充水式潛水電機按溫升進行優(yōu)化設(shè)計的新方法及其應(yīng)用

王靈沼

(天津市電機總廠，天津 300210)

0 引言

由于充水式潛水電機內(nèi)部和介質(zhì)都是液體，水的導(dǎo)熱性能遠優(yōu)于空氣，所以普通異步電機的溫升計算方法已不適用。在以往的潛水電機設(shè)計中，只是根據(jù)經(jīng)驗選取熱負荷、不作溫升計算。但是國內(nèi)外市場要求單機的功率逐步增大、價格競爭也日趨激烈，因此如何計算電機溫升、合理選用熱負荷已成為潛水電機設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。本文總結(jié)歸納了充水式潛水電機的溫升計算方法，并應(yīng)用于電機的設(shè)計改進和高效節(jié)能的新產(chǎn)品開發(fā)，取得了很好的效果。

1 潛水電機的溫升計算

1.1 靜水中的電機溫升

充水式密封型潛水電機的特點是電機內(nèi)部和外部都是水介質(zhì)，而且內(nèi)外部水互不交換。水的導(dǎo)熱性比空氣好得多，電機可看作是等溫體;電機周圍的水介質(zhì)按牛頓散熱定律將電機的熱量帶走;電機的定、轉(zhuǎn)子銅耗，鐵耗，機械耗全都轉(zhuǎn)化為熱能，使電機的溫度升高;電機產(chǎn)生的熱量依靠電機表面向周圍的水介質(zhì)散發(fā)，當達到熱平衡時，電機的溫升就趨于穩(wěn)定。因此，電機的溫升主要取決于電機的總損耗，以及電機表面的散熱面積和散熱能力。

用傳熱系數(shù)α來表示表面散熱能力，其物理意義如下:當電機表面與周圍介質(zhì)溫差為1℃時，在單位時間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量[1]。為了便于計算，散發(fā)的熱量用功率單位來表示，α的單位是kW/(m2·K)。

根據(jù)牛頓散熱定律[1]，單位時間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量:

式中:θ0——靜水中電機與介質(zhì)的溫差，即電機的穩(wěn)態(tài)溫升，℃。

式中:P2——電機的額定功率;

η——電機效率。

1.2 計算實例

例:1222a/2-100(50 Hz，380 V，100 kW)。

根據(jù)德國 RITZ公司的原設(shè)計，電機外徑0.229 m，鐵心長度為 1.08 m，定子長度為1.43 m，上導(dǎo)軸承高0.10 m，下導(dǎo)軸承高 0.04 m，止推軸承座高0.085 m，底座高0.123 m，電機效率計算值為87.8%。

電機總的表面積S1為

如加裝熱交換器，其表面積為0.4 m2，傳熱系數(shù)α3為0.16 kW/(m2·K)，則電機溫升為

單位時間內(nèi)電機表面散發(fā)到周圍介質(zhì)的總熱量Q為

式中:S——電機表面的面積。

當電機達到熱平衡時，在單位時間內(nèi)電機產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)出的熱量，即

式中:∑P——電機的總損耗。

由于散熱效果不同，各類表面的傳熱系數(shù)α也不同:不帶散熱筋和冷卻水槽的定子外表面、電機導(dǎo)軸承、止推軸承座、底座等與介質(zhì)水直接接觸的外表面的α1為0.3 kW/(m2·K);帶散熱筋的定子表面及與水接觸的散熱筋和水槽的所有表面α2為0.22 kW/(m2·K);熱交換器外表面的α3為 0.16 kW/(m2·K)。

因此，電機的溫升為

1.3 電機溫升計算值與試驗值的對比

現(xiàn)將機座號從“6～30”典型規(guī)格電機溫升的計算值和試驗值列于表1。

表1 典型規(guī)格電機溫升的計算值和試驗值對比表

表1包括了德國RITZ公司1215～1166系列和天津市電機總廠YQST1系列的低壓電機和高壓電機，也包括了2極和4極電機，功率范圍為5.5～1 900 kW，因此有廣泛的代表性。從表1電機溫升的計算值與試驗值對比可看到，兩者誤差不超過5 K，因此本計算方法可作為設(shè)計的依據(jù)。

此外，表1表明，如果電機的熱負荷(AJ)不超過450 A2/mm3時，電機在靜水中的溫升一般不會超過45 K。國標GB/T2818規(guī)定:當環(huán)境水溫20℃時，聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值為45 K。

1.4 電機表面水流速度對電機溫升的影響

對在額定負載下的同一電機，使不同流速的水通過電機表面，并對電機的溫升進行測量，發(fā)現(xiàn)電機表面的水流速度對電機溫升有很大的影響:在一定的流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加，溫升有不同程度的降低。如果將在靜水中電機的溫升作為基準，則不同流速時的溫升系數(shù)C見表2。

所以，在不同表面流速下的電機溫升為

表2 溫升系數(shù)C

1.5 電機內(nèi)部的溫升分布情況

以上計算的是定子繞組的平均溫升。測試發(fā)現(xiàn)，電機繞組內(nèi)部的溫升分布一般情況如下:在鐵心上端部的三分之一處溫度最高，約比平均溫升高5℃，上部溫度略高于下部。

1.6 降低電機溫升的方法

如果電機的溫升超過溫升限值，可以采用下述方法降低電機溫升:(1)提高電機效率，增大定子繞組線徑、加大導(dǎo)條截面積;(2)在電機剛度足夠條件下，加長鐵心、減少匝數(shù);(3)在最大外徑允許的情況下，電機表面增加冷卻水槽和冷卻筋;(4)在止推軸承與底座之間增加熱交換器，增加散熱面積;(5)大機座號的電機，可以在轉(zhuǎn)子下方加裝泵輪，加強電機內(nèi)部水循環(huán)，增強冷卻效果;(6)在井徑許可條件下，在電機外部加裝導(dǎo)流罩，增加電機表面的水流速度，加強冷卻。

2 電機溫升與熱負荷關(guān)系的探討

在以往的潛水電機設(shè)計中只是憑經(jīng)驗來選用熱負荷和電流密度;通常認為潛水電機的溫升與熱負荷成正比。

從前面討論的溫升計算和表1的數(shù)據(jù)對比中，可得出以下結(jié)論:

(1)潛水電機的溫升主要與電機的效率、熱負荷、冷卻結(jié)構(gòu)、表面的水流速度有關(guān)。

例如1218a/2-37的熱負荷330 A2/mm3，溫升為35.3 K;同樣屬于8”電機的YQST1200-65，因為其效率高，外徑大，所以熱負荷雖然達到434 A2/mm3，溫升卻只有 33.3 K。

(2)同系列、同一機座號中不同功率的電機的溫升基本上與熱負荷成正比:功率越大，熱負荷越高，溫升也越高。

例如:1215a/2的15 kW和5.5 kW，熱負荷比是 360/244=1.475，溫升比是 29.7/20.5=1.449;1222a/2的100 kW和30 kW熱負荷比是303/253=1.198，溫升比是 35.8/30.5=1.173;1228/2的120kW和75kW熱負荷比是320/273=1.172，溫升比是 38.5/31.9=1.206。

(3)不同機座號、不同系列的電機溫升與熱負荷無明顯的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)該通過溫升計算估算溫升，并選用合理的熱負荷。

3 溫升計算在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 產(chǎn)品改進設(shè)計

以1222a/2-100電機為例，表1中該電機的溫升試驗值為35.8 K，所以其溫升尚有裕量。

在改進設(shè)計中(型號設(shè)定為1222/2)，仍采用原來的定、轉(zhuǎn)子沖片，但作出調(diào)整，具體調(diào)整，以及兩個方案的電機性能的計算結(jié)果列于表3。

表3 改進設(shè)計電機的性能數(shù)據(jù)

從表3可看到:(1)兩個方案的電機性能基本相同;(2)改進方案的熱負荷雖然高于原設(shè)計，但電機溫升沒有超過聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值45 K;(3)改進電機的節(jié)材相當明顯，每臺降低成本10%以上。

由于1215～1166設(shè)計比較保守，所以都有改進設(shè)計的可能。

3.2 新產(chǎn)品設(shè)計

從20世紀90年代開始，潛水電機制造廠對產(chǎn)品進行更新?lián)Q代:提高電機性能、增大單機容量并提高電機軸向承載能力。為了與國際水平接軌、滿足市場需求，開始進行新產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計了YQST系列潛水電機。在研究電機溫升計算的基礎(chǔ)上，選用電機的熱負荷，結(jié)果電機性能和單機容量均高于國標GB/T2818的要求:6”電機最大功率由15 kW提高到45 kW;8”電機最大功率由45 kW提高到75 kW;10”電機最大功率由100 kW提高到150 kW;12”電機最大功率由180 kW提高到220 kW。全系列電機效率平均提高了1.5%，功率因數(shù)提高了2%。

表3中列出了YQST250-100的設(shè)計數(shù)據(jù)。通過比較不難看出:YQST250-100的設(shè)計更加合理、高效、節(jié)能、節(jié)材，而且由于鐵心長度的縮短，電機剛度增加，運行更加可靠。

1222改進設(shè)計產(chǎn)品以及YQST系列產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，取得了很好的社會效果和經(jīng)濟效果。

4 結(jié)語

本文提出的充水式潛水電機的溫升計算方法是可行的。電機溫升主要取決于電機的效率、熱負荷和電機的散熱效果。應(yīng)用溫升計算可以合理選用熱負荷，從而設(shè)計出節(jié)能、節(jié)材的電機。必須采用有效方法降低電機的溫升。對于不同溫升的電機應(yīng)采用不同耐溫等級的繞組線，確保繞組線在允許的工作溫度下長期運行。在熱負荷不超過450 A2/mm3情況下，充水式潛水電機的溫升一般不會超過45 K。

[1]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985.

[2]德國RITZ公司.潛水電機的熱計算[G].1981.