CN101938191A - 一种干潜两用电动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种干潜两用电动机系统，包括电动机，电动机包括转子和定子，输出轴与前、后端盖之间设有轴承和密封组件；内壳体的外部套设有外壳体，外壳体与内壳体围成环套状的空腔内沿轴向方向布置冷热交换器；冷热交换器的流入端、内部通路及流出端与设备周边工作环境连通构成外循环通路；外壳体与内壳体之间的冷热交换器外壁所在的腔体与内壳体内的空腔连通构成内循环通路；所述的输出轴的后端悬置状并与负载水泵相连。通过在转子和定子位于密闭的腔体内设置内循环通路，与外循环通路完全隔离，无论外循环通路中流通的是环境气体还是被水淹时流通的水，转子和定子均能处在安全工作环境下，从而使电动机带动负载水泵正常排水。

Description

一种干潜两用电动机系统
技术领域
本发明涉及排水用动力装置，尤其是一种干潜两用电动机系统。
背景技术
煤矿排水是生产活动的重要组成环节，更是安全生产的必要条件。煤矿透水、突发涌水引起水淹和淹井是仅次于瓦斯爆炸的第二大煤矿安全事故。为保持生产秩序及安全生产，煤矿配备了有一定冗余量的高扬程主排水泵，及驱动主排水泵的高压异步电动机。
主排水泵驱动电动机及高压开关柜一般都安装在煤矿最深的地方，即在井底车场附近的中央泵房。发生透水事故一般是因为挖通了溶洞或废弃坑道，大容积的积水涌出，开动全部排水能力仍不能阻止井下水位上升。传统的主排水泵高压驱动电动机是常规陆上电动机，没有抗水淹没能力，当水位上升到电动机接线部位，水泵电动机就无法正常工作，而主排水泵一旦停止工作，涌水使水位快速上升，造成矿井的淹井事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在淹井条件下仍能正常工作、延长淹井时间的干潜两用电动机系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种干潜两用电动机系统，包括电动机，电动机包括转子和定子，定子固定在桶状的内壳体内壁上，转子与输出轴同轴连为一体，输出轴的两端向外延伸穿过内壳体两端设置的前、后端盖，输出轴与前、后端盖之间设有轴承和密封组件；内壳体的外部套设有外壳体，外壳体与内壳体围成环套状的空腔内沿轴向方向布置冷热交换器；冷热交换器的流入端、内部通路及流出端与设备周边工作环境连通构成外循环通路；外壳体与内壳体之间的冷热交换器外壁所在的腔体与内壳体内的空腔连通构成内循环通路，换句话说就是外壳体与内壳体之间围成了腔体，该腔体与内壳体内的空腔连通构成内循环通路，热交换器的流入端、流出端与外界相连外的热交换器的本体位于该空腔内；所述的输出轴的后端悬置状并与负载水泵相连。
由上述技术方案可知，通过在电动机上设置冷热交换器，确保电动机在正常工作时的热交换，对电动机实施冷却，实现电动机的正常运行，电动机的转子和定子位于内壳体内，输出轴的两端向外延伸穿过内壳体两端设置的前、后端盖，输出轴与前、后端盖之间设有轴承和密封组件，即转子和定子位于密闭的腔体内---内循环通路，与外循环通路完全隔离，无论外循环通路中流通的是环境气体还是被水淹时流通的水，转子和定子均能处在安全工作环境下，即使电动机内部始终保持空气环境下运行，以保证电动机长时间的安全工作，从而使电动机带动负载水泵正常排水。
附图说明
图1是本发明的工作过程示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明中正压密封装置的控制原理图；
图4是本发明中定子线圈的结构示意图；
图5是本发明中散热冷却装置以及电动机内部结构示意图。
具体实施方式
结合图5，一种干潜两用电动机系统，包括电动机10，电动机10包括转子15A和定子15B，定子15B固定在桶状的内壳体13的内壁上，转子15A与输出轴14同轴连为一体，输出轴14的两端向外延伸穿过内壳体13两端设置的前、后端盖13A、13B，输出轴14与前、后端盖13A、13B之间设有轴承和密封组件100；内壳体13的外部套设有外壳体11，外壳体11与内壳体13围成环套状的空腔内沿轴向方向布置冷热交换器；冷热交换器的流入端、内部通路及流出端与设备周边工作环境连通构成外循环通路；外壳体11与内壳体13之间的冷热交换器外壁所在的腔体与内壳体13内的空腔连通构成内循环通路；所述的输出轴14的后端悬置状并与负载水泵80相连，如图2所示。
上述内、外循环通路彼此密封隔离，形成独立的通路，并且通过冷热交换器实施热量交换，实现对电动机10的冷却，具体讲就是对转子15A和定子15B所在的工作环境实施冷却。
所述的外循环通路包括进风室30和排风室40，进风室30由设置在前端盖13A外部的进风室罩盖31与前端盖13A围合而成，排风室40由设置在后端盖13B外部的排风室罩盖41与后端盖13B围合而成；进风室罩盖31的端面上开设连通进风室30内外的通气口311，输出轴14的前端位于进风室罩盖31与前端盖13A之间的进风室30内，外循环排气风扇50位于进风室30内并固定在输出轴14的前端轴头处，外循环排气风扇50的入风口与通气口311所在位置对应，外循环排气风扇50的排风口指向冷热交换器的流入端，冷热交换器的流出端连通到排风室40，排风室40上有设有排风口42与环境连通。如图5所示，进风室30和排风室40分别布置在输出轴14的前后两端，这样可以在外壳体11与内壳体13之间轴向布置冷热交换器，使热交换的路径最长，冷却效果最佳。正常工作时，输出轴14带动外循环排气风扇50转动，环境空气从通气口311进入进风室30，在外循环排气风扇50的引导推动下进入冷热交换器的流入端并从流出端排出到排风室40，再由排风室40上的排风口42排到电动机周围环境中。进风室罩盖31的整体形状为碗型，碗型的进风室罩盖31与前端盖13A围合而成的进风室30便于安装布置外循环排气风扇50，通气口311布置在进风室罩盖31的底面处，见图5，也可说通气口311设置在进风室罩盖31的碗底部位，这样十分有利于气流的流动。
由于种种原因，内循环通路与外部之间设置的独立密封性能无法确保万无一失，就是说轴承和密封组件100中的密封有可能长期运行后会出现密封失效的问题以及内循环通路与外部部件连接部位会出现泄漏，为了确保内循环通路中的转子15A和定子15B等部件始终处在干式空气环境下工作，本发明还设置了正压密封，所谓正压密封就是将所述的内循环通路与外界压力气源相连，这样在内循环通路中保持一定的压力气体状态，压力气体是否接通要以来于周围环境，就是说，如果周围环境被水淹没或水位上涨的趋势可能淹没设备，此时内循环通路与外界压力气源连通，确保内循环通路中的压力大于周围环境的压力，这样即使结构密封无法满足安全要求时，借助正压密封的作用确保转子15A和定子15B等部件仍处在安全环境下工作。
如图5所示，所述的冷热交换器是由位于外壳体11与内壳体13围成的环套状的空腔内沿轴向方向布置的换热管20构成。具体讲就是所述的外壳体11与内壳体13的两端部位设置环状盘12，换热管20的两端密封式固定在环状盘12上开设的孔中，换热管20的两端管口分别与进风室30和排风室40连通，进风室30、换热管20的内腔和排风室40构成外循环通路，环状盘12之间的换热管20的管体外壁、内壳体13的内腔以及内壳体13上的靠近环状盘12内侧端面处开设的孔口131构成内循环通路，内、外循环通路彼此隔离。换热管20的两端密封式固定在环状盘12上的连接固定方式有多种，可以将换热管20直接插到环状盘12上开设的孔中然后将两者世界焊接，实现密封连接，也可以采用密封圈的方式将两者固定连接为一体。换热管20在外壳体11与内壳体13之间径向布置三周，每周内沿圆周向布置多根。
为了合理地布置潜水泵90和通气口311，将潜水泵90的排水口连接到进风室30的中下部，进风室罩盖31上设置的通气口311位于进风室30的中上部，通气口311内侧铰接设置百叶312，铰接轴位于百叶312下边。正常工作时，百叶312处在图5所示的状态，也就是百叶312处在开启状态，而且该开启状态是最大开启状态，铰接轴位于百叶312下边就是保证百叶312处在开启状态并保持在该状态，也就是说最大开启角度处为限位位置，百叶312与通气口311所在面的最大角度小于90°，通常为30°～60°。
气流经通气口311并在百叶312的引导下流向外循环排气风扇50处。在外界液流推动下，如潜水泵90工作时，水流从下而上经过进风室30而流向冷热交换器时，百叶312绕其铰接轴逆时针转动而处在将通气口311关闭的状态。
结合图5具体说明外循环排气风扇50的具体构成，所述的外循环排气风扇50包括扇叶51，扇叶51由固定辐板52连接到毂盘53上，毂盘53由剪切销54固定在输出轴14上。所述的剪切销54是具有一定强度的连接销，当电动机10处在干式环境下工作时，冷却介质是气流，剪切销54能够满足驱动外循环排气风扇50的要求，当水淹没电动机10时，进风室30内有液体进入，输出轴14带动外循环排气风扇50继续转动时，由于液体阻力过大，剪切销54受到过大剪切力作用而被剪断，外循环排气风扇50此时就相当于活套在输出轴14上，输出轴14的转动力矩将无法传递到外循环排气风扇50上，外循环排气风扇50将不再转动。由此可见，外循环排气风扇50的作用只是在干式环境下提供气流的流动动力来实施冷却。
结合图5，为了确保冷热交换的效率，在内壳体13内设置了内循环排气风扇60，具体讲就是所述的内壳体13内的输出轴14上并位于转子15A、定子15B与后端盖13B之间的空腔处设置内循环排气风扇60，内循环排气风扇60包括扇叶61，扇叶61由辐板62连接到毂盘63上，毂盘63由固定销64固定连接到输出轴14上。输出轴14转动带动内循环排气风扇60转动，使内壳体13内的热气流通过孔口131进入冷热交换器所在区域，并与构成冷热交换器的换热管20的外壁实施换热。所述的孔口131沿内壳体13的前后两端的周壁上间隔设置多个。
所述的轴承和密封组件100包括输出轴14与前、后端盖13A、13B之间设置轴承101和动密封102，动密封102位于轴承101的外侧，这样可以保证浸水事故发生时轴承101仍然处在安全工作环境中，位于负载水泵80一端的轴承101为短圆柱轴承，这是考虑到负载水泵80作用在输出轴14上径向力较大，右侧的轴承101选用短圆柱轴承可以提高径向承载能力。
为了提高了冷却效果，转子15A与定子15B之间、转子15A自身上以及定子15B内壳体13之间设置有气流通路15a，上述气流通路15a沿轴向布置，这样可以保证转子15A与定子15B上的热量能被及时有效的交换掉。
在电动机10的内壳体13内、外壳体11上分别布置用于检测电动机10内部空气压力的内压力传感器17、用于检测电动机10外部空气压力或水压的外压力传感器18。
所述的电动机10上还设置适配接线盒70，接线盒70上设置压力气管接头73与外界压力气源相连，动力缆线接头72与动力主电缆相连，以及控制缆线接头72与控制信号传输电缆连接，所述的定子15B上的定子线圈16为防水绝缘线圈，定子线圈16由外至内依次分为半导体防电晕层16a、云母带绝缘层16b、中间过渡粘结层16c、自硫化橡胶带16d以及带匝间绝缘的导线16e。一旦正压密封失效，而设备又处于图1所示的第II、第III阶段运行，此时电动机10的动密封102处有可能在外界水压力作用向电动机10内部渗水，在此情况下，本发明的防水绝缘线圈可浸泡在水中运行而不致损坏。
内循环通路与外界压力气源110，外界压力气源110的供给原理如图2所示，外界压力气源110包括空气压缩机111，空气压缩机111的送气端依次经安全阀112、油水分离器113、水份吸附器114、电磁阀115及高压送气管116与电动机10的内循环通路连通。
以下结合附图对本发明与现有技术的工作阶段进行比较说明。
结合图1，第I阶段：正常生产排水Q1与涌水Q2平衡，水位上升斜率为“0”；第II阶段：发生透水事故Q2＞Q1，水位按斜率α1上升；第III阶段：传统泵到水位H1不能工作，Q1＝0，到B点后，以后以斜率α2快速上升，逃生时间很短；第IV阶段：采用本发明延长淹井时间，有时间进行透水口封堵，安装临时排水能力的大型潜水泵，有机会复矿。本发明在B点后继续保持排水能力，可大幅延长逃生时间，并留有处理透水事故的机会。增调新增排水能力，如寻找透水口进行灌砼浆封堵，并安装临时大型潜水泵，这样不仅可以达到人员救生，而且可以防止淹井事故的发生。
由于电动机10内部为空气介质的干式电动机，始终在空气状态下工作，设置在电动机10内部的内压力传感器17，测定电动机10内部的压力P1，而外压力传感器18测定的是周围环境的压力P2。在正常情况下，电动机10运行在井下中央泵房的空气环境中，在此情况下P2≈P1。随着电动机10运行的温度上升，作为全密闭型，此种电动机内部的空气压力P1会上升，使压差Δp＝P2-P1≤0，在这种工况下，|Δp|小于设定差值p，经比较放大器的信号电压为“零”，电磁阀115保持关闭，即不向电动机10内输送压缩空气，该工作的状态即为本发明的正常工作状态。
以下结合图1、2、3、4、5对本发明作进一步的说明。
当水淹没到一定深度，在这一深度下，P2＞P1，Δp＞0，正压密封开始工作，外界压力气源110的电磁阀115打开，送入压缩空气，电动机10内部空气压力升高，直至P1上升到Δp＝P2-P1＜0，而且与压力整定比|Δp|＜P，电磁阀115关闭。这一阶段相当于图1中第II阶段，处于干潜过渡阶段，由压力差与设定值比较决定电磁阀115的工作状态，使电动机10内部的空气压力高于环境的水压力，使周围的环境水无法经动密封102渗入到电动机10内部，保证电动机10的绝缘、轴承的润滑条件都处于与干式陆上电动机一样的工作状态，且能正常运行。当水淹没深度继续增加，则电磁阀115始终处于打开状态，使电动机10内部压力处于可控正压、干式运行状态。为减小Δp＞P，所有止口配合的部位都设置了“O”型橡胶静密封，静密封的泄漏量为0。两端轴伸端设置有适合于空气运行也适合于水中运行的旋转密封。在此种密封条件下，压缩空气消耗小于等于0.001m3/h，能有效降低正压密封系统的能量消耗。
在矿井正常生产排水的情况下为干式空气环境，在干潜不同工况下电动机10的内循环通路中的冷却介质始终是空气，内循环通路中的空气介质与环境空气介质是不交换的，但内外介质之间的热量是换热管20交换的。
外部介质改变，由空气转变为水时，本发明即可实现干潜两用。当矿井发生透水事故时，透水量大于泵站的排水量，水位上升到通气口311处并进入到进风室30内淹没了电动机10的1/3高程左右。传统电动机在此情况下已浸到了电动机的接线头，无法再使用运转。由于由于外循环排气风扇50输送介质的受到的阻力急剧增大，剪切销54被剪断，外循环排气风扇50与输出轴14扭矩传递条件被破坏，发出控制信号，自动启动潜水泵90，将冷却水流送入进风室30，并使外循环通路内部的水压高于环境水压，此时安装在通气口311处的百叶312起到单向阀的作用自动关阀，因此冷却水流代替了外循环排气风扇50的空气流，“空—空冷却方式”瞬间转换成“水—空冷却方式”。由于水的热传导能力是空气的上千倍，所需要的工作水流量是很小的，在全部淹没的情况下，潜水泵90可以停止运行。

Claims (10)

1.一种干潜两用电动机系统，包括电动机(10)，电动机(10)包括转子(15A)和定子(15B)，定子(15B)固定在桶状的内壳体(13)内壁上，转子(15A)与输出轴(14)同轴连为一体，其特征在于：输出轴(14)的两端向外延伸穿过内壳体(13)两端设置的前、后端盖(13A)、(13B)，输出轴(14)与前、后端盖(13A)、(13B)之间设有轴承和密封组件(100)；内壳体(13)的外部套设有外壳体(11)，外壳体(11)与内壳体(13)围成环套状的空腔内沿轴向方向布置冷热交换器；冷热交换器的流入端、内部通路及流出端与设备周边工作环境连通构成外循环通路；外壳体(11)与内壳体(13)之间的冷热交换器的外壁所在的腔体与内壳体(13)内的空腔连通构成内循环通路；所述的输出轴(14)的后端悬置状并与负载水泵(80)相连。
2.根据权利要求1所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的外循环通路包括进风室(30)和排风室(40)，进风室(30)由设置在前端盖(13A)外部的进风室罩盖(31)与前端盖(13A)围合而成，排风室(40)由设置在后端盖(13B)外部的排风室罩盖(41)与后端盖(13B)围合而成；进风室罩盖(31)的端面上开设连通进风室(30)内外的通气口(311)，输出轴(14)的前端位于进风室罩盖(31)与前端盖(13A)之间的进风室(30)内，外循环排气风扇(50)位于进风室(30)内并固定在输出轴(14)的前端轴头处，外循环排气风扇(50)的入风口与通气口(311)所在位置对应，外循环排气风扇(50)的排风口指向冷热交换器的流入端，冷热交换器的流出端连通到排风室(40)，排风室(40)上有设有排风口(42)与环境连通。
3.根据权利要求1所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的内循环通路与外界压力气源相连；所述的冷热交换器是由位于外壳体(11)与内壳体(13)围成环套状的空腔内沿轴向方向布置的换热管(20)构成。
4.根据权利要求1或2所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：潜水泵(90)的排水口连接到进风室(30)的中下部，进风室罩盖(31)上设置的通气口(311)位于进风室(30)的中上部，通气口(311)内侧铰接设置百叶(312)，铰接轴位于百叶(312)下边。
5.根据权利要求2所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的外循环排气风扇(50)包括扇叶(51)，扇叶(51)由固定辐板(52)连接到毂盘(53)上，毂盘(53)由剪切销(54)固定在输出轴(14)上。
6.根据权利要求3所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的内壳体(13)内的输出轴(14)上并位于转子(15A)、定子(15B)与后端盖(13B)之间的空腔处设置内循环排气风扇(60)，内循环排气风扇(60)包括扇叶(61)，扇叶(61)由辐板(62)连接到毂盘(63)上，毂盘(63)由固定销(64)固定连接到输出轴(14)上。
7.根据权利要求1所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的轴承和密封组件(100)包括输出轴(14)与前、后端盖(13A)、(13B)之间设置的轴承(101)和动密封(102)，动密封(102)位于轴承(101)的外侧，位于负载水泵(80)一端的轴承(101)为短圆柱轴承。
8.根据权利要求3所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：所述的外壳体(11)与内壳体(13)的两端部位设置环状盘(12)，换热管(20)的两端密封式固定在环状盘(12)上开设的孔中，进风室(30)、换热管(20)内腔和排风室(40)构成外循环通路，环状盘(12)之间的换热管(20)的管体外壁、内壳体(13)的内腔以及内壳体(13)上靠近环状盘(12)内侧端面处开设的孔口(131)构成内循环通路，内、外循环通路彼此隔离。
9.根据权利要求1或8所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：转子(15A)与定子(15B)之间、转子(15A)自身上以及定子(15B)内壳体(13)之间设置有气流通路(15a)，气流通路(15a)轴向布置。
10.根据权利要求1或8所述的干潜两用电动机系统，其特征在于：在电动机(10)的内壳体(13)内、外壳体(11)上分别布置用于检测电动机(10)内部空气压力的内压力传感器(17)、用于检测电动机(10)外部空气压力或水压的外压力传感器(18)，所述的电动机(10)上还设置适配接线盒(70)，接线盒(70)上设置压力气管接头(73)与外界压力气源相连，动力缆线接头(72)与动力主电缆相连，以及控制缆线接头(71)与控制信号传输电缆连接，所述的定子(15B)上的定子线圈(16)为防水绝缘线圈，定子线圈(16)由外至内依次分为半导体防电晕层(16a)、云母带绝缘层(16b)、中间过渡粘结层(16c)、自硫化橡胶带(16d)以及带匝间绝缘的导线(16e)。
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