賀文凱， 顧德軍， 王鴻鵠

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)變成熱能經(jīng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走，同時(shí)使電機(jī)各部件溫度升高。電機(jī)設(shè)計(jì)除保證產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)輸入的要求外，還須考慮電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，使電機(jī)各部件溫度保持在合理的范圍內(nèi)，確保電機(jī)安全運(yùn)行。

按電機(jī)內(nèi)冷卻空氣流動(dòng)的方向，空氣冷卻系統(tǒng)可以分為： (1) 軸向通風(fēng)；(2) 徑向通風(fēng)；(3) 軸-徑向混合通風(fēng)。不同的通風(fēng)方式，繞組各點(diǎn)溫度分布情況各不相同，這在一定程度上影響到電機(jī)最終的冷卻效果。選擇電機(jī)的冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)綜合考慮電機(jī)容量、極數(shù)、轉(zhuǎn)速、鐵心長度及定、轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)、外徑等參數(shù)，并應(yīng)考慮到加工成本工時(shí)等因素。本文著重介紹在保持兩種電機(jī)的槽型結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)一致的前提下，通過有限元法對(duì)兩種通風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)的電機(jī)效率、溫升狀況作了對(duì)比分析。

1 徑向通風(fēng)

徑向通風(fēng)是冷卻空氣由兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)入，如圖1所示。冷卻空氣的主要部分經(jīng)定子線圈端部→轉(zhuǎn)子軛部風(fēng)路→轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道→氣隙→定子徑向風(fēng)道，最后經(jīng)定子鐵心中部排出。這種通風(fēng)系統(tǒng)便于利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件(如通風(fēng)槽片)的鼓風(fēng)作用，因而得到廣泛應(yīng)用[1]。

圖1 徑向通風(fēng)風(fēng)路組成

由于定子繞組端部散熱面積較大，所以靠近端部處溫升較低，由于出槽口處鐵心表面的散熱效果好，故繞組在該點(diǎn)溫度最低。該通風(fēng)方式的通風(fēng)損耗小，散熱面積大，沿電動(dòng)機(jī)軸向的溫升分布比較均勻[2]。鐵心部分的繞組溫升基本相同，總體來說繞組各部分溫升差異很小。其缺點(diǎn)是風(fēng)扇外徑一般都比轉(zhuǎn)子外徑小，所以風(fēng)扇的風(fēng)壓受到限制，該通風(fēng)系統(tǒng)適用于中等轉(zhuǎn)速的電機(jī)，并需要設(shè)置徑向通風(fēng)道，因而使得電動(dòng)機(jī)軸向尺寸增大，也增加了加工成本。

2 軸-徑向混合通風(fēng)

混合式通風(fēng)系統(tǒng)兼有軸向和徑向兩種通道，但往往偏重一種。以軸向?yàn)橹鞯幕旌鲜酵L(fēng)系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子一端安裝離心式風(fēng)扇)如圖2所示。

圖2 軸—徑向混合通風(fēng)(一端進(jìn)風(fēng))

冷卻空氣主要經(jīng)由定子軛部、定子線圈端部、轉(zhuǎn)子軛部→氣隙→轉(zhuǎn)子通風(fēng)道→定子徑向通風(fēng)道→ 另一端定子線圈端部，最后由風(fēng)扇排出。該通風(fēng)方式仍為一端進(jìn)風(fēng)，另一端出風(fēng)。風(fēng)扇外徑不受限制，故可以做得比轉(zhuǎn)子外徑大得多，因此能產(chǎn)生較高的風(fēng)壓，通風(fēng)效果好。但是該通風(fēng)系統(tǒng)不能用于軸向長度很大的電機(jī)，因?yàn)槠渥笥覂啥藴夭钶^大，容易出現(xiàn)局部溫度較高的現(xiàn)象。目前，國內(nèi)廣泛應(yīng)用該通風(fēng)系統(tǒng)于6極、8極、12極的高壓異步電機(jī)。

3 實(shí)例分析

根據(jù)以上兩種風(fēng)路的分析，以一臺(tái)Y500- 4-1250kW-10kV高壓電動(dòng)機(jī)為例，槽型結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)一致，用流體場有限元方法，對(duì)徑向通風(fēng)和混合通風(fēng)(單側(cè)大風(fēng)扇)做電機(jī)整體通風(fēng)、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速對(duì)比分析，為電機(jī)選擇通風(fēng)方式做參考。

混合通風(fēng)流線圖如圖3所示。徑向通風(fēng)流線圖如圖4所示。由兩個(gè)流線圖可知，兩種通風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)量情況，其中混合通風(fēng)風(fēng)扇側(cè)風(fēng)量比徑向通風(fēng)端部風(fēng)量大且集中在一側(cè)，但后者風(fēng)量較均勻，鐵心間的徑向通風(fēng)道在靠近兩側(cè)風(fēng)量較大，中間部分風(fēng)量較小。

圖3 混合通風(fēng)流線圖

圖4 徑向通風(fēng)流線圖

圖5 混合通風(fēng)風(fēng)壓圖

圖6 徑向通風(fēng)風(fēng)壓圖

混合通風(fēng)風(fēng)壓圖如圖5所示。徑向通風(fēng)風(fēng)壓圖如圖6所示。由兩個(gè)風(fēng)壓圖可知，混合通風(fēng)的風(fēng)壓比徑向通風(fēng)的風(fēng)壓大很多，混合通風(fēng)風(fēng)壓最大值在風(fēng)扇側(cè)，徑向通風(fēng)的風(fēng)壓最大值在電機(jī)兩側(cè)。

混合通風(fēng)、徑向通風(fēng)的風(fēng)速圖分別如圖7、圖8所示。從兩個(gè)風(fēng)速圖中，可以看出風(fēng)速最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇外圓附近，混合通風(fēng)的風(fēng)速最大值集中在一側(cè)(風(fēng)扇側(cè))，而徑向通風(fēng)的風(fēng)速最大值集中在電機(jī)兩側(cè)。

混合通風(fēng)、徑向通風(fēng)電機(jī)端部流體運(yùn)動(dòng)矢量圖分別如圖9、圖10所示。通過計(jì)算風(fēng)扇損耗得出，混合通風(fēng)的風(fēng)扇損耗為7520.26W，徑向通風(fēng)的風(fēng)扇損耗為4064.60W。

圖7 混合通風(fēng)風(fēng)速圖

圖8 徑向通風(fēng)風(fēng)速圖

圖9 混合通風(fēng)電機(jī)端部流體運(yùn)動(dòng)矢量圖

圖10 徑向通風(fēng)電機(jī)端部流體運(yùn)動(dòng)矢量圖

通過有限元的分析,風(fēng)扇尺寸已給定的情況下得出風(fēng)量、風(fēng)扇損耗值對(duì)照表，如表1所示。

表1 風(fēng)量、風(fēng)扇損耗值對(duì)照表

從圖3～圖10及表1中數(shù)據(jù)可以看出，針對(duì)該兩種分布的風(fēng)扇風(fēng)量，混流通風(fēng)(單側(cè)大風(fēng)扇)的風(fēng)量、風(fēng)壓大，風(fēng)量集中在風(fēng)扇側(cè)，風(fēng)扇損耗大；徑向通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓稍小，風(fēng)量分布均勻，風(fēng)扇損耗小。

基于上述理論分析對(duì)比，針對(duì)這兩種通風(fēng)方式(混流通風(fēng)和徑向通風(fēng))，風(fēng)量相近的情況下，在Y500- 4900kW 10kV進(jìn)行樣機(jī)試制，比較兩種通風(fēng)方式的電機(jī)效率、溫升及機(jī)械損耗的試驗(yàn)值，對(duì)照表如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以得出，徑向通風(fēng)的效率比混流通風(fēng)效率高，徑向通風(fēng)溫升值比混流通風(fēng)的值大，徑向通風(fēng)的機(jī)械損耗比混流通風(fēng)的機(jī)械損耗小。

混合通風(fēng)方式適合用在電機(jī)需要大風(fēng)量、大風(fēng)壓的情況下，且鐵心長度不宜過長，一般在大型電機(jī)中用的比較多；徑向通風(fēng)方式應(yīng)用比較廣泛，其風(fēng)量分布比較均勻，風(fēng)扇的損耗較小。

4 結(jié) 語

對(duì)比了電機(jī)的兩種通風(fēng)散熱系統(tǒng)。在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱系統(tǒng)的分析和計(jì)算非常重要，關(guān)系到電機(jī)的溫升情況和電機(jī)的性能指標(biāo)，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際情況和電機(jī)的側(cè)重點(diǎn)選擇合適的通風(fēng)方式。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 蒲工.異步電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)與溫升分布[J].上海大中型電機(jī)，2002(1)： 26-30.