大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

李滔　廖力康　江鑫坤　秦登

摘 要：隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，并且不斷向著大型化方向發(fā)展。由于電機(jī)的體型越來(lái)越大，電機(jī)內(nèi)部單位體積的發(fā)熱量隨之增加，因此對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱的要求不斷提高。大型異步電機(jī)對(duì)通風(fēng)散熱的高要求決定了其在應(yīng)用與設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)通風(fēng)散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，從現(xiàn)有的異步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)看，由于異步電機(jī)通風(fēng)散熱的方式可以相互借鑒，因此一些小型企業(yè)在研發(fā)大型異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)程中并不注重對(duì)通風(fēng)散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致大型異步電動(dòng)機(jī)在通風(fēng)散熱方面存在不完善之處。這不僅制約著異步電動(dòng)機(jī)工作效率的提升，也難以踐行綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。基于此，針對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：大型異步電機(jī);通風(fēng)散熱;發(fā)熱量

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0038-03

Abstract： With the continuous development of motor manufacturing technology， the structure of motor is more and more complex， and it is developing towards large-scale direction. The heating capacity per unit volume of large motor also increases， so the requirement for motor ventilation and heat dissipation is higher. The high requirements of large asynchronous motor for ventilation and heat dissipation determine that the ventilation and heat dissipation should be optimized in the application and design process of large asynchronous motor. However， from the current optimization design of asynchronous motor， because the ventilation and heat dissipation methods of asynchronous motor can be used for reference from each other， some small enterprises do not pay attention to the optimization design of ventilation and heat dissipation in the process of developing large asynchronous motor， which leads to the imperfection of ventilation and heat dissipation of large asynchronous motor， And it exists for a long time in the industry， which not only restricts the improvement of the efficiency of asynchronous motor， but also fails to implement the concept of green sustainable development.Based on this， this paper analyzes and discusses the ventilation and heat dissipation optimization design of large asynchronous motor.

Keywords： large asynchronous motor;ventilation and heat dissipation;calorific capacity

1 大型異步電機(jī)相關(guān)概述

1885年，意大利物理學(xué)家、電氣工程師費(fèi)拉里斯發(fā)明了異步電機(jī)。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，異步電機(jī)已經(jīng)成為推動(dòng)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工業(yè)設(shè)備。當(dāng)前，社會(huì)的各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)都已經(jīng)離不開(kāi)異步電機(jī)。異步電機(jī)主要是通過(guò)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的交流電機(jī)[1]。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，異步電機(jī)可以分為鼠籠式異步電機(jī)和繞線式異步電機(jī)。由于異步電機(jī)生產(chǎn)量巨大且在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，因此異步電機(jī)的產(chǎn)品種類繁多，規(guī)格和各種配套機(jī)械十分完善，推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。

2 大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱的基本問(wèn)題

2.1 大型異步電機(jī)的通風(fēng)方式分析

大多數(shù)異步電機(jī)主要以空氣作為冷卻介質(zhì)構(gòu)建冷卻系統(tǒng)，主要有自冷、扇冷、管道通風(fēng)冷卻、自由循環(huán)式通風(fēng)、封閉循環(huán)式通風(fēng)以及熱管冷卻等多種方式。通常，扇冷主要分為自扇冷和他扇冷，其中自扇冷是最常見(jiàn)的通風(fēng)方式。

在應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的流通方向，大型異步電機(jī)的通風(fēng)方式又可以分為徑向、軸向和徑向-軸向混合式3種[2]。

如果采用徑向通風(fēng)冷卻的方式，通常通過(guò)裝在電機(jī)兩端的兩個(gè)風(fēng)扇，在風(fēng)力的作用下使外徑轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子外徑大致相同。冷空氣由電極兩端進(jìn)入時(shí)，通過(guò)電機(jī)鐵芯中部風(fēng)道，經(jīng)由基座中部排除。這種對(duì)稱性系統(tǒng)能夠確保大型電機(jī)內(nèi)部溫度的均勻性，因此在大型異步電機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。

如果采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)，則可以安裝直徑相對(duì)較大的風(fēng)扇，且可以加大風(fēng)壓和風(fēng)量，也可以減少軸向長(zhǎng)度，從而縮短電機(jī)加工時(shí)間，降低大型異步電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造成本。但是，這種通風(fēng)方式存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在沿軸向冷卻的過(guò)程中存在降溫冷卻不均勻的情況，不利于轉(zhuǎn)子上部件的鼓風(fēng)作用。

采用徑向-軸向混合式通風(fēng)，適用于8級(jí)以上的較低速電機(jī)。對(duì)于大型異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，異步電機(jī)的冷卻關(guān)鍵技術(shù)在于通風(fēng)元件及其派生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.2 異步電機(jī)內(nèi)部熱量來(lái)源分析

從內(nèi)在因素來(lái)看，異步電機(jī)的各種損耗是異步電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象的主要因素。因此，要想分析計(jì)算出異步電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)散熱的實(shí)際情況，就要分析其發(fā)熱情況。通過(guò)計(jì)算得出各種損耗的數(shù)據(jù)以及這些內(nèi)部熱量在異步電機(jī)的分布情況，才能更好地進(jìn)行通風(fēng)散熱優(yōu)化[3]。

具體來(lái)說(shuō)，異步電機(jī)損耗通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)類別。①鐵損耗。鐵損耗主要分為基本損耗和附加損耗。異步電機(jī)通常只考慮定子鐵芯中的基本鐵損耗。②銅損耗。銅損耗主要是電機(jī)的定子銅損耗和轉(zhuǎn)子銅損耗。也有一些電機(jī)的轉(zhuǎn)子用鋁做成，這一部分熱量損耗是由于鋁損耗而來(lái)的，也稱之為鋁損耗。③雜散損耗。雜散損耗是指除了電機(jī)中的鐵損耗、銅損耗以及機(jī)械損耗之外的其他所有損耗，主要分布在電子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯等處。④機(jī)械損耗。機(jī)械損耗包含的部分較多，主要有軸承損耗和通風(fēng)損耗。軸承損耗是電機(jī)頂端由于軸承摩擦而產(chǎn)生的熱量，并將帶來(lái)的損耗散布在電機(jī)軸承和端蓋兩個(gè)部分。通風(fēng)損耗是在冷卻空氣的過(guò)程中電機(jī)內(nèi)部由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦帶來(lái)的損耗。

2.3 異步電機(jī)的穩(wěn)定溫升

由于異步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因各種損耗而產(chǎn)生熱量，因此在電機(jī)啟動(dòng)的初期階段會(huì)導(dǎo)致異步電機(jī)本身溫度升高，且溫度上升的速度較快。隨著異步電機(jī)溫度的不斷提高，異步電機(jī)和周圍介質(zhì)之間的溫差會(huì)不斷加大，導(dǎo)致異步電機(jī)向外散出的熱量越來(lái)越多，致使能夠提高異步電機(jī)溫度的熱量減少。此時(shí)，異步電機(jī)溫度升高的速度逐漸減慢。異步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)將產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍的介質(zhì)，最終達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)，異步電機(jī)在每秒鐘產(chǎn)生的熱量等于每秒鐘向周圍介質(zhì)散出的熱量，這一溫度被稱之為異步電機(jī)的穩(wěn)定溫度。

要想有效解決異步電機(jī)的冷卻問(wèn)題，提高異步電機(jī)的冷卻性能，應(yīng)當(dāng)分析異步電機(jī)的冷卻介質(zhì)、冷卻方式和風(fēng)路系統(tǒng)，確保選用合適的介質(zhì)帶走異步電機(jī)中產(chǎn)生的各種熱量，以及采用這些介質(zhì)在異步電機(jī)中使用的流通方式。

3 大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化分析

3.1 定子繞組端部綁扎

在進(jìn)行大型異步電機(jī)通風(fēng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過(guò)程中，定子繞組端部主要用玻璃絲進(jìn)行捆綁操作，過(guò)程中沒(méi)有用到墊塊。采用這種簡(jiǎn)單的綁扎方式，容易產(chǎn)生繞組端部包扎層數(shù)過(guò)多的問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致端部之間的間隙幾乎不存在。針對(duì)大型異步電機(jī)定子繞組端部綁扎過(guò)程，為了確保線圈之間有足夠的縫隙實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱，德國(guó)西門子公司紐倫堡電器廠在綁扎過(guò)程中選擇加入墊塊。隨著電機(jī)級(jí)數(shù)的不斷增加，不同的電機(jī)規(guī)格可選擇的墊塊規(guī)格種類相對(duì)較多。在綁扎操作過(guò)程中加入墊塊，有效解決了這一部分通風(fēng)散熱的問(wèn)題[4]。

3.2 帶支架的轉(zhuǎn)子

大型異步電機(jī)設(shè)計(jì)與制造的過(guò)程中，軸上焊筋的轉(zhuǎn)子被稱之為帶支架的轉(zhuǎn)子。在進(jìn)行大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化的過(guò)程中，對(duì)帶支架的轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮帶支架的轉(zhuǎn)子縱筋數(shù)目不能過(guò)多。當(dāng)前，絕大多數(shù)大型異步電機(jī)生產(chǎn)廠家選擇6根縱筋的相對(duì)較多。如果筋的設(shè)計(jì)數(shù)量過(guò)多，不僅會(huì)浪費(fèi)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的工時(shí)，也會(huì)浪費(fèi)大量的焊材和鋼板，還會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。當(dāng)筋與軸焊接時(shí)，如果焊接處的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，那么會(huì)導(dǎo)致軸的物理性能下降。如果筋的數(shù)目增加到8個(gè)左右，那么金相結(jié)構(gòu)遭到破壞的區(qū)域有可能形成一周，此時(shí)有可能發(fā)生軸斷裂的情況。如果筋的數(shù)量過(guò)多，則不利于通風(fēng)。因此，要想有效提高大型異步電機(jī)的通風(fēng)效果，需要合理設(shè)計(jì)縱筋的數(shù)目，并根據(jù)異步電機(jī)的工作需要，在材料、分布以及厚度等各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 內(nèi)外風(fēng)扇以及軸承部位的冷卻

大型異步電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)荷通常是一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，因此進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，越來(lái)越多的廠家傾向于生產(chǎn)可以正反旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，以便利用雙向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱。但是，由于雙向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇能量損耗較大且噪聲大，因此在進(jìn)行異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化的過(guò)程中，要著重考慮這種旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇使用的合理性。內(nèi)外風(fēng)扇以及軸承部位的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念下，通過(guò)設(shè)計(jì)者與客戶之間的協(xié)調(diào)，完成最終的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，要盡量選擇后傾式內(nèi)外風(fēng)扇。作為電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的核心部件，它只有產(chǎn)生足夠的風(fēng)壓，才能確保氣體能夠順利通過(guò)電機(jī)部件帶走多余的熱量。采用后傾式風(fēng)扇要考慮到大型異步電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，同時(shí)要考慮到具體的應(yīng)用情況，確保其應(yīng)用的合理性。

3.4 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)路的最佳搭配

對(duì)大型異步電機(jī)的內(nèi)外風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)通風(fēng)散熱的重要路徑。在針對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，考慮到異步電機(jī)的工作特點(diǎn)采取相應(yīng)的方式，才能取得良好的效果。為了更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)路的最佳搭配，要對(duì)電機(jī)內(nèi)部流體場(chǎng)和溫升的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，找出大型異步電機(jī)溫升的最高值位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以作為外風(fēng)路分析的初始條件，還要綜合考慮影響大型異步電機(jī)溫升的環(huán)境因素[5]。最后，分析電機(jī)風(fēng)扇外特性，對(duì)比多個(gè)方案的效率，提出最終的優(yōu)化方案。例如，可以在冷卻器外部路口增設(shè)一些導(dǎo)風(fēng)板，也可以在冷卻器管束外側(cè)添加散熱翅片，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)路的最佳搭配。

4 結(jié)語(yǔ)

大型異步電機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)是一項(xiàng)較為系統(tǒng)且復(fù)雜的工程，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅要考慮到使用的性能和使用的實(shí)際需要，還要優(yōu)化大型異步電機(jī)的通風(fēng)散熱效率，才能使大型異步電機(jī)維持穩(wěn)定的運(yùn)行性能，確保使用的穩(wěn)定性。大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱的方法相對(duì)較多，隨著技術(shù)的不斷成熟，可根據(jù)大型異步電機(jī)的實(shí)際需要，科學(xué)合理地選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案。在制定優(yōu)化方案的過(guò)程中，要充分考慮大型異步電機(jī)的熱量來(lái)源，以針對(duì)產(chǎn)生熱量的各個(gè)部位進(jìn)行深入分析。在明確熱量來(lái)源的基礎(chǔ)上，根據(jù)大型異步電機(jī)的各個(gè)部位，選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案和優(yōu)化措施，以不斷提高大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫德強(qiáng)，吳楠.機(jī)車大功率直驅(qū)永磁牽引電機(jī)新型通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2019（10）：8-11.

[2]付余.一種新型機(jī)車牽引電機(jī)通風(fēng)散熱分析及風(fēng)路優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2017（3）：97-99.

[3]李宗樹(shù)，楊萬(wàn)青.大中型異步電機(jī)的通風(fēng)散熱[J].防爆電機(jī)，2017（6）：51-53.

[4]劉慶，王超，田德見(jiàn).大中型高效電機(jī)后傾式離心風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電氣控制與應(yīng)用，2020（47）：87-92.

[5]李宗樹(shù)，楊萬(wàn)青.中小型異步電機(jī)的通風(fēng)散熱[J].防爆電機(jī)，2018（1）：40-42.