等方面对其进行设计分析。
1.电磁设计。电磁设计直接决定电机的电气性能，同时也直接关系到电机的温升，所以至关重要。
1.1控制温升：可通过减小每槽导体数、加长铁心长度降低线负荷；增加线圈、导条截面积降低电流密度；在调整线负荷和电流密度同时注意合理分配铁耗、铜耗，必要时采用低损耗硅钢片。
1.2提高启动性能：可通过减少定子绕组匝数、在保证功率因数前提下增大气隙以降低漏电抗；改变转子槽口形状，使槽变深，增加挤流效应；适当缩小转子槽面积和端环面积增加转子电阻。
1.3提高过载能力：主机厂或设计院在电机选型时一般已经考虑到电机使用系数的问题，在前期电磁设计时要做好沟通工作，必要时增加使用系数，避免过载运行，烧毁电机。
1.4变频设计：选择合适的线圈接法，减少电流谐波的产生，从而避免电能浪费及电机发热；根据变频范围的具体要求，除了对特定转速下运行工作特性进行分析，还要对每一个频率变化范围进行分析；绝缘设计上要满足变频器脉冲电源的使用要求。
1.5降低电磁噪声：由于风机用电动机为多极数电机，可通过选择合适的槽配合、采用斜槽等电磁方案降低电磁噪声。
2.冷却结构设计。冷却结构设计主要考虑IC411冷却方式前提下温升控制方面，条件允许时可采用更优的冷却方式。
2.1提高冷却风量：在保证效率的前提下加大风扇外径、优化风扇结构增加风量；合理设计导风风路，如在机座外表面和轴伸端轴承处增加导流罩，提高风量利用率，降低机座、轴承温度。
2.2增加散热面积：合理设计机座、端盖及轴承盖的散热筋以增加电机整体表面的散热面积。
3.轴承结构设计。轴承结构设计是风机用电机设计的重中之重，直接关系到电动机能否在现场长期稳定可靠的运行。
3.1轴承选型：风机与电机的设计应加强技术信息交流，风机厂提供给电机厂的参数（包括叶轮重量、叶轮产生的轴向力等）应准确合理，不应增加过多的设计裕量，误导电机轴承选型过大，增加不可靠因素；兼顾轴向力和径向力，合理进行轴承寿命核算。
3.2注排油结构设计：尽管风机电机的注油管比较长，安装困难，但可以通过改进结构设计，精细施工，增加辅助加油设备来满足风机电机的使用要求。设计时尽量使油管直进直出，减少管道弯曲数量；施工时精细加工，避免油管弯曲变形，增大沿程阻力；电机出厂时，油管内加满润滑脂，在风机的可视部位增加加油标牌，提醒用户及时加油；为了方便用户的使用，减少维护的工作量，提高轴承的使用寿命，可以增加辅助的加油设备，实现多次少量、定时定量加油。
三、结语
针对煤矿通风机用电动机的设计要点，以满足工况运行需要为向导，考虑各方面的影响因素，灵活设计，优化煤矿通风机用高压隔爆型三相异步电动机的运行性能。
参考文献：
[1]黄家友，邓海顺.对旋式通风机二级风机的过载分析及改进设计[J].风机技术，2004，（05）：14-16.
[2]陈建军，庞浩磊，郑鹏举.YBF系列防爆风机电机轴承故障原因分析与改进[J].电气防爆，2006，（02）：34-36.
[3]王宏宇.变频调速技术在矿用主通风机上的应用[J].煤炭加工与综合利用，1999，（02）：47-48.
作者简介：曹佳冉（1987 — ），2009年毕业于沈阳理工大学材料成型专业，现任职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，从事电机设计及工艺工作。
※基金项目：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）.
关键词：煤矿通风机用电动机 设计 研究
近年来，我国国民经济蓬勃发展，大力推行工业制造业，能源需求越来越大，目前能源消耗仍以煤炭为主，煤炭行业仍是我国国民经济发展的支柱行业之一。“十二五”期间，我国连续投入煤矿安全技改资金，实施煤矿安全技术改造，强调安全生产管理。随着矿山安全生产意识的逐渐增强，矿井通风装备作为生产安全的重要保障措施，将带动矿用通风设备行业迅猛发展。矿用通风机是指通过机械方法向矿井内输送足够新鲜空气，稀释和排除有毒、有害气体，调节井下所需风量、温度和湿度，改善劳动条件，保证安全生产的机械设备。本文主要针对矿用风机的运行工况对其配套电动机的设计进行简单阐述，在原有设计理念基础上优化电动机性能，从而使风机用隔爆型三相异步电动机的设计不断改进创新。
一、煤矿通风机用电动机的设计难点
1.环境温度高。对旋式轴流风机为了减少风阻损耗，提高效率，把驱动电机置于密闭金属空腔中，将电机冷却风路与风机主风路隔离，致使电机冷却散热条件差，温升高，影响电机运行可靠性及寿命。
2.电机过载。对旋式轴流通风机的工作原理为两级叶轮分别由两个旋转方向相反的电动机驱动，当气流流过集流器进入一级叶轮获得能量后，再经过二级叶轮升压排除，两级叶轮互为导叶，从而达到风量大、风压高、通风距离长的优点，是煤矿井下最理想的通风设备。如果旋式轴流风机的前后两级叶片在结构设计时匹配性不够好，当通风距离增大时，风量就会减小，需要靠二级风机的升压来保证通风效果，这就容易出现风机运行时二级电机因过载而烧毁电机。
3.启动性能要求高。通常用户会向电机制造厂提供风机的转动惯量和负载曲线。一般风机采用部分甚至完全关闭风门启动，其阻力矩在电机额定转矩的20%～30%左右，这对电机设计来说不难达到要求。但有些特殊情况，如风机的转动惯量过大、启动负载过大，尤其是在多种因素共同起作用的时候，给电机的设计造成很大困难。对于一般电机而言，启动负载过大造成启动时间过长，绕组发热量增加，容易将电机烧毁。
4.轴承故障频发。电动机作为风机的驱动设备，直接拖动的负载为大型轴流风扇，其直径一般都在1～4m，重量从几百到两千多kg，直接安装在轴伸上，当电机旋转起来负载轴流风扇所产生的轴向力为几千到几万N，随着旋转方向的不同，轴向力的作用方向也不同，即此轴向力是双向的。与普通电机相比，风机用电机需承受较大的径向力及双向轴向力。由于风机用电机安装在密闭的空腔里，除了电机整体散热条件差外，电机加注新润滑脂和排除废油脂也十分困难，从风机外部向电机轴承加注润滑脂的距离约为0.5～2m，需穿过风机的外筒、风道、内筒、电机保护罩，同时还要考虑风机结构设计、拆装方便等因素。因此风机用电机的轴承冷却也是设计一大难点。如果再考虑风扇本身的不平衡所产生的离心力、叶轮安装及运输、使用维护等过程中出现的特殊情况，轴承故障频发可想而知。据不完全统计结果显示，对旋式轴流风机除了少数叶轮扇叶断裂故障外，绝大部分故障是风机用电机的轴承故障造成的，其中有电机“抱轴”、轴承温度高、轴承响及注油困难等问题。
5.变频技术应用。據资料统计，我国多数煤矿的通风设备电量消耗占全矿总电量消耗的20%～30%，通风机的额定负压比实际需要多余5%～20%。若节省这些多余的能量，则煤矿通风的用电量可大幅度下降。目前矿井中常用的调速方法有转子串电阻调速、串级调速和变频调速三种，其中变频调速通过改变电动机供电电源频率来改变旋转磁场的转速，从而改变电动机转速。对于风机类负载来说无论采用哪种调速方式，都会取得明显的节能效果，但在风机风量相同时，采用变频调速驱动，节能效果最佳。
二、煤矿通风机用电动机的设计分析
针对煤矿通风机用电动机的设计难点，从电磁设计、冷却结构设计、轴承结构设计等方面对其进行设计分析。
1.电磁设计。电磁设计直接决定电机的电气性能，同时也直接关系到电机的温升，所以至关重要。
1.1控制温升：可通过减小每槽导体数、加长铁心长度降低线负荷；增加线圈、导条截面积降低电流密度；在调整线负荷和电流密度同时注意合理分配铁耗、铜耗，必要时采用低损耗硅钢片。
1.2提高启动性能：可通过减少定子绕组匝数、在保证功率因数前提下增大气隙以降低漏电抗；改变转子槽口形状，使槽变深，增加挤流效应；适当缩小转子槽面积和端环面积增加转子电阻。
1.3提高过载能力：主机厂或设计院在电机选型时一般已经考虑到电机使用系数的问题，在前期电磁设计时要做好沟通工作，必要时增加使用系数，避免过载运行，烧毁电机。
1.4变频设计：选择合适的线圈接法，减少电流谐波的产生，从而避免电能浪费及电机发热；根据变频范围的具体要求，除了对特定转速下运行工作特性进行分析，还要对每一个频率变化范围进行分析；绝缘设计上要满足变频器脉冲电源的使用要求。
1.5降低电磁噪声：由于风机用电动机为多极数电机，可通过选择合适的槽配合、采用斜槽等电磁方案降低电磁噪声。
2.冷却结构设计。冷却结构设计主要考虑IC411冷却方式前提下温升控制方面，条件允许时可采用更优的冷却方式。
2.1提高冷却风量：在保证效率的前提下加大风扇外径、优化风扇结构增加风量；合理设计导风风路，如在机座外表面和轴伸端轴承处增加导流罩，提高风量利用率，降低机座、轴承温度。
2.2增加散热面积：合理设计机座、端盖及轴承盖的散热筋以增加电机整体表面的散热面积。
3.轴承结构设计。轴承结构设计是风机用电机设计的重中之重，直接关系到电动机能否在现场长期稳定可靠的运行。
3.1轴承选型：风机与电机的设计应加强技术信息交流，风机厂提供给电机厂的参数（包括叶轮重量、叶轮产生的轴向力等）应准确合理，不应增加过多的设计裕量，误导电机轴承选型过大，增加不可靠因素；兼顾轴向力和径向力，合理进行轴承寿命核算。
3.2注排油结构设计：尽管风机电机的注油管比较长，安装困难，但可以通过改进结构设计，精细施工，增加辅助加油设备来满足风机电机的使用要求。设计时尽量使油管直进直出，减少管道弯曲数量；施工时精细加工，避免油管弯曲变形，增大沿程阻力；电机出厂时，油管内加满润滑脂，在风机的可视部位增加加油标牌，提醒用户及时加油；为了方便用户的使用，减少维护的工作量，提高轴承的使用寿命，可以增加辅助的加油设备，实现多次少量、定时定量加油。
三、结语
针对煤矿通风机用电动机的设计要点，以满足工况运行需要为向导，考虑各方面的影响因素，灵活设计，优化煤矿通风机用高压隔爆型三相异步电动机的运行性能。
参考文献：
[1]黄家友，邓海顺.对旋式通风机二级风机的过载分析及改进设计[J].风机技术，2004，（05）：14-16.
[2]陈建军，庞浩磊，郑鹏举.YBF系列防爆风机电机轴承故障原因分析与改进[J].电气防爆，2006，（02）：34-36.
[3]王宏宇.变频调速技术在矿用主通风机上的应用[J].煤炭加工与综合利用，1999，（02）：47-48.
作者简介：曹佳冉（1987 — ），2009年毕业于沈阳理工大学材料成型专业，现任职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，从事电机设计及工艺工作。
※基金项目：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）.