箱式高壓電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬麗娟，李連生，曹 亭

(安徽皖南電機(jī)股份有限公司，安徽涇縣 242500)

0 引言

箱式高壓電動機(jī)冷卻系統(tǒng)，是一種較為復(fù)雜的空-空冷卻或空-水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即是指封閉式電動機(jī)內(nèi)腔(空氣)的熱量通過熱傳遞給冷卻器，再由冷卻器傳遞給電動機(jī)以外的介質(zhì)的一種冷卻方式。一般高壓箱式電動機(jī)冷卻方式為:IC611、IC616、IC81W 等，用于 YKK、YRKK、YKS等系列電機(jī)。本文重點(diǎn)討論了設(shè)計(jì)高壓電動機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)的一些注意事項(xiàng)及優(yōu)化建議。

1 電動機(jī)的風(fēng)路設(shè)計(jì)

(1)箱式高壓電動機(jī)冷卻系統(tǒng)，一般按電動機(jī)內(nèi)冷卻空氣流動的方向，可分為徑向、軸向和混合式三種。電機(jī)按防護(hù)等級一般可分為IP23(即開起式)和IP44(即封閉式)，不管是開起式電機(jī)還是封閉式電機(jī)，2極、4極、6極一般為徑向通風(fēng)方式，即利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件，如風(fēng)葉、風(fēng)道片、磁極等由電機(jī)兩端向鐵心中間鼓風(fēng)，進(jìn)而冷卻電機(jī)。該結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，具體見圖1。

圖1 徑向通風(fēng)方式結(jié)構(gòu)

(2)8極、10極一般為混合通風(fēng)系統(tǒng)，就是在電機(jī)轉(zhuǎn)子的一端安裝大的風(fēng)扇，以加大風(fēng)量。其缺點(diǎn)是沿軸的方向冷卻不均勻，易造成一頭熱一頭冷的現(xiàn)象。

(3)對于IP44及以上2極、4極、6極封閉式電機(jī)，其冷卻系統(tǒng)一般為IC611，即機(jī)座設(shè)計(jì)時(shí)，在機(jī)座頂部開窗口，頂部再設(shè)置冷卻器，這樣電機(jī)有兩套風(fēng)路。首先，電機(jī)內(nèi)部通過轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇鼓出的風(fēng)，一路吹向線圈端部，一路通過氣隙吹出，一路通過定轉(zhuǎn)子的通風(fēng)槽間隙吹出。冷空氣由機(jī)座兩端進(jìn)入，再由機(jī)座的中間吹出，吹出的熱風(fēng)直接吹到冷卻管上，冷卻管內(nèi)是冷空氣，通過熱交換冷卻機(jī)座內(nèi)空氣后再由兩端進(jìn)入機(jī)座。其次，外風(fēng)路，即電機(jī)外部軸上自帶風(fēng)扇，通過外部的風(fēng)扇，向冷卻器管吹入冷風(fēng)，與電機(jī)內(nèi)部的熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱交換。對于8極、10極電機(jī)，由于其自身的轉(zhuǎn)速較低，自帶外風(fēng)扇無法滿足電機(jī)散熱的需求，故一般設(shè)計(jì)為冷卻器上自帶風(fēng)機(jī)。

但以上風(fēng)路的設(shè)計(jì)中，進(jìn)入空-空冷卻器各風(fēng)管的風(fēng)必須按風(fēng)管所處的方位、角度、遠(yuǎn)近以及電機(jī)外風(fēng)扇或冷卻器的獨(dú)立風(fēng)機(jī)吹來風(fēng)的方位、角度、遠(yuǎn)近和風(fēng)速進(jìn)行合理的分配，避免外風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)扇出的風(fēng)自然流出經(jīng)普通風(fēng)罩“順勢”進(jìn)入冷卻管。對于冷卻器的設(shè)計(jì)，先根據(jù)電機(jī)的功率P和效率η計(jì)算出電動機(jī)的損耗值，再計(jì)算出電動機(jī)損耗值設(shè)計(jì)處冷卻管的數(shù)量，以及風(fēng)扇直徑和葉片的數(shù)量。對于IC611的YKK電動機(jī)，其風(fēng)罩的改進(jìn)，措施可參考文獻(xiàn)[2]，應(yīng)該找出縱、橫導(dǎo)風(fēng)柵下端最佳距離和角度，最好初步計(jì)算后再生產(chǎn)試制，待合格后再批量生成。

(4)對于冷卻方式為IC616的電動機(jī)的冷卻器所帶的獨(dú)立風(fēng)機(jī)，其風(fēng)扇葉片離冷卻器端面不小于風(fēng)扇葉片的外徑，在冷卻器端面處的風(fēng)扇葉片外徑范圍內(nèi)，各點(diǎn)風(fēng)速應(yīng)基本相等，最小風(fēng)速不小于最大風(fēng)速的1/2，即Umin＞1/2Umax。要達(dá)到以上要求，除設(shè)計(jì)安裝距離足夠大外，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特別是風(fēng)機(jī)型式要保證風(fēng)葉半徑長度范圍內(nèi)各風(fēng)速基本相等。要使各點(diǎn)風(fēng)速相等，一方面風(fēng)扇的鐵心要足夠小;另一方面風(fēng)葉制成沿徑向要逐漸減小扭轉(zhuǎn)角。在實(shí)際使用過程中，有些電機(jī)的冷卻器各冷卻管排出的熱風(fēng)溫度、速度相差很大，隨后用紙條逐根管作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)靠近冷卻器底部或最高部的冷卻管沒有風(fēng)排出，同時(shí)和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向有很大的關(guān)系，即面對電機(jī)主軸伸端，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛倚龝r(shí)，冷卻器右側(cè)的冷卻器出風(fēng)較多，左側(cè)出風(fēng)少，越靠近中間管出風(fēng)越大，上側(cè)風(fēng)速大于下側(cè)風(fēng)速，這樣造成冷卻器利用系數(shù)過低。造成這樣的原因如下:

①冷卻器管排的布局不合理。目前冷卻管的形狀多數(shù)為圓形管，個(gè)別廠家采用橢圓形管(如BBC)，但實(shí)踐證明采用圓形管的工藝操作簡單，散熱形好。對于冷卻器管的排布目前國內(nèi)廠家有兩種設(shè)計(jì)，即層形布置(見圖2)和M形布置(見圖3)，這兩種布置方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體哪種布置較好，由各廠家視具體情況而定。

②外風(fēng)罩設(shè)計(jì)不合理，即上述的縱、橫導(dǎo)風(fēng)柵下端最佳距離和角度，以及和外風(fēng)扇設(shè)計(jì)的形狀有著很大的關(guān)系。如一臺400 mm中心高，4極、355 kW的電機(jī)，其管排數(shù)為6排，出廠試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其排出的風(fēng)溫度較高，PT100檢測到定子繞組溫升接近80 K，盡管符合出廠的標(biāo)準(zhǔn)，但感覺不是很理想，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)每個(gè)冷卻管所帶走的熱量較多，可以適當(dāng)考慮增加冷卻管的數(shù)量;同時(shí)外風(fēng)罩設(shè)計(jì)不合理，沒有起到很好地合理分配風(fēng)量的作用。隨后增加了兩排冷卻管，并對外風(fēng)罩和外風(fēng)扇都作了合理的改造，再次試驗(yàn)后，定子繞組的溫升為60 K，滿意交付次臺電機(jī)。

圖2 層型布置

圖3 M(或W)型布置

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于現(xiàn)行的箱式高壓電機(jī)，由于需滿足現(xiàn)場的安裝基礎(chǔ)要求，或者替代原先進(jìn)口電機(jī)的要求，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)雖保證了電機(jī)安裝尺寸，但卻滿足不了內(nèi)部冷卻風(fēng)路的設(shè)計(jì)，由于鐵心長度和機(jī)座尺寸限制，內(nèi)部進(jìn)風(fēng)口過小。如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行的箱式高壓電機(jī)進(jìn)風(fēng)口

經(jīng)過計(jì)算，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量滿足不了該電機(jī)冷卻所要求的風(fēng)量，但又由于受電機(jī)安裝現(xiàn)場的要求，不能加長機(jī)座。綜合各方考慮，故決定按圖5所示進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)

把環(huán)筋板改為帶導(dǎo)風(fēng)筒的擋風(fēng)板，并對兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)路進(jìn)行有限元仿真。由于風(fēng)路對于電機(jī)軸心圓周對稱，所以取徑向窄區(qū)域來進(jìn)行計(jì)算，兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)路的流線圖如圖6、圖7所示。

圖6 原結(jié)構(gòu)風(fēng)路流線圖

圖7 新結(jié)構(gòu)風(fēng)路流線圖

通過計(jì)算得到新風(fēng)路的風(fēng)量約是原風(fēng)路風(fēng)量的1.1倍，隨后通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)能夠解決電機(jī)風(fēng)量不足的問題。這樣可以很好地解決一方面要顧及安裝尺寸問題，另一方面又要顧及冷卻風(fēng)量的問題。

由于目前市場所需求電機(jī)的種類繁多，許多為非標(biāo)電機(jī)，根據(jù)需求不一樣設(shè)計(jì)了很多冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)。如一臺出口 YR系列電機(jī)，中心高為630 mm，12極的電機(jī)，由于其自身轉(zhuǎn)速不足，僅500 r/min，風(fēng)量足夠，但風(fēng)壓無法滿足冷卻系統(tǒng)的要求，經(jīng)技術(shù)人員查閱大量資料，同時(shí)參考同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，將上部冷卻器改為通風(fēng)柜，即上部帶兩個(gè)獨(dú)立風(fēng)機(jī)，電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子上不帶任何產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件，靠通風(fēng)柜上獨(dú)立風(fēng)機(jī)來帶動電機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)循環(huán)，從而起到冷卻電機(jī)的作用。

目前，國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家對355～500 mm電機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮通風(fēng)問題，一些型號的電機(jī)因轉(zhuǎn)子槽數(shù)過多，沖片兩槽之間的間隙過于狹小，加上一些工藝上的因素，致使電機(jī)溫升較高。設(shè)計(jì)過程中，在嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，為了提高電機(jī)效率以及降低溫升過高的問題，可適當(dāng)改變槽配合，即適當(dāng)減少轉(zhuǎn)子槽數(shù)，增加通風(fēng)間隙;結(jié)構(gòu)上也可做調(diào)整，如改外混合通風(fēng)系統(tǒng)等。

3 結(jié)語

經(jīng)過多年來我國電機(jī)行業(yè)不斷的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，電機(jī)冷卻風(fēng)路的設(shè)計(jì)也形式多樣，最主要的是要在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并做相應(yīng)的改進(jìn)，使電機(jī)設(shè)計(jì)水平不斷提高。

[1]GB/T 1993-93旋轉(zhuǎn)電機(jī)冷卻方法[S].

[2]王殿又，鄭海榮.改善風(fēng)罩的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)提高電機(jī)風(fēng)冷效率[J].防爆電機(jī)，2003(2):16.

[3]李海，張曉敏.電動機(jī)空-空冷卻效果及優(yōu)化建設(shè)[J].防爆電機(jī)，2003(3):15-16.

[4]李賢明，李芳，劉淑軍，等.中型高壓電動機(jī)空-空冷卻器的研究與設(shè)計(jì)[J].中小型電機(jī)，2003(5):14-16.

[5]黃國治，傅豐禮.中小旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國電力出版社，2007.

[6]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.