矿用隔爆型变频调速一体机的设计

王正阳+李梦林+杨亚美

摘要：本文对矿用隔爆型变频调速一体机的设计中设计人员所

关注的一些问题进行阐述，简要介绍了矿用隔爆型变频调速一体机的结构计时应注意的关键技术问题：电磁设计、结构分析，水冷散热等。

关键词：隔爆型变频调速 水冷散热 一体机

0 引言

随着煤矿设备改造步伐的加快，变频调速装置在煤矿的应用越来越广泛。而在采掘工作面应用的电机由于空间小，按常规电机+变频器的模式无法满足要求，因此需要将变频器与电机集成在一起。目前，我公司“煤矿开采变频一体机关键技术研究及产业化”项目已经获河南省企业创新资金300万支持。

在结构上采用把变频器集成在电机顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

1 设计要点

1.1 电磁设计

在电磁设计中，首先要考虑变频器的特性对电机的影响。由于采用变频电源供电，变频电源的谐波含量较大，容易造成铁心磁场饱和，因此电机的磁密不宜设计的太高。故定子齿、定子轭、转子齿、转子轭的磁密选的相对较低，转子槽顶部较宽，以降低漏抗和集肤效应，转子选用电阻率低的紫铜导条和端环，减小转子损耗。[1]

同时由于变频器中IGBT的工作原理，电压波形是由许多脉冲电压叠加而成，存在较高幅值的尖峰电压，并且造成电机绕组匝间电压不是均匀分布，首匝与第二匝之间的电压差能够占到整个绕组电压的60-70%，使绝缘系统加速老化。电机绝缘厚度可适当加强。[2]

变频器的特性对电机的影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流，需要对变频调速系统进行一体化设计，使电机与变频器很好地匹配；[3]需要计算在不同工作频率下的性能，包括基频运行性能计算和基频以上及基频以下运行电磁考核。

1.2 结构设计

电机发热量很大。为了有效散热，冷却方式采用机座水冷结构，接线盒中带冷却铜板结构。采用变频器与机座水路串连的形式，冷却水通过机座进入变频器的冷却板，从变频器出来后再通过机座进入后端端盖，进行循环，然后再进入机座进入循环，最后从机座上流出。机座水冷结构采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面积，减小水阻。同时利用ANSYS等软件分析设计内外套厚度，在满足强度要求的情况下尽可能减小厚度。

同时考虑到IGBT元件的耐热温度较低，而输入电抗器的耐热温度较高，并且输入电抗器的温升较高，为了防止输入电抗器的温度影响IGBT，将输入电抗器和IGBT分开安装，IGBT安装在机座顶部的防爆空腔中，而输入电抗器安装在后端的水冷端盖上，外面加一隔爆型电抗器罩。

1.3 结合有限元分析进行设计核算

为了对矿用隔爆型变频调速一体机进行分析，对设计参数进行优化、改进提供参考，三维建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，对电机法兰端12螺栓、电机的六根筋等进行应力分析，对电机各部位施加1.5MPa的压力，模拟水压分析进行静力分析，并根据分析结果，对电抗器罩强度进行加强。

在变频器腔内和电抗罩腔内各施加1.5MPa的压力，发现电抗器罩变形严重，在设计过程中对电抗器罩强度进行了加强。

2 电机试验

对应矿用隔爆型变频调速一体机的试验，目前国内和国际标准中均没有详细的规定，也没有成型的试验方法。对于矿用隔爆型变频调速一体机的试验来说，电机的各部位的温度和变频器各部位的温度应该是考核的重点。

试验采用500kW一体机和检测中心试验台设备进行互拖，其中陪试系统输出力矩，500kW变频一体机采用速度环进行稳定。

最终试验结果见附表（500kW一体机温升数据）。

3 结束语

基于煤矿井下变频调速装置与电动机实现高效、节能的研发项目，是根据传统的感应电动机电磁计算方案增加变频调速电动机的计算方案并结合有限元分析进行设计核算。在结构上采用把变频器集成在电机的顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

参考文献：

[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]汤蕴璆，实乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.

作者简介：

王正阳（1984-），男，毕业于南京农业大学机械设计制造及其自动化专业、助理工程师，现主要从事煤专电机的开发设计工作。endprint

摘要：本文对矿用隔爆型变频调速一体机的设计中设计人员所

关注的一些问题进行阐述，简要介绍了矿用隔爆型变频调速一体机的结构计时应注意的关键技术问题：电磁设计、结构分析，水冷散热等。

关键词：隔爆型变频调速 水冷散热 一体机

0 引言

随着煤矿设备改造步伐的加快，变频调速装置在煤矿的应用越来越广泛。而在采掘工作面应用的电机由于空间小，按常规电机+变频器的模式无法满足要求，因此需要将变频器与电机集成在一起。目前，我公司“煤矿开采变频一体机关键技术研究及产业化”项目已经获河南省企业创新资金300万支持。

在结构上采用把变频器集成在电机顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

1 设计要点

1.1 电磁设计

在电磁设计中，首先要考虑变频器的特性对电机的影响。由于采用变频电源供电，变频电源的谐波含量较大，容易造成铁心磁场饱和，因此电机的磁密不宜设计的太高。故定子齿、定子轭、转子齿、转子轭的磁密选的相对较低，转子槽顶部较宽，以降低漏抗和集肤效应，转子选用电阻率低的紫铜导条和端环，减小转子损耗。[1]

同时由于变频器中IGBT的工作原理，电压波形是由许多脉冲电压叠加而成，存在较高幅值的尖峰电压，并且造成电机绕组匝间电压不是均匀分布，首匝与第二匝之间的电压差能够占到整个绕组电压的60-70%，使绝缘系统加速老化。电机绝缘厚度可适当加强。[2]

变频器的特性对电机的影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流，需要对变频调速系统进行一体化设计，使电机与变频器很好地匹配；[3]需要计算在不同工作频率下的性能，包括基频运行性能计算和基频以上及基频以下运行电磁考核。

1.2 结构设计

电机发热量很大。为了有效散热，冷却方式采用机座水冷结构，接线盒中带冷却铜板结构。采用变频器与机座水路串连的形式，冷却水通过机座进入变频器的冷却板，从变频器出来后再通过机座进入后端端盖，进行循环，然后再进入机座进入循环，最后从机座上流出。机座水冷结构采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面积，减小水阻。同时利用ANSYS等软件分析设计内外套厚度，在满足强度要求的情况下尽可能减小厚度。

同时考虑到IGBT元件的耐热温度较低，而输入电抗器的耐热温度较高，并且输入电抗器的温升较高，为了防止输入电抗器的温度影响IGBT，将输入电抗器和IGBT分开安装，IGBT安装在机座顶部的防爆空腔中，而输入电抗器安装在后端的水冷端盖上，外面加一隔爆型电抗器罩。

1.3 结合有限元分析进行设计核算

为了对矿用隔爆型变频调速一体机进行分析，对设计参数进行优化、改进提供参考，三维建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，对电机法兰端12螺栓、电机的六根筋等进行应力分析，对电机各部位施加1.5MPa的压力，模拟水压分析进行静力分析，并根据分析结果，对电抗器罩强度进行加强。

在变频器腔内和电抗罩腔内各施加1.5MPa的压力，发现电抗器罩变形严重，在设计过程中对电抗器罩强度进行了加强。

2 电机试验

对应矿用隔爆型变频调速一体机的试验，目前国内和国际标准中均没有详细的规定，也没有成型的试验方法。对于矿用隔爆型变频调速一体机的试验来说，电机的各部位的温度和变频器各部位的温度应该是考核的重点。

试验采用500kW一体机和检测中心试验台设备进行互拖，其中陪试系统输出力矩，500kW变频一体机采用速度环进行稳定。

最终试验结果见附表（500kW一体机温升数据）。

3 结束语

基于煤矿井下变频调速装置与电动机实现高效、节能的研发项目，是根据传统的感应电动机电磁计算方案增加变频调速电动机的计算方案并结合有限元分析进行设计核算。在结构上采用把变频器集成在电机的顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

参考文献：

[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]汤蕴璆，实乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.

作者简介：

王正阳（1984-），男，毕业于南京农业大学机械设计制造及其自动化专业、助理工程师，现主要从事煤专电机的开发设计工作。endprint

摘要：本文对矿用隔爆型变频调速一体机的设计中设计人员所

关注的一些问题进行阐述，简要介绍了矿用隔爆型变频调速一体机的结构计时应注意的关键技术问题：电磁设计、结构分析，水冷散热等。

关键词：隔爆型变频调速 水冷散热 一体机

0 引言

随着煤矿设备改造步伐的加快，变频调速装置在煤矿的应用越来越广泛。而在采掘工作面应用的电机由于空间小，按常规电机+变频器的模式无法满足要求，因此需要将变频器与电机集成在一起。目前，我公司“煤矿开采变频一体机关键技术研究及产业化”项目已经获河南省企业创新资金300万支持。

在结构上采用把变频器集成在电机顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

1 设计要点

1.1 电磁设计

在电磁设计中，首先要考虑变频器的特性对电机的影响。由于采用变频电源供电，变频电源的谐波含量较大，容易造成铁心磁场饱和，因此电机的磁密不宜设计的太高。故定子齿、定子轭、转子齿、转子轭的磁密选的相对较低，转子槽顶部较宽，以降低漏抗和集肤效应，转子选用电阻率低的紫铜导条和端环，减小转子损耗。[1]

同时由于变频器中IGBT的工作原理，电压波形是由许多脉冲电压叠加而成，存在较高幅值的尖峰电压，并且造成电机绕组匝间电压不是均匀分布，首匝与第二匝之间的电压差能够占到整个绕组电压的60-70%，使绝缘系统加速老化。电机绝缘厚度可适当加强。[2]

变频器的特性对电机的影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流，需要对变频调速系统进行一体化设计，使电机与变频器很好地匹配；[3]需要计算在不同工作频率下的性能，包括基频运行性能计算和基频以上及基频以下运行电磁考核。

1.2 结构设计

电机发热量很大。为了有效散热，冷却方式采用机座水冷结构，接线盒中带冷却铜板结构。采用变频器与机座水路串连的形式，冷却水通过机座进入变频器的冷却板，从变频器出来后再通过机座进入后端端盖，进行循环，然后再进入机座进入循环，最后从机座上流出。机座水冷结构采用易于制造的折返式水路，并且加大水路截面积，减小水阻。同时利用ANSYS等软件分析设计内外套厚度，在满足强度要求的情况下尽可能减小厚度。

同时考虑到IGBT元件的耐热温度较低，而输入电抗器的耐热温度较高，并且输入电抗器的温升较高，为了防止输入电抗器的温度影响IGBT，将输入电抗器和IGBT分开安装，IGBT安装在机座顶部的防爆空腔中，而输入电抗器安装在后端的水冷端盖上，外面加一隔爆型电抗器罩。

1.3 结合有限元分析进行设计核算

为了对矿用隔爆型变频调速一体机进行分析，对设计参数进行优化、改进提供参考，三维建模采用SolidWroks 2012，有限元分析采用ANSYS Workbench 14.0，对电机法兰端12螺栓、电机的六根筋等进行应力分析，对电机各部位施加1.5MPa的压力，模拟水压分析进行静力分析，并根据分析结果，对电抗器罩强度进行加强。

在变频器腔内和电抗罩腔内各施加1.5MPa的压力，发现电抗器罩变形严重，在设计过程中对电抗器罩强度进行了加强。

2 电机试验

对应矿用隔爆型变频调速一体机的试验，目前国内和国际标准中均没有详细的规定，也没有成型的试验方法。对于矿用隔爆型变频调速一体机的试验来说，电机的各部位的温度和变频器各部位的温度应该是考核的重点。

试验采用500kW一体机和检测中心试验台设备进行互拖，其中陪试系统输出力矩，500kW变频一体机采用速度环进行稳定。

最终试验结果见附表（500kW一体机温升数据）。

3 结束语

基于煤矿井下变频调速装置与电动机实现高效、节能的研发项目，是根据传统的感应电动机电磁计算方案增加变频调速电动机的计算方案并结合有限元分析进行设计核算。在结构上采用把变频器集成在电机的顶部，机座和变频器采用水冷，冷却方式为IC3W7，安装方式为B10。由于变频一体机是变频启动，可以获得比较好的启动性能；变频器与电机紧密的集成在一起，水冷的结构可以使变频器获得更好的稳定性，可以在控制系统内部增加黑匣子功能，同时变频器与电机的无缝连接也减少了传统变频器与电机之间长电缆带来的种种问题。

参考文献：

[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]汤蕴璆，实乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.

作者简介：

王正阳（1984-），男，毕业于南京农业大学机械设计制造及其自动化专业、助理工程师，现主要从事煤专电机的开发设计工作。endprint