Ключевые технологии для будущего развития взрывозащищенных высокоскоростных двигателей
2025-12-10
В пожароопасных и взрывоопасных средах, таких как нефтехимическая и горнодобывающая промышленность, разработка взрывозащищенных двигателей с высокой скоростью вращения стала одним из основных направлений модернизации промышленности. От ранних традиционных скоростей в несколько тысяч оборотов в минуту до современных прорывных скоростей в десятки тысяч оборотов в минуту, взрывозащищенные высокоскоростные двигатели должны не только удовлетворять потребности в повышенной плотности мощности, но и соответствовать основным требованиям взрывозащищенности. Проблемы, связанные с высокой скоростью вращения, такие как рассеивание тепла, прочность конструкции и электромагнитная совместимость, сочетаются с требованиями взрывозащиты, что приводит к инновационным прорывам в шести ключевых технологиях. Эти технологии не только продолжают основную логику НИОКР высокоскоростных двигателей, но и целенаправленно оптимизируются для особых условий эксплуатации взрывозащищенных двигателей, становясь ключевым конкурентным преимуществом для будущего развития отрасли.
I.Взрывозащищенная и адаптивная технология рассеивания тепла: преодоление двойных ограничений высокой температуры и безопасности
Потери в высокоскоростных двигателях геометрически возрастают с ростом скорости вращения, что значительно усложняет контроль температуры. Более того, взрывозащищённый корпус взрывозащищённых двигателей ещё больше затрудняет отвод тепла, создавая двойное противоречие: «высокие потери + герметичный теплоотвод». Будущие технологии отвода тепла для взрывозащищённых высокоскоростных двигателей должны обеспечивать эффективное терморегулирование без ущерба для взрывозащищённой конструкции. В настоящее время основные решения делятся на две категории: системы внутреннего принудительного воздушного охлаждения и системы внутреннего масляного охлаждения, обе из которых должны соответствовать стандартам взрывозащиты.
Технология внутреннего принудительного воздушного охлаждения оптимизирует вентиляционную структуру взрывозащищенного корпуса, подавая мощный поток холодного воздуха непосредственно на обмотки и сердечник, обеспечивая взрывобезопасную герметизацию. Например, в шахтном вентиляционном оборудовании взрывозащищенные двигатели используют конструкцию взрывозащищенного корпуса с направляющим потоком, где холодный воздух поступает в полость через специальный канал, что повышает эффективность теплоотвода более чем на 30% и поддерживает температуру корпуса ниже точки воспламенения взрывоопасных газов. Технология внутреннего масляного охлаждения лучше подходит для закрытых сред. Например, во взрывозащищенных высокоскоростных двигателях AVL используется комбинированное решение, включающее охлаждение масляным распылением в пазах статора и циркуляцию масляного контура ротора, в сочетании со взрывозащищенной герметизацией масляного контура для предотвращения утечки смазки и потенциальных угроз безопасности. Стоит отметить, что независимо от метода охлаждения взрывозащищенные двигатели должны пройти испытание на повышение температуры в соответствии со стандартом GB3836, чтобы гарантировать соответствие температуры корпуса требованиям безопасности на максимальной скорости. Это стало основным показателем эффективности при разработке технологий теплоотвода.
II.Технология выбора двигателя, ориентированная на безопасность: баланс между эффективностью и взрывозащищенностью
Выбор типа двигателя напрямую определяет эксплуатационные характеристики взрывозащищённых высокоскоростных двигателей. Технические характеристики двигателей с постоянными магнитами, асинхронных двигателей и вентильных реактивных двигателей должны точно соответствовать требованиям взрывозащиты, скорости и стабильности работы. В настоящее время в отрасли сложилась чёткая логика выбора: в сверхвысоких скоростях доминируют асинхронные взрывозащищённые двигатели благодаря своей простоте конструкции и высокой надёжности; в средне- и высокоскоростных применениях предпочтительны взрывозащищённые двигатели с постоянными магнитами благодаря их высокой удельной мощности, однако необходимо решить проблемы высокотемпературного размагничивания постоянных магнитов и взрывозащищённой герметизации.
В реакторном оборудовании нефтехимической промышленности взрывозащищенные двигатели с постоянными магнитами, благодаря интегрированной конструкции из редкоземельных постоянных магнитов и взрывозащищенному корпусу, достигают скорости более 15 000 об/мин, при этом КПД на 5–8% выше, чем у традиционных асинхронных взрывозащищенных двигателей. В условиях высоких ударных нагрузок, таких как подземные угольные шахты, асинхронные взрывозащищенные двигатели, благодаря усиленной конструкции ротора и ударопрочности взрывозащищенного корпуса, соответствуют требованиям стандартов MT/T 1117-2011. Вентильные реактивные двигатели из-за повышенного уровня вибрации и шума имеют ограниченное применение во взрывозащищенных средах; однако, с развитием технологий шумов, вибрации и вибрации (NVH), некоторые маломощные взрывозащищенные высокоскоростные двигатели начинают оптимизироваться. Основной принцип выбора — «безопасность прежде всего, эффективность соответствует требованиям», и все решения должны пройти сертификацию взрывозащищенности Ex, чтобы гарантировать отсутствие электрических искр в аварийных ситуациях.
III. Технология создания ударопрочных и взрывозащищенных роторных конструкций: баланс прочности и герметичности
Экстремальные центробежные нагрузки, возникающие при высокоскоростном вращении, предъявляют высокие требования к конструкции ротора взрывозащищенных двигателей. Ротор должен не только выдерживать механические воздействия при десятках тысяч оборотов в минуту, но и обеспечивать герметичность взрывозащищенных поверхностей, предотвращая разрушение взрывозащищенного состояния из-за деформации конструкции. Перспективные технологии изготовления роторов для взрывозащищенных высокоскоростных двигателей развиваются в направлении сочетания упрочнения материалов и оптимизации конструкции.
В диапазоне средних и высоких скоростей композиционная конструкция, состоящая из металлической оболочки и ротора с изоляцией постоянного тока (IPM), получила широкое распространение. Оболочка изготовлена из высокопрочной легированной стали, а магниты закреплены посадкой с натягом. На взрывозащищенной поверхности также установлен эластичный уплотнительный слой для предотвращения утечки в зазоре, вызванной изменением скорости. В условиях сверхвысоких скоростей роторы с обмоткой из углеродного волокна и цельные роторы более предпочтительны. Например, во взрывозащищенных двигателях для маховиков накопителей энергии обмотка из углеродного волокна охватывает магниты, увеличивая прочность на разрыв более чем вдвое по сравнению с металлическими оболочками. В сочетании со встроенной взрывозащищенной оболочкой это полностью решает проблему концентрации напряжений. Стоит отметить, что конструкция ротора взрывозащищенных двигателей должна исключать неравномерное напряжение, вызванное неполным заполнением окружности магнита. Обычно это достигается использованием полных кольцевых магнитов или схем заполнения инертным материалом для обеспечения сохранения взрывозащищенных характеристик даже на экстремальных скоростях.
IV.Технология оптимизации с низким уровнем шума, виброгашения и взрывозащиты: предотвращение рисков резонанса и искрообразования.
Вибрация и шум являются неотъемлемыми проблемами высокоскоростных двигателей. Вибрация взрывозащищённых двигателей не только влияет на срок службы оборудования, но и может вызывать искры из-за трения о взрывозащищённые поверхности, что представляет угрозу безопасности. Будущие технологии снижения шума и гашения вибраций для взрывозащищённых высокоскоростных двигателей должны учитывать как динамику ротора, так и электромагнитную конструкцию для достижения синергетической оптимизации «снижение вибрации + взрывозащита».
С точки зрения оптимизации динамики ротора, критическая скорость определяется с помощью модального анализа, и соотношение длины к диаметру корректируется соответствующим образом: более короткая, более толстая конструкция ротора может увеличить критическую скорость и снизить риск резонанса, но прочность на сжатие взрывозащищенного корпуса должна быть усилена; более длинный, более тонкий ротор требует упругой опорной конструкции для уравновешивания центробежных напряжений и контроля вибрации. В оборудовании для транспортировки нефтехимических трубопроводов взрывозащищенный двигатель достигает значений вибрации в пределах 80% от стандартного предела GB3836 за счет оптимизации точности динамической балансировки ротора (ошибка круглости менее 0,001 мм). Что касается контроля электромагнитного шума, для решения проблемы воя, вызванного высокочастотными электромагнитными силами, принимается оптимизированное распределение обмоток и конструкция с пониженным содержанием гармоник, чтобы избежать электромагнитной вибрации, вызывающей резонанс во взрывозащищенном корпусе, а также снизить вероятность возникновения электрических искр.
V.Подавление высокочастотных потерь. Высокоэффективная технология проектирования: повышение эффективности и срока службы изоляции
Высокочастотные потери в высокоскоростных двигателях значительно сокращают срок службы изоляции, а отказ системы изоляции во взрывозащищенных двигателях может легко привести к возникновению искр при коротком замыкании. В основе будущей высокоэффективной технологии проектирования взрывозащищенных высокоскоростных двигателей лежит принцип «управление потерями + улучшение изоляции», что позволяет добиться двойного повышения эффективности и безопасности за счет многомерной оптимизации.
Что касается подавления потерь в стали, для снижения потерь на вихревые токи используются сверхтонкие листы кремнистой стали толщиной 0,08–0,10 мм в сочетании со специальными материалами, обладающими еще меньшими потерями на гистерезис. Одновременно конструкция магнитной цепи оптимизируется для улучшения синусоидального характера магнитного поля и снижения гармонических потерь в стали. Для потерь переменного тока в магнитах и металлической оболочке применяются радиальные или аксиальные сегментные конструкции; чем больше сегментов, тем значительнее эффект подавления потерь. Один из производителей взрывозащищенных двигателей добился снижения потерь переменного тока более чем на 40% благодаря 8-сегментной конструкции магнита. Модернизация системы изоляции имеет решающее значение для взрывозащищенных двигателей. Для усиления изоляции относительно земли и межвитковой изоляции необходимо использовать специальные изоляционные материалы класса F или выше, чтобы противостоять воздействию гармоник высшего порядка, генерируемых преобразователем частоты. Кроме того, применение многоуровневой структуры привода позволяет эффективно подавлять боковые гармоники ШИМ и уменьшать повреждение изоляции взрывозащищенного двигателя высокочастотным током.
VI.Технология взрывозащищенных подшипников: поддержка высокой скорости и надежной герметизации
Подшипники – это «вращающиеся соединения» высокоскоростных двигателей. Для взрывозащищённых двигателей подшипники должны не только соответствовать требованиям к опорам на высоких скоростях, но и предотвращать искрообразование при трении и исключать риски, связанные с утечкой смазки. В будущем технологии подшипников для взрывозащищённых высокоскоростных двигателей будут развиваться в направлении «бесконтактных, герметичных и изолированных» конструкций.
Подшипники с магнитной левитацией, благодаря своему преимуществу бесконтактного вращения, стали предпочтительным выбором для мощных взрывозащищенных высокоскоростных двигателей. Они поднимают главный вал с помощью электромагнитной силы, устраняя механическое трение и предотвращая искрообразование в месте его возникновения. В сочетании с взрывозащищенной конструкцией полости они уже используются в крупных нефтехимических компрессорах. В маломощных применениях подшипники с воздушной подвеской достигают левитации за счет изолирующего газа высокого давления в сочетании с сотовым уплотнением вала. Давление изолирующего газа выше, чем давление в полости, что обеспечивает как точность опоры, так и повышенную взрывозащищенность. Механические подшипники требуют изолирующей конструкции, например, добавления изолирующих втулок в корпус подшипника для предотвращения повреждения током вала. Они также используют высокотемпературную взрывозащищенную смазку для удовлетворения требований к смазке при высокоскоростной работе. Независимо от типа, система подшипников должна пройти испытание на взрывозащищенность, чтобы гарантировать отсутствие утечки смазки или образования искр при экстремальных скоростях.
Резюме и перспективы
Будущее развитие взрывозащищенных высокоскоростных двигателей предполагает глубокую интеграцию многофизической полевой связи и стандартов взрывозащищенной безопасности. Прорывы в шести ключевых технологиях не только решат технические проблемы, вызванные высокими скоростями, но и поддержат базовый уровень безопасности взрывозащищенных двигателей. От нефтехимических реакционных сосудов до горнодобывающих подъемных систем, от прецизионных высокоскоростных шпинделей до специального оборудования в новой энергетике, высокоскоростное развитие взрывозащищенных двигателей будет продолжать расширять границы их применения. Благодаря непрерывному прогрессу в материаловедении, электромагнитных технологиях и технологиях терморегулирования, взрывозащищенные высокоскоростные двигатели будут развиваться в направлении более высоких скоростей, более высокой эффективности, большей надежности и безопасности. Постоянные инновации в шести ключевых технологиях станут основной движущей силой модернизации промышленности, обеспечивая надежную поддержку промышленной модернизации в пожароопасных и взрывоопасных средах.
-
-
WeChat
