Cooling of electric drive motor in mining application

Abstract

The topic of this thesis was the comparison of different types of cooling systems for the electric drive motors of electric mining machines and the experimental study of the oil cooling circuit. A theoretical examination of the most important components for cooling circuits was carried out, and what properties an efficient cooling system requires were investigated. In the work, a test bench was designed and built, where three different oil cooling circuit solutions for permanent magnet motors were tested. The tested cooling circuits were dry sump solutions. The work was performed in the employer's test laboratory facilities. During the tests, observations were made about the operation of the system and measurement data was collected. Using these, an analysis of the test was performed on a case-by-case basis at the component level, as well as the operation of the cooling circuit. Based on a case-by-case analysis, a comparison was made between different oil cooling circuits. The cooling circuits that were the subjects of the tests were drive motor cooling solutions designed for the prototype mining machine, which needed to be tested on a test bench. In the first cooling circuit to be tested, the biggest problem areas were the length of the lines and flow resistances, which caused large pressure losses in the lines. The separation between the charging and scavenge pumps brought challenges with air entering the system. High flow resistances caused the drive motors to fill up with oil. Filling the traction motors may lead to demagnetization of the motors and thus their breakdown. The second cooling circuit was an improved version of the first cooling circuit. In this circuit, line pressure drops were minimized, and the result was the best solution of the three alternatives based on the analysis. In the third cooling circuit, the pump assembly was moved next to the drive motors. In this case, the size difference between the charging and scavenge pumps appeared too large, this being the biggest issue, causing cavitation and aeration in the system.

Tämän diplomityön aiheena oli sähköisten kaivoskoneiden sähkökäyttöisten ajomoottoreiden erityyppisten jäähdytysjärjestelmien vertailu ja öljyjäähdytyspiirin kokeellinen tutkimus. Jäähdytyspiirien tärkeimmistä komponenteista tehtiin teoreettinen tutkimus ja selvitettiin, mitä ominaisuuksia tehokas jäähdytysjärjestelmä vaatii. Työssä suunniteltiin ja rakennettiin testipenkki, jossa testattiin kolmea erilaista öljyjäähdytyspiiriratkaisua kestomagneettimoottoreille. Testatut jäähdytyspiirit olivat niin kutsuttuja kuivasumppuratkaisuja. Työ tehtiin työnantajan laboratoriotiloissa. Testien aikana tehtiin havaintoja ja kerättiin mittaustietoja järjestelmän toiminnasta. Näitä hyödyntämällä suoritettiin testin tapauskohtainen analyysi komponenttitasolla, sekä jäähdytyspiirin toiminnan analyysi. Eri öljyjäähdytyspiirejä vertailtiin tapauskohtaisen analyysin perusteella. Testien kohteina olleet jäähdytyspiirit olivat prototyyppi kaivoskoneeseen suunniteltuja ajomoottoreiden jäähdytysratkaisuja, joille suoritettiin kokeellinen testaus testipenkissä. Ensimmäisessä testattavassa jäähdytyspiirissä suurimmat ongelmakohdat olivat linjojen pituus ja virtausvastukset, jotka aiheuttivat suuria painehäviöitä linjoissa. Syöttö- ja scavenge-pumpun kokoero toi haasteita järjestelmään muodostuvan ilmamäärän kanssa. Suuret virtausvastukset saivat ajomoottorit täyttymään jäähdytysöljystä. Ajomoottoreiden täyttyminen voi johtaa moottoreiden demagnetoitumiseen ja siten niiden rikkoutumiseen. Toinen jäähdytyspiiri oli paranneltu versio ensimmäisestä jäähdytyspiiristä. Tässä piirissä linjan painehäviöt minimoitiin tärkeimmästä kohdasta linjaa ja tuloksena oli analyysin perusteella paras ratkaisu testatusta kolmesta jäähdytyspiiristä. Kolmannessa jäähdytyspiirissä pumppukokoonpano siirrettiin ajomoottoreiden viereen. Tässä tapauksessa kokoero syöttö- ja scavenge-pumppujen välillä vaikutti liian suurelta, mikä oli suurin ongelma kyseisessä jäähdytyspiirissä, aiheuttaen kavitaatiota ja ilmastusta järjestelmässä.