大中型異步電機的通風散熱

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

大中型異步電機的通風散熱

李宗樹，楊萬青

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

針對目前高效電機在電磁負荷較低的情況下，有些規(guī)格電機的溫升仍居高不下，對通風散熱結構進行剖析，旨在通過改善通風散熱，在維持能效指標的前提下提高電磁負荷，以達到既高效，又節(jié)省有效材料的目的。另外，對本行業(yè)普通采用的結構，如轉子支架縱筋的數(shù)目，探討改進的渠道；同時，拋出可供行業(yè)研討的通風散熱結構。

通風散熱；熱交換；能效限制；傳導；輻射

0 引言

異步電機(本文均指“封閉式三相異步電動機”)的通風散熱對電機的技術指標、經(jīng)濟指標及全方位的質量指標均起到至關重要作用。因為它不像電磁設計，利用行業(yè)中現(xiàn)有的、比較成熟的設計程序，就可以找到比較理想的設計方案，它需要依賴一些專項試驗、對比、分析才能找到較優(yōu)方案。由于異步電機現(xiàn)有的通風散熱方式可以互相仿效、借鑒，規(guī)模較小的企業(yè)很難，或者不愿開展此項專題的試驗研究，使得某些局部不完善之處，一直在本行業(yè)中沿用著。加之近20余年在材料、加工工藝及設計技術上的改進，通風散熱結構也該“水漲船高”。因此對有些傳統(tǒng)的、不盡完善之處，對提高性能、質量又有潛力可挖的局部結構，仍需業(yè)內(nèi)人士進一步探討。

1 通風散熱設計現(xiàn)狀

通過對大中型異步電機通風散熱結構進行分析，得出設計現(xiàn)狀

(1)異步電機的散熱途徑有：傳導、輻射及對流。

(2)異步電機的通風元件有：內(nèi)、外風扇、風罩、擋風板、通風槽板及熱交換器等。

(3)異步電機的風路：內(nèi)風路有：軸向、徑向、軸徑向，見圖1、圖2、圖3。

圖1內(nèi)風路為軸向的異步電機

圖2內(nèi)風路為徑向的異步電機

圖3內(nèi)風路為軸徑向的異步電機

外風路，隨冷卻方式不同有：IC611、IC616、IC511、IC81W及IC15、IC17幾種，見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。

圖4 IC611自帶置于上部熱交換器的異步電機

圖5 IC616外加置于電機上部自帶風機的熱交換器的異步電機

圖6 IC511帶有沿機座周圍均勻分布的熱交換器及異步電機

圖7 IC81W帶空/水冷卻熱交換器的異步電機

圖8異步電機

風路點評：內(nèi)風路，鐵心不太長時，軸向(圖1)較好。瑞士BBC測試，盡管溫度場不如徑向均勻，但在電磁負荷相近的情況下，其最高發(fā)熱部位并比不徑向(圖2)的高。

圖2宜用在2、4極電機上。因此種通風方式內(nèi)風扇外徑不能大于定子內(nèi)徑。2、4極電機轉速高，可以彌補內(nèi)風扇外徑小的不足之處?；旌贤L(圖3)宜用在低速電機上。

外風路，熱交換器沿機座周圍均勻分布的結構(圖6)風路分布均勻，冷卻效果較好，其中心高于其余幾種，可以采用將底腳抬高(安裝方式為IMB20)的措施解決。

空/水冷(圖7)、他冷(圖8a)、管道通風(圖8b)在使用部門同意的情況下是最為理想的通風方式：冷卻效果好、噪聲低。

圖4(IC611)、圖5(IC616)是目前大中型異步電機生產(chǎn)廠家廣泛采用的結構，若采用消聲措施，與內(nèi)風路匹配得當。任何轉速上選用此結構均能收到滿意的效果。

對于靜止的導風元件，設計時應考慮：在電機運行時產(chǎn)生的風阻及噪聲要小，其結構還要顧及到便于清理污垢。內(nèi)、外風扇宜選用軸流式、離心式中的后傾式。

2 有待探討、改進之處

通風散熱方式、風路結構及其選用，已是設計人員熟知之事，毋需贅述。以下側重闡述容易被忽略，且對質量、性能又有較大影響的幾處結構。

2.1 定子繞組端部綁扎

目前，本行業(yè)在定子繞組端部綁扎的操作上，幾乎均采用玻璃絲繩一綁了之，見圖9(a)，不加墊塊。若設計時將Xi(線圈端部的間隙，設計時，在程序中按設計員選定的數(shù)值輸入電腦中)選的偏小，繞組端部包扎的層數(shù)偏多，端部間隙Xi(繞組端部線圈間的間距)幾乎就不存在了。端部在整個繞組中占有一定的比例，特別是高壓2、4極電機，它要占整個繞組的40%～60%。如果這部分散熱不好，定子繞組的溫升將會“莫名其妙”地增高。

德國西門子公司紐倫堡電機廠，在對高壓電機定子繞組的端部綁扎中，為了使線圈間有足夠的通風散熱間隙，加墊塊，見圖9(b)。并隨電機的極數(shù)、規(guī)格的不同，墊塊的規(guī)格有6、7種之多。在綁扎的操作中，應仔細、認真。

圖9成型繞組端部綁扎示意圖

2.2 帶支架的轉子

軸上焊筋的轉子，稱為帶支架的轉子。軸上焊的筋，有縱筋(有的廠家稱其為“輻鐵”)及橫筋，橫筋也兼做隔風板，見圖10。帶支架的轉子，其縱筋的數(shù)目不宜太多，目前生產(chǎn)廠家選用6根的較多。6根筋，偏多。當軸的直徑為φ200～350mm時，選用3根或4根30～40mm厚的筋即可。筋的數(shù)目多，除浪費工時、焊條、厚鋼板外，還有以下兩個缺點

(1)筋與軸相焊時，焊接處的金相結構要發(fā)生變化，使軸在該處的物理性能下降。若筋的數(shù)目增至6～8個，金相結構遭到破壞的區(qū)域就可能連成一周，軸就有可能在此處斷裂。有不止一個廠家在返修的電機中，轉軸沒在最細的軸伸處斷裂，而在較粗的焊筋處斷裂。

(2)不利于通風。兩筋之間的空間為通風道。筋的數(shù)目多，勢必要增大風阻，影響通風效果。

將縱筋的數(shù)目由6～8個減到3～4個的理論依據(jù)就是借助橫筋補強，三種內(nèi)風路中的徑向及軸徑向都要在縱筋間加隔風板，將它的厚度選為4mm～8mm，與縱筋焊牢，即可起到補強作用。

軸向通風時，橫筋可以設計環(huán)狀(圖10)。無論那種形狀的筋，金工加工的外徑的名義(公稱)尺寸及公差要與轉子鐵心外徑相同，以方便金工加工時測量帶筋軸外徑。

圖10筋與軸相焊時，軸的金相結構遭到破壞示意圖

西屋加拿大生產(chǎn)的2700kW 6極繞線轉子電機帶筋的軸，一端有隔風板作為補強的橫筋，縱筋只用了3根40mm的厚鋼板。

焊筋軸金工加工前要經(jīng)過時效處理，在630℃溫度下保溫4h，爐溫降至200℃～300℃時出爐自然冷卻。若焊縫較大，應該分2～3次焊成，且每次焊后都要時效處理。焊接操作時，焊件的溫度越高越好，盡量在大于200℃溫度下焊成。焊條盡量選用G506的。

2.3 內(nèi)、外風扇均應選用后傾式的

大中型電機拖動的負荷絕大多數(shù)是一個方向旋轉的。但是生產(chǎn)廠家及電機的使用部門，出于管理上方便，不必在旋轉方向上分心，都愿意生產(chǎn)、選用可以正反轉的電機，可以雙向旋轉的風扇，其損耗、噪聲都比后傾式的大。這就需要雙方從節(jié)能、文明生產(chǎn)的整體利益出發(fā)達成共識。

2.4 注意軸承部位的冷卻

采用脂潤滑滾動軸承的異步電機，其機械故障絕大部分出在軸承處。軸承部位溫度偏高是其發(fā)生故障的主要原因之一。因此，帶有內(nèi)循通風的電機，在風路設計上不要忽略對軸承部位通風、冷卻。例如，若熱氣流不可避免地要流經(jīng)軸承附近的空腔時，可借助擋風板減弱它對軸承部位的直接吹拂。

用測溫槍在軸承外蓋處測得的溫度不宜高于50℃；用埋入端蓋或軸承套中的Pt100測得的溫度不宜高于70℃。

3 內(nèi)、外風路的最佳搭配

若外風路選用圖6，與圖4、圖5相比，風路短，風阻也小。當內(nèi)風路選用圖2的結構時，可以考慮將軸上的縱筋焊成傾斜式，讓它兼做內(nèi)風扇，見圖11。此時定、轉子上的徑向通風道的寬度應由傳統(tǒng)的10mm改為20mm。裸露在徑向通風道中的銅排，就是一個離心式風扇，軸上扭斜式的焊筋，實際上就是一個軸流式風扇。在這兩個風扇的聯(lián)合作用下，本結構的通風散熱效果不會比帶專設內(nèi)風扇(采用本結構時，軸上的內(nèi)風扇及定子上的擋風板都可以取消)的結構差的太大。

圖11選用圖2風路(圖b)、圖3風路(圖a)時筋的布置

4 結語

(1)異步電機盡管問世百余年，仍存在改進的空間。李克強總理在2016年的政府工作報告中“創(chuàng)新”一詞出現(xiàn)四十余次；20國杭州峰會上，中國拋出的治理經(jīng)濟的“中國藥”—創(chuàng)新、開放、聯(lián)動、包容，將“創(chuàng)新”列為首位。我們在電機的局部上做些改進，不言創(chuàng)新，至少也與“創(chuàng)新”這一國策合拍。

(2)合理的通風散熱結構將會帶來可觀的效益。在相互效仿的同時，不要放過一點點地改進余地，應學習德國“不厭其煩”的工作作風。

(3)通風散熱結構的改進，需依賴試驗。借鑒哪家的結構也不如自己研制的可信度高；并且適用于本廠的加工工藝。

(4)從提高電機壽命著眼，通風散熱結構的設計，一要使定、轉子的溫度場盡量均勻；二要顧及到軸承部位的冷卻。

[1] 楊萬青，陳興衛(wèi).電機實用設計技術.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2] Kovacevic I.and Streck A.Squirrel Motors for 400 to 1000 kW.BROWN BOVERI REVIEW.

EntilationandHeatDissipationofLarge-andMedium-SizedAsynchronousMotor

LiZongshuandYangWanqing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Based on the current conditions of low electromagnetic load in high-efficiency motor and high temperature-rise in some of these motors, this paper analyzes its ventilation cooling structure. It aims to improve electromagnetic load in maintaining the index of energy efficiency by improving ventilation and heat dissipation, so as to achieve the purpose of improving efficiency and saving effective material. In addition, for the ordinarily-adopted structure in this industry, such as the number of longitudinal bars of rotor spider, this paper discusses its improved channel, and simultaneously gives the ventilation cooling structure for industry research.

Ventilation and heat dissipation；heat exchange；energy efficiency limit；conduction；radiation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.16

TM306

B

1008-7281(2017)06-0050-004

李宗樹男1985年生；畢業(yè)于佳木斯大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機設計工作.

2017-09-16