中小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)

0 引言

中小型異步電機(本文均指封閉式三相異步電動機)行業(yè)為響應(yīng)節(jié)能國策，近20年在技術(shù)上不斷創(chuàng)新：自上個世紀九十年代Y2系列問世后，相繼又有了Y3、YX3、YE3三個系列問世。后兩種型號在性能上主攻的核心是提高電機效率。其功率等級、安裝尺寸，及兩者的對應(yīng)關(guān)系均與Y2、Y3相同。

能否達到能效限定值中給定的效率限值，與電機所采用的通風散熱結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。本文針對節(jié)能國策，對行業(yè)中容易忽略，但對質(zhì)量、性能又有較大影響幾處的結(jié)構(gòu)部分予以重點闡述(對性能、質(zhì)量影響較小的結(jié)構(gòu)部分，為使本文完整，便于引述，僅作扼要地介紹)。

1 通風散熱設(shè)計現(xiàn)狀

1.1 目前中小型異步電機采用的通風散熱結(jié)構(gòu)采用的通風散熱結(jié)構(gòu)

目前中小型異步電機除特殊訂貨及變頻調(diào)速電機采用IC15冷卻方式外見文獻[7]中(圖8)，絕大部分電機都采用鑄鐵機座。中心高為280的機座號及以下的電機采用IC411冷卻方式；中心高為315的機座號及以上的電機采用IC511冷卻方式。

1.2 用于通風散熱的零部件

用于通風散熱的零部件有機座、風扇、風罩、擋風板等。

(1)機座

除特殊需要外，一般機座都采用鑄鐵機座。其電機結(jié)構(gòu)特征、適用范圍及示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

若機座上加通風管(見圖4)，采用鋼板機座時，可將風管焊到機座上；采用鑄鐵機座時，可將風管與機座鑄成一體，散熱效果可以大幅度地提升。

圖1傳統(tǒng)的散熱片呈輻射狀排列的機座，目前用在YZR系列繞線轉(zhuǎn)子的電機上

圖2散熱片呈平行垂直排列的機座，目前用在機座號≤280的Y2、Y3、YX3及YE3系列電機上

圖3散熱片呈平行，垂直排列，機座上鑄有4個軸向通風道的機座，目前用在機座號≥315的Y2、Y3、YX3、YE3系列的電機上

圖4 帶有通風管的機座

(2)風扇

中小型電機內(nèi)、外風扇有三種材質(zhì)：塑料、鋁合金、鋼板；兩種類型：離心式、軸流式。三種材質(zhì)盡量選用塑料和鋁合金；結(jié)構(gòu)型式，軸流式優(yōu)點很多，但適用面窄；離心式用的多。如同大中型電機一樣[7]，將后傾式風扇的優(yōu)點與使用部門介紹清楚，應(yīng)盡量選用葉片為后傾式的風扇。

若將離心式風扇的內(nèi)外輻板設(shè)計成傾斜狀，讓它們兼起擋風板作用，焊上后傾式風葉，則通風效果可以明顯地改進，見圖5。

圖5 帶有錐面輻板的后傾式風扇

(3)風罩、擋風板

材質(zhì)：優(yōu)先選用玻璃鋼。

形狀：以風阻小，噪聲低為設(shè)計準則。

2 通風散熱結(jié)構(gòu)的評價

對三種通風散熱結(jié)構(gòu)的評價應(yīng)從三個方面考慮：即通風散熱效果、加工工藝性及制造成本以及是否便于維護。

2.1 從散熱角度考慮

從上個世紀九十年代開始，選用圖2的結(jié)構(gòu)。隨著發(fā)展，將功率、機座號擴充后，又有圖3的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)源于法國，其初衷是便于機械化造型、提高工效、節(jié)省工時(圖1結(jié)構(gòu)也可以按機械化造型設(shè)計)。但散熱效果不如圖1，在選用圖2結(jié)構(gòu)的YX3系列與選用圖1結(jié)構(gòu)的JO2系列上，兩者可以直接對比的18個規(guī)格的定子電流密度J1的平均值見表2。

表2 YX3、JO2 18個規(guī)格J1平均值

從所周知，J1選的大，可以省銅線。但因散熱效果不佳，而將J1選得較低(也有部分規(guī)格因能效標準的限定，采取降低J1，以期提高電機效率。但J1選得低還是溫升為制約的主要因素)。

機座鑄上4個軸向風道，變成帶內(nèi)循環(huán)通風的冷卻方式，如圖6所示，散熱效果仍不理想。

圖6 Y2、Y3、YX3、YE3選用的內(nèi)、外風路

按圖6的通風散熱結(jié)構(gòu)，因繞組溫升、軸承溫度偏高而返修的電機，其J1絕大部分都在2～3的范圍內(nèi)，對于帶內(nèi)循環(huán)通風的低壓電機，這樣的電流密度不算高。這使我們對其通風散熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生置疑。

某企業(yè)將按此通風散熱結(jié)構(gòu)試制的YZR2 355 L1-10，110kW的電機，將內(nèi)風扇取消后，溫升并沒有明顯變化。因此我們從2014年5月至2015年10月，利用一年半的時間，在315、355、400、500四個機座號2、4、6、10極的10個規(guī)格上進行跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)了一些問題。

內(nèi)風路吹入4個軸向通風道的過程中溫度應(yīng)降下來，但實測的結(jié)果正好相反，4個軸向通風道沒起到對內(nèi)部氣流的冷卻作用。用紅外線測溫槍對這10個規(guī)格軸向通風道外表面的實測結(jié)果：在內(nèi)腔氣流流經(jīng)這4個軸向通風道時，溫度升高了5℃～16℃，平均升高11℃。

(1)加工工藝性及制造成本

從山西幾家專業(yè)鑄造廠反饋的信息表明：圖1、圖2的造型工時相差不大，且后者因廢品率偏高，每噸售價還要高50元左右。

(2)使用維護

電機在運行中，絕大部分場所都要使電機表面積垢，使電機散熱狀況變壞。圖2與圖1相比，在清理污垢上不如圖1方便。

2.2 本文推薦適于中心高355～500的機座號中型高、低壓電機的通風散熱結(jié)構(gòu)。

機座、采用圖4所示結(jié)構(gòu)。

內(nèi)風路，由圖6中從轉(zhuǎn)子軛部吸出的氣流吹入軸向通風道(本結(jié)構(gòu)則為機座上的通風管)改為由氣隙及定子鐵心中的軸向通風道吸出吹入通風管；

外風扇，選用圖5所示結(jié)構(gòu)。

在本結(jié)構(gòu)雖然在機座加工上費些工時，但因其通風散熱效果好，定子電流密度可以選的較高，因而節(jié)省下來的銅線足以彌補多消耗的工時。另外，電機溫升、軸承溫度無需制造廠、使用部門而過多地擔心。減少了使用過程中的故障率，又增加了一筆社會效益。

3 結(jié)語

(1)從提高電機壽命來看，通風散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，一要使定、轉(zhuǎn)子的溫度場盡量均勻；二要顧及到軸承部位的冷卻。

(2)中小型異步電機在通風散熱結(jié)構(gòu)上仍有改進的空間。中小型異步電機產(chǎn)量很大，一點點改進累計起來在全國行業(yè)及使用部門都會帶來可觀的效益。

(3)電機的性能、質(zhì)量要權(quán)衡制造廠及使用部門的整體利益；電機成本的構(gòu)成，國內(nèi)、外不盡相同；制造廠“精雕細刻”，獲得上乘的質(zhì)量，會令使用部門“終生受益”。

(4)通風散熱結(jié)構(gòu)對提高電機性能、質(zhì)量在高、低交叉的中心高為355、400、450、500的這幾個機座號上大有文章可做：選得好，高壓電機的J1可以大于4；否則低壓電機也不能高于2.5左右。

(5)通風散熱結(jié)構(gòu)務(wù)必顧及到軸承部位。軸承部位的冷卻狀況不容小視，在電機的全部故障中，軸承部位占的比例最高。用紅外線測溫槍在軸承外蓋處測得溫度不宜高于50℃；埋入端蓋或軸承套中的Pt100測得的溫度不宜高于70℃。

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

[2] 陳世坤.電機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3] 王強，陳金剛.三相異步電動機絕緣強度測試解析.防爆電機，2012.5.

[4] 張征平. 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[5] 明野.水輪發(fā)電機磁極線圈溫升偏高研究分析.防爆電機，2013.4.

[6] 田燕飛，陳治宇，陳風凱，等.低電壓三相無刷直流電動機分析與設(shè)計. 防爆電機， 2013.6.

[7] 李宗樹，楊萬青.大中型異步電機的通風散熱.防爆電機，2017.6.