矿用电机过热原因分析

鼠笼式电动机是煤矿井下动力输出最重要的部 件，因外形与装小鼠的笼子相似而得名，本质上为三 相异步电机。其定子为三相镶嵌式分布绕组，转子为 环绕式导电条，呈围绕状。转子是三相异步电动机的 旋转部分，由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等部 分组成。转子的铁心也是电动机磁路的一部分，由外 圆周上冲有均匀线槽的硅钢片叠压而成，并固定在 转轴上。转子铁心的线槽中放置转子绕组。转子绕组 和定子绕组相似，是由绝缘导线绕制而成，按一定规 律嵌放在转子槽中，组成三相对称绕组。通常其三个 绕组的末端联在一起，首端分别与固定在转轴上的 三个互相绝缘的铜质滑环相接，并连成星型。转子绕 组通过滑环及其上面的电刷与外加的三相变阻器连 接，供电动机起动及小范围内的调速使用。鼠笼式电 机在通电后，定子因得三相交变电流而产生旋转性 磁场，转子被动地连续切割磁感线，转子上闭合的导 电条产生感应电流、电动势，从而转子开始旋转。

结合矿用鼠笼式电机的发电方式，得到电机热 量的来源有两大方面。其一，线路中由于电阻本身会 产生热量并无法消除，因此，此类热量除了通过辅助 散热加快其热交换来降低设备周围温度外，还可通 过合理供电，使线路温度控制在合理范围内。其二， 转子在运行过程中，由于外界晃动或碰撞导致机械 部分内部零件之间发生摩擦，摩擦产生的热量在电 机内积聚。对于摩擦产生的热量，可以增加电机连接 部位润滑度和加大检维修力度确保各种绝缘皮和保 护层的完好。

阳煤集团下属某矿生产线所配备电机为哈尔滨 电机厂 2000 年生产的第 5 批次 Y800 系列鼠笼式三 相异步电机。经过时候调查，Y800 电机发生故障过 程如下：

1）工人闭合开关，电机启动，输入电流，转子感 应电流达到顶峰，对应产生的电磁力亦为最大值。此 时瞬间产生的冲击电流和带来的高温使得连接头部 位虚焊点搪锡达到熔点，并头套软化，在最大受力情 况下转子发生形变，部分接点接触不良。

2）在线路接通后，不断切割磁感线，转子速度持 续上升，部分形变连接点持续恶化，向外甩开，并头 套百分百开落，完全失去其束缚作用。掉落的并头套 和无纬带在电机尾端气隙中随转子高速运转，并与 定子端部挠组产生接触，第二挠组绝缘磨穿接地。连带反应，另外两相中性点发生偏移，相端电压升高。

3）第三阶段，电压升高端挠组绝缘亦被摩擦失 效，电机烧毁，触发保护动作并跳闸。

在当前工作环境下，鼠笼式电机内部温度能够 达到 60 ℃以上，原设备使用绝缘材料丁晴橡胶会发 生变质，无法保证绝缘效果，因此可选用耐高温效果 较好的带氟橡胶。试验表明，带氟橡胶能够在温度 达 100 ℃的连接口处仍不变质。同时，不需要全部更 换，仅需在可能产生接触点更换即可。

在原有设备上，电机内部的热量只能通过少许 排气孔散出，排气孔数量极大地限制了热空气与冷 空气的交换。基于计算流体动力学分析方法（CFD） 分析软件 FLUENT 对连续小孔和间隔大孔进行数据 模拟，结果如下页表 1： 由上表数据得出，将连续的小排气孔改成较大 面积的间隔排气孔，可以降低涡流速度，排气出口流速增加，气体排出更加均匀流畅，从而带走更多热 量，最终使鼠笼式电机的工作效率和使用寿命得到 明显增加。

井下空气含水、含尘量较高，掉落的石块煤块等 会影响电机的正常运行，因此，某矿大部分电机外通 常都设有防护罩，避免外界物质对电机的影响。在原 设备上，电机两侧风口高度相同，水平方向上的风流 很难带走热空气，使设备处在高温环境中。将电机散 热方向由水平向转换到垂直向，使原来的新鲜气流 带走热空气转换为热空气自动从保护罩内散出，把 主动散热变为自流散热。具体措施为将水平方向散 热口封闭，垂直方向加设散热孔。在电动机保护罩底 部和风筒的底部，用直径为 127 mm 的无缝钢管连 接，使得外部冷空气可以进入，内部热空气更加方便 外散。

将鼠笼式电机的优化方案在某矿井进行实践，改造时间为 2018 年 2 月，改进共花费 6 000 元，改造 电机 3 台。上海合愉统计改进后效果如下：

1）提升了电机工作性能。改进后，电机绝缘皮使 用效果良好，没有发生破损，电机电流稳定，输出波 动均在正常范围内，运行状况良好。

2）维修成本下降。改进前，平均每年损坏马达 6 台，改进后至今 1 a 的时间内，未发生电机过热导致 损坏事故。同时，电机运行良好，仅需对其进行日常 检查即可，无需停机检查，维修成本远低于预算。

3）提高了生产量。改进后该矿每月可多产煤 200 t。此外，1 a 时间内，同期节约维修时间 80 h，按 照该井以往产量，可多输出 600 t 原煤。总计为矿山 带来的效益约为 45 万元。

4）带来了良好的社会反响。改进后的电机具有 良好的应用效果，实现了 2018 年安全生产目标，没 有发生由于电机过热而导致工人受伤事件，为企业 带来了巨大的社会声誉。