耿治起

(上海電氣集團上海電機廠有限公司， 上海 200240)

IC511冷卻方式2極隔爆型三相異步電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)

耿治起

(上海電氣集團上海電機廠有限公司， 上海 200240)

通過對IC511冷卻方式2極隔爆型三相異步電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)特點的分析，對空空冷三相異步電動機風(fēng)路試驗數(shù)據(jù)的計算和分析，提出了對IC511冷卻方式2極隔爆型三相異步電動機內(nèi)風(fēng)路的改進方案，并且對不同的改進方案做了對比試驗加以驗證。提出了一種適合IC511冷卻方式大機座號電動機的改進型風(fēng)路結(jié)構(gòu)，為成功開發(fā)大機座號IC511 隔爆型高效率三相異步電動機提供了有利條件。

隔爆型電機；風(fēng)路結(jié)構(gòu)；通風(fēng)道；軸流扇；隔風(fēng)筒；冷卻管；冷卻方式；溫升

0 引言

IC511冷卻方式隔爆型三相異步電動機是我國主要防爆電機生產(chǎn)廠家于20世紀90年代初引進德國西門子公司的高壓空空冷隔爆型電動機，廣范應(yīng)用于煤礦、石化、化工等可能含有爆炸性氣體的危險場所環(huán)境，為國家的經(jīng)濟建設(shè)的安全生產(chǎn)做出了重要的貢獻。IC511冷卻方式的風(fēng)路結(jié)構(gòu)在我國防爆電機和非防爆電機上均得到推廣和應(yīng)用。近年來，這種IC511冷卻方式的隔爆型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)在我國的電動機上也得到了進一步優(yōu)化和改進。這里僅對IC511冷卻方式2極隔爆型三相異步電動機(以下簡稱電動機)的內(nèi)風(fēng)路的優(yōu)化和改進進行介紹，以供參考。

1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)

1.1 引進原電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)(見圖1)

1. 內(nèi)風(fēng)扇； 2. 端蓋； 3. 定子線圈； 4. 導(dǎo)風(fēng)板； 5. 機座； 6. 冷卻管； 7. 轉(zhuǎn)子鐵心； 8. 定子鐵心； 9. 定子通風(fēng)道； 10. 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道； 11. 對稱內(nèi)風(fēng)路及流道； 12. 外風(fēng)路及流道； 13. 風(fēng)扇罩； 14. 外風(fēng)扇。圖1 引進原電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)圖

外風(fēng)路由機座、端罩和外風(fēng)扇組成。外風(fēng)扇攪動空氣從機座的非軸伸端進風(fēng)，由機座的軸伸端出風(fēng)。機座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。冷卻管分布在機座的鐵心檔和外殼之間，機座上冷卻管沿徑向360度對稱均布。外風(fēng)扇是單向鋼板離心扇。端罩為鋼板材料。

內(nèi)風(fēng)路采用徑向?qū)ΨQ內(nèi)風(fēng)路，由機座、端蓋、內(nèi)風(fēng)扇擋風(fēng)板、內(nèi)風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道和定子徑向通風(fēng)道組成。內(nèi)風(fēng)扇為鋼板焊接的圓弧面扇葉軸流扇。內(nèi)風(fēng)扇帶隔風(fēng)筒，使內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量主要對定子線圈端部散熱。內(nèi)風(fēng)扇輪上開有軸向通風(fēng)孔，使流經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的風(fēng)量能夠通過。定、轉(zhuǎn)子鐵心均設(shè)有徑向通風(fēng)道，鐵心和通風(fēng)道寬度分段是按40 mm、10 mm間隔排列。電動機每一端的內(nèi)風(fēng)路都是兩條并聯(lián)的風(fēng)路。一條內(nèi)風(fēng)路為:由軸流內(nèi)風(fēng)扇形成的風(fēng)量經(jīng)過定子線圈端部,對定子線圈端部進行冷卻后形成熱風(fēng),熱風(fēng)進入機座冷卻管降溫后形成涼風(fēng),涼風(fēng)再經(jīng)過軸流扇重新循環(huán)。另一條內(nèi)風(fēng)路為：由轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道形成的風(fēng)量經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子鐵心通風(fēng)道,對定、轉(zhuǎn)子表面進行冷卻后形成熱風(fēng),熱風(fēng)進入機座冷卻管降溫后形成涼風(fēng)，涼風(fēng)再經(jīng)過轉(zhuǎn)子徑向通道重新循環(huán)。

IC511冷卻方式隔爆型電動機的結(jié)構(gòu)優(yōu)點：

1) 機座的外殼橫截面為圓形，圓形框架結(jié)構(gòu)的外殼承受內(nèi)部爆炸壓力的性能更好，有利于空空冷隔爆型電機往大容量和大機座號方向發(fā)展。

2) 內(nèi)風(fēng)路徑向360°對稱分布，比IC611冷卻方式電機的內(nèi)風(fēng)路對稱性更好、風(fēng)道路徑更短、風(fēng)阻更小；

3) 電機為前后對稱內(nèi)風(fēng)路，對稱內(nèi)風(fēng)路比單向內(nèi)風(fēng)路的電機更有利于鐵心和線圈的平均散熱，電機鐵心和線圈的溫度分布更均勻；

4) 對稱內(nèi)風(fēng)路比單向內(nèi)風(fēng)路的通風(fēng)損耗小。

IC511冷卻方式隔爆型電動機的結(jié)構(gòu)缺點：

1) 因機座下部設(shè)置有冷卻管，因此相同規(guī)格的電機機座號要比IC611冷卻方式箱式電機機座號大；

2) 由于受電機外形尺寸的限制，機座上的冷卻管數(shù)量比風(fēng)路結(jié)構(gòu)類似的IC611箱式電機少，所以對電機的通風(fēng)散熱條件提出了更高的要求，需要更適合這種結(jié)構(gòu)形式的通風(fēng)散熱設(shè)計；

3) 隨著機座號的增加，通風(fēng)管散熱面積的增加遠不及功率增加的快，機座的散熱能力相應(yīng)降低較多，因此大機座號電機需要更大的風(fēng)速、更大的機械耗才能保證電機的良好散熱； 所以大機座號電機必須做到機械耗和電機容量的合理匹配，才能設(shè)計出性能合格的高效率電機。

1.2 優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)(見圖2)

1. 內(nèi)風(fēng)扇； 2. 端蓋； 3. 定子線圈； 4. 導(dǎo)風(fēng)板； 5. 機座； 6. 冷卻管； 7. 轉(zhuǎn)子鐵心； 8. 定子鐵心； 9. 定子通風(fēng)道； 10. 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道； 11. 對稱內(nèi)風(fēng)路及流道； 12. 外風(fēng)路及流道； 13. 風(fēng)扇罩； 14. 外風(fēng)扇。圖2 優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)圖

對我公司空空冷2 800 kW 10 kV對稱內(nèi)風(fēng)路的電機風(fēng)路數(shù)據(jù)進行試驗測試，風(fēng)路試驗數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的計算，電機溫度場數(shù)據(jù)分布見表4。

表3 風(fēng)路試驗數(shù)據(jù)

表4 溫度場數(shù)據(jù) K

由表4可以看出，外風(fēng)路對電機溫升的影響數(shù)值僅為9.5 K，內(nèi)風(fēng)路的溫升數(shù)值占電機溫升的86%。另外電機熱量損耗主要集中在電機的定轉(zhuǎn)子鐵心部位，因此優(yōu)化電機風(fēng)路的重點是加強內(nèi)風(fēng)路鐵心部位的通風(fēng)和增加其散熱面積。而引進原電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)中軸流內(nèi)風(fēng)扇僅能對線圈端部進行散熱，對定子鐵心的散熱幾乎不起作用，沒有充分發(fā)揮出軸流扇風(fēng)量大的特點。因此需要對引進原電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖2的優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)是在圖1的基礎(chǔ)上僅對內(nèi)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，圖3是原引進電動機的內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖，圖4是對圖3優(yōu)化后的內(nèi)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖。圖4僅僅是將圖3中序號4通風(fēng)孔和序號5隔風(fēng)筒取消，其它結(jié)構(gòu)和尺寸完全同圖3。

通過改進軸流內(nèi)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，使電動機內(nèi)風(fēng)路得到重新布置。電動機每一端的兩條并聯(lián)內(nèi)風(fēng)路均變成了混合并聯(lián)內(nèi)風(fēng)路。將軸流扇形成的靜壓和動壓直接作為轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的起始風(fēng)壓，使轉(zhuǎn)子通風(fēng)道形成的風(fēng)壓與軸流扇形成的風(fēng)壓相疊加，大大提高了定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的流速，增強了鐵心的冷卻效果，增強了電機內(nèi)部通風(fēng)散熱能力。在同一臺電機上分別采用以上兩個內(nèi)風(fēng)扇做溫升對比試驗，采用改進后的新內(nèi)風(fēng)扇，電動機的溫升降低了6 K，電動機的機械耗幾乎沒有任何變化。

優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)與引進原電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)相比優(yōu)點如下：

1. 扇葉； 2. 風(fēng)扇筒； 3. 風(fēng)扇套； 4. 通風(fēng)孔； 5. 隔風(fēng)筒。

圖4 新內(nèi)風(fēng)扇

1) 在減少通風(fēng)用零件的情況下，提高了電機散熱能力。

2) 在未增加通風(fēng)損耗的情況下，提高了電機散熱能力。

3) 取消了兩個擋風(fēng)筒，減少了原材料費用和相應(yīng)的焊接費用。

4) 取消了原內(nèi)風(fēng)扇上的軸向通風(fēng)孔，減少了相應(yīng)的加工費用。

5) 采用混合并聯(lián)內(nèi)風(fēng)路，充分發(fā)揮了軸流內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)量大的特點。

1.3 帶擋風(fēng)筒的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)(見圖5)

1. 內(nèi)風(fēng)扇； 2. 端蓋； 3. 定子線圈； 4. 導(dǎo)風(fēng)板； 5. 機座； 6. 冷卻管； 7. 轉(zhuǎn)子鐵心； 8. 定子鐵心； 9. 定子通風(fēng)道； 10. 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道； 11. 對稱內(nèi)風(fēng)路及流道； 12. 外風(fēng)路及流道； 13. 風(fēng)扇罩； 14. 外風(fēng)扇； 15為擋風(fēng)筒。圖5 帶擋風(fēng)筒的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)

在內(nèi)風(fēng)扇優(yōu)化的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)(見圖2)中，流經(jīng)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的風(fēng)路長、風(fēng)阻大，而流經(jīng)定子線圈處的風(fēng)路短、風(fēng)阻小，將導(dǎo)致內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量過多的從線圈端部的風(fēng)道通過，而電動機的熱量主要集中在電動機的鐵心部位，因此應(yīng)增加線圈端部的風(fēng)阻，減少流經(jīng)線圈端部的風(fēng)量，使流經(jīng)線圈端部的風(fēng)量與其帶走的熱量相匹配。

圖5的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)是在圖2的基礎(chǔ)上僅對機座上位于線圈端部的進風(fēng)口結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。在該進風(fēng)口處增加了擋風(fēng)筒，使該處的進風(fēng)口減小,其它結(jié)構(gòu)和尺寸完全同圖2。

通過在機座上位于線圈端部的進風(fēng)口處增加擋風(fēng)筒，增加了流徑定子線圈端部風(fēng)路的風(fēng)阻，使兩條內(nèi)風(fēng)路的風(fēng)量得到重新分配，減小了流經(jīng)定子線圈端部的風(fēng)量，相應(yīng)增大了流經(jīng)定轉(zhuǎn)子鐵心部位的風(fēng)量。實現(xiàn)了內(nèi)風(fēng)路的兩條風(fēng)路的風(fēng)量與其帶走的熱量成正比，從而增強了鐵心的冷卻效果，增強了電機內(nèi)部通風(fēng)散熱能力。在同一規(guī)格的電動機上分別采用以上兩個風(fēng)路結(jié)構(gòu)做溫升對比試驗，采用圖5帶擋風(fēng)筒的電動機比采用圖2風(fēng)路結(jié)構(gòu)的電動機溫升降低了5 K，電動機的機械耗差異非常小。

帶擋風(fēng)板的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)與優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)相比優(yōu)點如下：

1) 在增加很少原材料的情況下，電動機的溫升降低了5 K，電機散熱能力顯著提高。

2) 在未增加通風(fēng)損耗的情況下，提高了電機散熱能力。

3) 實現(xiàn)了內(nèi)風(fēng)路的兩條風(fēng)路的風(fēng)量與其帶走的熱量成正比。

帶擋風(fēng)板的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)與優(yōu)化內(nèi)風(fēng)扇的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)相比缺點是增加了兩個擋風(fēng)筒，即增加了少量原材料和焊接費用。

1.4 改進型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)(見圖6)

1. 內(nèi)風(fēng)扇； 2. 端蓋； 3. 定子線圈； 4. 導(dǎo)風(fēng)板； 5. 機座； 6. 冷卻管； 7. 轉(zhuǎn)子鐵心； 8. 定子鐵心； 9. 定子通風(fēng)道； 10. 轉(zhuǎn)子通風(fēng)道； 11. 對稱內(nèi)風(fēng)路及流道； 12. 外風(fēng)路及流道； 13. 風(fēng)扇罩； 14. 外風(fēng)扇； 15. 為擋風(fēng)筒。圖6 改進型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)圖

由于大機座號IC511冷卻方式電機機座的散熱能力降低較多，電機需要更大的風(fēng)量、更大的機械耗才能保證電機的良好散熱。其中通風(fēng)損耗占電機總損耗的40%以上，給大容量隔爆型高效率電動機的開發(fā)帶來了很大困難。因此需要進一步提高大機座號電機的通風(fēng)散熱能力。

圖6的改進型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)是在圖5的基礎(chǔ)上對內(nèi)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子的通風(fēng)道結(jié)構(gòu)作了改進。

內(nèi)風(fēng)扇由鋼板焊接的圓弧面扇葉軸流扇改為機翼形扇葉鑄鋁軸流扇。在有限的空間內(nèi)，使內(nèi)風(fēng)扇具有更高的通風(fēng)效率，產(chǎn)生更大的風(fēng)量。

定、轉(zhuǎn)子鐵心仍然具有徑向通風(fēng)道，但鐵心和通風(fēng)道寬度分段由40 mm、10 mm分別改為按24mm、6 mm進行排列。在不改變定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道總寬度的情況下，電動機定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道處的散熱表面積增加了70%以上。根據(jù)熱力學(xué)公式(1)可知，電機的傳熱能力與其通風(fēng)散熱面積成正比，因此定、轉(zhuǎn)子鐵心散熱能力得到極大的提高。

(1)

(2)

式中：Δθ表面散熱溫差(K)；P冷卻功率(kW)；a散熱系數(shù)(kW/m2·K)；S散熱面積(m2)；V風(fēng)速(m/s)；

改進型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)與帶擋風(fēng)板的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)相比優(yōu)點如下：

1) 電動機定轉(zhuǎn)子通風(fēng)道處的散熱表面積得到大幅度增加，提高了電機的散熱能力。

2) 通過增加散熱面積提高電機的散熱能力，避免了因提高電機散熱能力而引起通風(fēng)損耗的增加，有利于開發(fā)大容量高效率電動機。

3) 機翼形扇葉軸流扇比圓弧板扇葉軸流扇具有更高的通風(fēng)效率。

4) 電機的散熱能力得到顯著提高，有利于減少電機的電磁材料的用量。

改進型電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)與帶擋風(fēng)板的電動機風(fēng)路結(jié)構(gòu)相比缺點如下：

1) 通風(fēng)道數(shù)的增加，引起了通風(fēng)槽板使用數(shù)量增加，增加了通風(fēng)槽板的加工工時。

2) 機翼形扇葉鑄鋁軸流扇設(shè)計難度較大，且軸流扇模具費用相對較高。

2 結(jié)語

本文主要介紹了IC511冷卻方式2極隔爆型三相異步電動機的內(nèi)風(fēng)路的優(yōu)化和改進。隨著電機技術(shù)的發(fā)展和進步，隨著電機風(fēng)路計算和分析軟件的應(yīng)用，電機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計將更加合理，將推動我國電機產(chǎn)品技術(shù)不斷向前發(fā)展。

耿治起，男，1974年生；畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)從事電機設(shè)計工作。