礦用隔爆型電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算

李建成, 王富春

(1. 佳木斯電機(jī)股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

礦用隔爆型電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算

李建成1,2, 王富春1,2

(1. 佳木斯電機(jī)股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

針對礦用隔爆電機(jī)體積小、功率大、發(fā)熱嚴(yán)重等應(yīng)用特點(diǎn)，合理地設(shè)計水冷結(jié)構(gòu)可以有效地平衡電機(jī)發(fā)熱量，保證電機(jī)的安全運(yùn)行?；诹黧w力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)理論開發(fā)編制了水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算程序。以YBSD礦用隔爆型三相電動機(jī)為研究對象，對其機(jī)殼水路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱力計算，并進(jìn)一步計算了電機(jī)的溫升情況。通過將程序計算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證了所提方法的可行性和計算的準(zhǔn)確性，為礦用隔爆型水冷電機(jī)設(shè)計提供了技術(shù)手段。

礦用隔爆型電機(jī)；水冷；溫升；計算程序

0 引 言

隨著市場需求的增加、競爭的日益激烈，電機(jī)產(chǎn)品的品種、數(shù)量也在不斷增多，同時電機(jī)單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，溫升問題日益嚴(yán)重，對電機(jī)技術(shù)水平也提出了更高的要求，其中電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計是電機(jī)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。礦用隔爆型電動機(jī)因其特殊的應(yīng)用場所，具有功率大、體積小、發(fā)熱量嚴(yán)重等特點(diǎn)，隨著電機(jī)設(shè)計容量的不斷提升，電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的單位體積損耗也會不斷增長，從而引起電機(jī)各部分溫度的進(jìn)一步升高[1-2]。因此，能夠合理地設(shè)計礦用隔爆型高功率密度電機(jī)的水冷系統(tǒng)，有效地平衡電機(jī)發(fā)熱量，控制電機(jī)溫升，對于電機(jī)的運(yùn)行可靠性及提高其功率密度具有十分重要的意義。

本文通過流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)，開發(fā)編制了水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算程序，并以YBSD礦用隔爆型三相電動機(jī)為研究對象，以機(jī)殼水路為研究重點(diǎn)，利用程序?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、水路熱力計算以及電機(jī)溫升計算，并將計算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗證了該方法的可行性、準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

1 基本理論

根據(jù)電機(jī)的散熱分析和水路熱力計算，合理設(shè)計水路結(jié)構(gòu)是水冷電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心任務(wù)。本節(jié)基于流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)理論，詳盡推導(dǎo)了適用于水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算的重要公式。

1.1水冷電機(jī)的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)以水冷電機(jī)中的機(jī)殼水路結(jié)構(gòu)為研究重點(diǎn)，根據(jù)電機(jī)的散熱分析與流體動力學(xué)、電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)的計算公式，給出一種普適的水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程，具體設(shè)計步驟如圖1所示。

圖1 水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟

依照圖1中的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計過程給出重要設(shè)計步驟相對應(yīng)的計算公式。

電機(jī)損耗計算公式：

式中:Pr——電機(jī)總損耗，kW；

η——電機(jī)效率；

Pe——電機(jī)額定功率，kW。

流量計算公式：

式中:Q——水流量，m3/s；

cp——水的比熱容，J/(kg·K)；

ρ——水的密度，kg/m3；

tin、tout——進(jìn)出水的溫度，℃；

kq——流量系數(shù)。

水路截面積計算公式：

式中:A——水路截面積，m2；

μ——截流系數(shù)；

Δp——水路壓差，Pa。

雷諾數(shù)計算公式：

式中:Re——雷諾數(shù)；

v——水流速度，m/s；

υ——水的運(yùn)動黏度，m2/s；

De——水路截面的當(dāng)量直徑，m。

依據(jù)雷諾數(shù)Te判斷流動狀態(tài)詳見參考文獻(xiàn)[3]。

為了散熱效果更好，應(yīng)盡量將冷卻水設(shè)計為湍流狀態(tài)。這里僅給出湍流時努謝爾特數(shù)和換熱系數(shù)對應(yīng)的求解公式，而對于層流、過度流狀態(tài)時的經(jīng)驗公式詳見文獻(xiàn)[4-5]。

式中:Nu——努謝爾特數(shù)；

Pr——普朗特數(shù)；

α——換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

λ——水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

冷卻水吸收熱量計算公式：

式中:φ——冷卻水從水套壁面吸收的熱量，W；

m——單位時間內(nèi)流過截面的水流質(zhì)量,kg/s。

水路散熱面積和水路長度計算公式：

式中:S——散熱面積，m2；

L——水路長度，m。

水路通道數(shù)量及隔水臺寬度計算公式：

軸向水路：

c=π[(D2-2hout)+(D1+2hin)]/(2N)-

式中:N——水道數(shù)量；

H——水路軸向設(shè)計長度，m；

c——隔水臺寬度，m；

hin、hout——水套內(nèi)、外壁厚，m；

D1、D2——水套內(nèi)、外徑，m；

U——水路截面濕潤周長，m。

周向水路：

式中:L′——退刀槽的裕量，m；

a——水槽寬度，m。

1.2水冷電機(jī)的水路阻力計算

水路設(shè)計不僅要實(shí)現(xiàn)有效的散熱，還需兼顧供水泵體的能耗，盡量降低它的負(fù)荷，即減少水路阻力損失。水路阻力損失主要包括沿程阻力損失和局部阻力損失。其與水路結(jié)構(gòu)、水流速度密切相關(guān)。

(1) 沿程阻力計算公式：

式中:hf——沿程阻力，m；

λf——沿程阻力系數(shù)，在不同流動狀態(tài)時經(jīng)驗公式有所不同[6]。

(2) 局部阻力計算公式：

進(jìn)、出口阻力計算

式中:ζ1——進(jìn)口阻力系數(shù)；

Ain——入水口截面積，m2。

式中:ζ2——出口阻力系數(shù)；

Aout——出水口截面積，m2。

折彎阻力計算

軸向水路：

周向水路：

式中:ζ3——阻力系數(shù)；

ζw——折彎系數(shù)，根據(jù)水路結(jié)構(gòu)和折彎角度取值不同[6]。

局部總阻力計算

式中:hw——局部阻力，m。

(3) 水路總阻力計算公式：

Δp=Δzρg+ρ[(Q/Aout)2-(Q/Ain)2]/2+

式中: Δz——進(jìn)、出水口高度差，m；

Δp——進(jìn)、出水口壓差，Pa。

(4) 水泵損耗計算公式：

式中:Wp——泵功率，W。

1.3電機(jī)溫升計算

電機(jī)發(fā)熱源主要包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗。這里采用等效熱路法對電機(jī)溫升進(jìn)行計算。假設(shè)條件包括：銅的導(dǎo)熱系數(shù)無窮大，即銅導(dǎo)體為等溫體；繞組銅耗全部在槽部，且熱流密度均相等；忽略熱量軸向傳遞，認(rèn)為電機(jī)熱量自內(nèi)向外徑向傳遞，通過水冷結(jié)構(gòu)帶走；轉(zhuǎn)子繞組熱量的一半由氣隙經(jīng)定子鐵心傳遞給機(jī)殼；雜散損耗定轉(zhuǎn)子各占一半，且集中在齒部；轉(zhuǎn)子損耗熱量經(jīng)氣隙傳遞給定子鐵心齒部。

簡化的等效熱路圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)的簡化等效熱路圖

圖2中Pcu11為定子繞組槽部的損耗熱量；Pcu12為定子繞組端部傳到機(jī)殼的損耗熱量；Pcu2為轉(zhuǎn)子繞組傳到定子鐵心的損耗熱量；Ps21為轉(zhuǎn)子雜散損耗；Ps11和Ps12各為定子雜散損耗的一半；Pfw為機(jī)械損耗；Pt11和Pt12各為定子鐵心齒部損耗的一半；Pj11和Pj12各為定子鐵心軛部損耗的一半。RF為定子鐵心繞組對鐵心的熱阻；Rδ為定轉(zhuǎn)子氣隙的熱阻；RT和RJ分別為定子鐵心齒部、軛部的傳導(dǎo)熱阻；RC為機(jī)殼的傳導(dǎo)熱阻；RK為機(jī)殼對水的散熱熱阻。

電機(jī)溫升的計算公式整理如下：

(1) 定子繞組對定子鐵心的溫降公式：

式中:θi——定子繞組對鐵心溫降，K；

qi——通過槽內(nèi)絕緣層的熱流密度，W/m2；

Ri——槽內(nèi)絕緣總熱阻。

熱流密度、熱阻的具體公式詳見文獻(xiàn)[7]。

(2) 定子鐵心齒部的溫降公式：

Ptxch=LFePcu1/(3Lz)+Pcu2/2+Pfw/2+

式中:θt——定子鐵心齒部溫降，K；

Z——定子槽數(shù)；

bt1——定子鐵心齒部平均寬度，m；

LFe——定子鐵心長度，m；

Ptxch——鐵心齒部相關(guān)損耗，W；

Kfe——鐵心疊壓系數(shù)；

λfe——硅鋼片縱向?qū)嵯禂?shù)；

ht1——定子鐵心齒部磁路計算長度，m；

Lz——定子繞組半匝長，m。

(3) 定子鐵心軛部的溫降公式：

Ptxe=LFePcu1/Lz+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θj——定子鐵心軛部溫降，K；

hj1——定子鐵心齒部磁路計算長度，m；

Ptxe——鐵心軛部相關(guān)損耗，W。

(4) 定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙溫降公式：

式中:θc1——定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙溫降，K；

Ptxj——定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙相關(guān)損耗，W；

λjx——空氣熱導(dǎo)率。

(5) 機(jī)殼中的溫降公式：

Pjk=Pcu1+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θc2——機(jī)殼中的溫降，K；

Pjk——機(jī)殼相關(guān)損耗，W；

λc——機(jī)殼材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

(6) 機(jī)殼水套表面對冷卻水的溫降公式：

式中:θw——機(jī)殼水套表面對冷卻水的溫降，K；

tw——水套壁面平均溫度，℃；

tf——冷卻水的平均溫度，℃。

(7) 定子繞組總溫升公式：

式中：θtotal——定子繞組總溫升。

(8) 轉(zhuǎn)子對定子鐵心的溫降公式：

式中：θδ——轉(zhuǎn)子對定子鐵心的溫降，K；

Rr——轉(zhuǎn)子外徑，m；

δ——定轉(zhuǎn)子間隙，m；

λeff——有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，經(jīng)驗公式詳見文獻(xiàn)[7]。

(9) 轉(zhuǎn)子總溫升公式：

式中：θr——轉(zhuǎn)子總溫升。

(10) 機(jī)殼表面平均溫度公式：

式中:tjb——機(jī)座表面平均溫度，℃；

tair——環(huán)境空氣溫度，℃；

ap——體積膨脹系數(shù)，可取ap=1/(273+tair)；

Lb——機(jī)殼有效長度，m；

Gr——格拉曉夫數(shù)；

υair——空氣運(yùn)動黏度，m2/s。

2 程序編制與實(shí)例驗證

為了實(shí)現(xiàn)水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算的參數(shù)化和可視化，現(xiàn)基于上節(jié)的基本理論計算公式利用VB語言開發(fā)編制了便于設(shè)計人員使用的應(yīng)用程序，并以YBSD礦用隔爆型三相異步電機(jī)為例，驗證了該方法的可行性和程序計算的準(zhǔn)確性。

2.1程序簡介

根據(jù)水冷電機(jī)常用機(jī)殼、端蓋、電氣元件水冷結(jié)構(gòu)的特征及實(shí)際應(yīng)用情況，應(yīng)用程序主要涉及了水冷機(jī)殼計算、水冷端蓋計算、電氣元件水冷板結(jié)構(gòu)計算三個部分。圖3～圖5給出了計算程序的主界面以及機(jī)殼計算部分的輸入界面和結(jié)果輸出界面。

圖3 水冷結(jié)構(gòu)計算程序的主界面

圖4 機(jī)殼部分的輸入界面

圖5 結(jié)果輸出界面

2.2實(shí)例驗證

以700 kW-4P的YBSD礦用隔爆型三相電機(jī)為例，以其機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)為主要研究對象，利用開發(fā)編制的應(yīng)用計算程序進(jìn)行了水路結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱力計算與電機(jī)溫升計算。

2. 2. 1 基本技術(shù)參數(shù)

表1給出了程序計算中與電機(jī)相關(guān)所需輸入的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2. 2. 2 計算結(jié)果對比分析

表2將程序計算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)水路結(jié)構(gòu)尺寸及電機(jī)溫升試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

由表2可知，應(yīng)用計算程序得出的水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)尺寸以及電機(jī)溫升情況均能較好地貼合實(shí)際情況，并且滿足電機(jī)的設(shè)計要求。同時利用有限元仿真，計算機(jī)殼水路進(jìn)出口壓差損失約為0.52 MPa，與程序結(jié)果相近，進(jìn)一步驗證了計算程序的可行性和準(zhǔn)確性。

表2 程序計算結(jié)果與實(shí)體電機(jī)數(shù)據(jù)的對比

3 結(jié) 語

本文在流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)理論計算的基礎(chǔ)上，利用VB語言開發(fā)編制了具有參數(shù)化和可視化的水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫升計算程序。同時，以YBSD礦用隔爆型三相異步電機(jī)為例，應(yīng)用計算程序?qū)ζ錂C(jī)殼水路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱力計算與電機(jī)溫升計算；通過與實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及試驗數(shù)據(jù)對比，表明了該程序方法的可行性與準(zhǔn)確性，并可在其他水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣應(yīng)用。

[1] 丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

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DesignofWater-CooledStructureandCalculationofTemperatureRiseofMineExplosion-ProofMotor

LIJiancheng1,2,WANGFuchun1,2

(1. Beijing Ramp;D Center of Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Beijing 100070, China;2. National Engineer Research Center of Explosion-Proof Motor, Jiamusi 154002, China)

To make sure of the heating transfer and safe running of mine explosion-proof motor which had special structure and applying situation such as small size, high power and terrible heat, it’s the key to design a rational and suitable water-cooled structure. A program based on the heat transfer and hydrodynamic theory was compiled in this paper research on the water-cooled structure and temperature rise of the YBSD motor. The calculation result was compared with the case and date from actual motor, then the feasibility and accuracy of the calculation method was verified, which provided a technological means.

mineexplosion-proofmotor;water-cooled;temperaturerise;calculationprogram

李建成(1987—)，男，碩士，工程師，研究方向為電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，流場、溫度場耦合仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

TM 351

A

1673-6540(2017)11- 0089- 06

2016 -08 -15