韓振乾

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

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YXKK系列高效率三相異步電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

韓振乾

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

分析了YXKK系列高效率三相異步電機(jī)冷卻系統(tǒng)。從通風(fēng)系統(tǒng)方式、風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、冷卻器結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子通風(fēng)道分布、銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的選用5個方面，結(jié)合不同的數(shù)據(jù)分析，說明了高效率電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方向。結(jié)論對高效率電機(jī)的風(fēng)路設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

高效； 異步電機(jī)； 通風(fēng)系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國節(jié)能減排工作的深入開展，異步電機(jī)節(jié)能從以前低壓高效率電機(jī)發(fā)展到了低壓超高效率和高壓高效率電機(jī)。2010年5月31日，財(cái)政部、發(fā)改委公布高效電機(jī)推廣實(shí)施細(xì)則，給予大中型高壓的高效率產(chǎn)品實(shí)施補(bǔ)貼。2013年，GB 30254—2013《高壓電動機(jī)能效限定值及能效等級》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)的制訂，為高壓高效電機(jī)的發(fā)展制定了一個明確的目標(biāo)。

電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗一般分為定子銅損耗、鐵心損耗、轉(zhuǎn)子銅(或鋁)損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗等。電機(jī)效率提高的過程就是降低各項(xiàng)損耗的過程。一般電機(jī)的機(jī)械損耗約占電機(jī)總損耗的5%～8%，而在YKK系列高速高壓電機(jī)中，機(jī)械損耗所占比例更高，甚至超過總損耗的10%。在此類電機(jī)中降低電機(jī)機(jī)械損耗是提高效率的重要途徑。本文重點(diǎn)探討YXKK高效率電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低機(jī)械損耗的辦法。

1 YXKK系列電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式

YXKK系列電機(jī)為封閉式帶空-空冷卻器的三相異步電機(jī)，其風(fēng)路有兩個： 內(nèi)風(fēng)路和外風(fēng)路[1-2]。

1.1 YXKK系列電機(jī)的外風(fēng)路

該系列電機(jī)外風(fēng)路有兩種形式： 軸上自帶風(fēng)扇的IC611和冷卻器帶風(fēng)機(jī)的IC616。

IC611冷卻形式結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)同軸自帶外風(fēng)扇向電機(jī)冷卻器管中打入冷風(fēng)，外風(fēng)扇要產(chǎn)生額外的機(jī)械損耗。外風(fēng)扇所產(chǎn)生風(fēng)量、風(fēng)壓和消耗的機(jī)械功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系，適用于中高速電機(jī)或調(diào)速范圍不太大的變頻電機(jī)。否則，影響電機(jī)散熱。

IC616冷卻形式結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)不帶外風(fēng)扇，而在冷卻器端面安裝有軸流風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)打入冷卻管中。這種優(yōu)點(diǎn)是通過冷卻器管中風(fēng)與主電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，特別適用于低速電機(jī)和調(diào)速范圍較大的變頻調(diào)速電機(jī)。

圖1 IC611冷卻方式

圖2 IC616冷卻方式

1.2 YXKK系列高效電機(jī)內(nèi)風(fēng)路

內(nèi)風(fēng)路有兩種形式： 徑向通風(fēng)和徑向-軸向混合通風(fēng)。

(1) 徑向通風(fēng)型式。這種結(jié)構(gòu)是定子兩端安裝有兩個導(dǎo)風(fēng)筒，用于將機(jī)座兩端的風(fēng)導(dǎo)入內(nèi)風(fēng)扇和軸向通風(fēng)孔，轉(zhuǎn)子兩端各帶一個內(nèi)風(fēng)扇。有兩個基本對稱的循環(huán)風(fēng)路(見圖1、圖2)，其特點(diǎn)是循環(huán)回路短，電機(jī)溫升比較均勻，但由于受內(nèi)風(fēng)扇直徑限制，風(fēng)扇壓力受限，常用于2極、4極、6極等轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)。

(2) 徑向-軸向混合通風(fēng)型式。這種結(jié)構(gòu)一般在轉(zhuǎn)子傳動端裝一個大風(fēng)扇，同時，軸上軸向通風(fēng)孔在靠大風(fēng)扇端堵死，使風(fēng)從定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道中流過，以冷卻電機(jī)最易發(fā)熱的地方。機(jī)座上靠風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)處裝有擋風(fēng)板，防止漏風(fēng)，并引導(dǎo)風(fēng)流向大風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口。其結(jié)構(gòu)和風(fēng)路如圖3所示。

這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是內(nèi)風(fēng)扇直徑可以做得較大，風(fēng)壓大，常用于8極、10極、12極、16極等低速電機(jī)的場合，但由于風(fēng)路長，線圈鐵心兩端溫升差異較大。

圖3 徑向-軸向混合通風(fēng)方式

2 冷卻器的設(shè)計(jì)

冷卻器作為電機(jī)的熱交換裝置，其換熱能力直接影響電機(jī)的冷卻效果。合理選擇冷卻管直徑、管數(shù)、排列方式及布置管間距對提升冷卻器的散熱能力具有重要作用。

2.1 冷卻管布置

冷卻管不同層之間交叉排列(見圖4)，全部冷卻管通常排成矩形和M形。矩形的特點(diǎn)是冷卻器高度較低，但使用管數(shù)較多，冷卻管利用率較低。M形的特點(diǎn)是使用管數(shù)少，冷卻管利用率較高，但冷卻器較高，對電機(jī)高度有限制的場合使用須謹(jǐn)慎。

圖4 冷卻管布置圖

2.2 冷卻管管徑、管數(shù)、管間距的關(guān)系

電機(jī)有內(nèi)、外兩個風(fēng)路。從內(nèi)風(fēng)路看，由電機(jī)發(fā)熱形成的熱風(fēng)都要從冷卻管間流過，把熱傳遞給冷卻管，冷卻管不能太少，否則，散熱面積不夠，冷卻管間距也不能太小，數(shù)量不能太多，否則，由于風(fēng)阻太大，即使使用較多冷卻管，散熱還是不好。從外風(fēng)路看，通過冷卻管中的風(fēng)把冷卻管間所有熱風(fēng)的熱量帶走，冷卻管管徑大、管數(shù)多，散熱效果好。但在一定區(qū)域內(nèi)，管徑、管數(shù)、管間距相互矛盾，所以內(nèi)外風(fēng)路要兼顧，合理布置。下面為幾個冷卻管選取及排列示例。

排列1： 管徑Ф22mm；橫向心距s1=30mm；縱向心距s2=30mm，管徑與縱向心距比為0.7333；任意相鄰三管中心構(gòu)成的三角形面積與三角形內(nèi)三扇形面積和之比(簡稱面積比，即圖4中三角形與陰影部分面積比)為0.422。

排列2： 管徑Ф16mm；橫向心距s1=22mm，縱向心距s2=19mm；管徑與縱向心距比為0.7273；面積比為0.4841。

排列3： 管徑Ф26mm；橫向心距s1=35mm；縱向心距s2=30mm，管徑與縱向心距比為0.7273；管徑與縱向心距比為0.7429；面積比為0.505。

計(jì)算和試驗(yàn)表明，在電機(jī)其他參數(shù)不變時，冷卻效果排列1不如排列2，排列2不如排列3。由此看出，面積比接近0.5時散熱效果最好。

2.3 冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算

(1) 冷卻管數(shù)計(jì)算。

冷卻器散熱面積：

A=∑Pn/Jn

(1)

式中： ∑Pn——需由冷卻器帶走的損耗，kW；

Jn——冷卻器單位散熱面積帶走的損耗，kW/m2。一般取0.6～1.2kW/m2，與通過的風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越高，Jn越大。

冷卻管數(shù)量:

N=A/π/d/L

(2)

式中：d、L——分別為冷卻管的等效直徑和長度，m。

易非沒吭聲，她本能地感覺到有危險(xiǎn)在逼近。她想逃，但她沒有，她想了想，反而鼓足了勇氣挺身而上，她站直了身子，深吸了一口氣，正色道：

(2) 冷卻風(fēng)量由式(3)計(jì)算：

Q=∑Pn/CnTn

(3)

式中：Cn——冷卻空氣比熱,為1.05～1.1kW·s/m3K；

Tn——冷卻空氣的溫差,一般取10～18K。

(3) 冷卻管內(nèi)冷卻空氣溫差在計(jì)算冷卻空氣量和外風(fēng)扇尺寸時已確定：

T1=Tn=∑Pn/CnQ

(4)

(4) 冷卻管表面溫差：

T=∑Pn/Aα

(5)

式中：α——冷卻器管的表面散熱系數(shù)，與冷卻器的結(jié)構(gòu)、冷卻管管徑、長度、材質(zhì)和吹拂冷卻管的空氣速度有關(guān)，一般可取106～280W/m2·K。

(5) 冷卻管內(nèi)、外壁之間溫差：

T3=∑Pnδ/Aλ

(6)

式中：δ——冷卻管壁厚，m；

(6) 冷卻器內(nèi)部與環(huán)境冷卻空氣間的溫差：

T=T1+Tn+T3

(7)

計(jì)算和試驗(yàn)表明，冷卻管表面的溫差一般為3～6K。同時，由于冷卻管導(dǎo)熱能力強(qiáng)，管壁很薄，其管壁溫差很小可以忽略不計(jì)，因此冷卻器內(nèi)部與環(huán)境冷卻空氣之間的溫差可按式(8)計(jì)算：

T=T1+3～6K

(8)

3 風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)型式與電機(jī)效率密切相關(guān)，研究高效風(fēng)扇是提高效率的一種有效方法[3- 4]。對于YXKK系列高效三相異步電機(jī)，電機(jī)有內(nèi)風(fēng)扇和外風(fēng)扇。

3.1 外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

一般YKK系列三相異步電機(jī)采用徑向離心風(fēng)扇，這種風(fēng)扇的損耗與轉(zhuǎn)速的立方成正比。對2極、4極這樣的高速電機(jī)，如果采用這種風(fēng)扇，損耗將大大增加，嚴(yán)重影響電機(jī)效率。為此，YXKK系列高效電機(jī)通常采用后傾風(fēng)扇。表1給出了徑向、前傾、后傾三種葉片型式的風(fēng)扇效率參考值。其中:ηf為風(fēng)扇效率；η0為風(fēng)扇空載時氣體動效率；δ0為風(fēng)量修正系數(shù)。

表1 風(fēng)扇計(jì)算參數(shù)參考值

后傾離心式風(fēng)扇主要由前盤、葉片及后盤組成。為了兼顧風(fēng)扇性能和制造工藝，采用平前盤，葉片線型采用圓弧線。氣體進(jìn)入葉片時，靠近前盤處的氣流速度明顯大于靠近后盤處。對于無始端的葉片，將導(dǎo)致入口氣流角沿進(jìn)入葉片的寬度方向明顯變小，形成較大的入口沖擊，造成氣流損失。為此葉片增加始端，可減小沿葉片入口的沖擊，從而提高葉片的氣動性能，如圖5所示。其中：D1max、D1min及D1m分別為始端的最大直徑、最小直徑、平均直徑;b為葉片寬度。

圖5 離心風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

始端尺寸以風(fēng)扇基本內(nèi)徑尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，有：

D1max=(1.01～1.05)Df1

D1min=(0.8～0.98)Df1

(9)

電機(jī)實(shí)際需要的風(fēng)壓:

p=pnηf/Q

根據(jù)后傾離心式風(fēng)扇的特性，當(dāng)其運(yùn)行在最大效率點(diǎn)時，有：

(10)

(11)

式中：n——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min;

ρ——空氣密度。

(12)

葉片直徑與葉片寬滿足:

Df2=(1.1～1.5)Df1

(13)

據(jù)此，可算出Df1、Df2、b。

3.2 葉片數(shù)目的確定

葉片數(shù)目N和葉片厚度h對風(fēng)扇性能存在著不可忽略的影響。對于后傾式離心風(fēng)扇，采用經(jīng)驗(yàn)公式為

(14)

為保證風(fēng)扇具有較好的剛度，防止風(fēng)扇運(yùn)行中出現(xiàn)斷裂、彎折等問題，葉片高度應(yīng)不小于葉片中心高度處的葉間距，即滿足：

(15)

3.3 內(nèi)風(fēng)扇的選型與設(shè)計(jì)

對于YXKK系列高效三相異步電機(jī)，為了提高電機(jī)效率和轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱能力，一般采用銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)帶內(nèi)風(fēng)扇。

如果采用徑向-軸向混合通風(fēng)型式，那么，電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇與外風(fēng)扇類似。對2～4極電機(jī)，如對電機(jī)沒有雙向旋轉(zhuǎn)要求，最好選用后傾離心葉扇。

對6極及以上電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇，由于轉(zhuǎn)速較低，風(fēng)扇損耗較小，風(fēng)壓低，為提高風(fēng)壓，并同時降低風(fēng)葉制造成本，可做成徑向離心式風(fēng)扇。

4 導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)

導(dǎo)風(fēng)罩是把周圍冷空氣通過外風(fēng)扇引入冷卻器的通風(fēng)道裝置。為了減少風(fēng)阻，通常在導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口和外風(fēng)扇外環(huán)板之間安裝一個喇叭形的導(dǎo)風(fēng)筒。為了使吹到冷卻器的風(fēng)盡可能均勻，以更充分利用各冷卻管，通常在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)風(fēng)轉(zhuǎn)向處到冷卻器之間設(shè)置有1～2個導(dǎo)風(fēng)筒。如果導(dǎo)風(fēng)罩在轉(zhuǎn)角處采用圓弧過渡，導(dǎo)風(fēng)筒也應(yīng)采用圓弧過渡。

5 結(jié) 語

YXKK系列高效率電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)時要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 要根據(jù)實(shí)際情況采用適合的冷卻方式，選擇合適的風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

(2) 設(shè)計(jì)冷卻器時，合理選擇冷卻管徑、管間距。最好使任意相鄰三管中心構(gòu)成的三角形面積與三角形內(nèi)三扇形面積和之比接近于0.5。

(3) 對轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)，除非負(fù)載需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)風(fēng)扇可采用軸流風(fēng)扇或后傾風(fēng)扇、外風(fēng)扇采用后傾式風(fēng)扇，以提高電機(jī)的效率。

(4) 為了減少風(fēng)阻，導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)在進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)扇間設(shè)置喇叭形導(dǎo)風(fēng)筒，在風(fēng)轉(zhuǎn)向處到冷卻器之間應(yīng)合理設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板，使風(fēng)分配盡可能均勻，以充分利用冷卻管。

[1] 賀文凱，顧德軍，王鴻鵠.兩種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對高壓電機(jī)性能的影響[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41(6): 36-38．[2] 張禎海，遲長春，練正兵，等.高功率密度籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2015，42(4): 53-57．

[3] 汪書蘋，趙爭鳴，馮垚徑.YKK355-630系列高壓三相異步電動機(jī)高效風(fēng)扇的設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(1): 9-12.

[4] 王鴻鵠，余曉松，鄭龍平.高壓電動機(jī)離心風(fēng)扇改進(jìn)研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2015，42(6): 17-20．

Cooling System of YXKK Series High Efficiency Three Phase Asynchronous Motor

HANZhenqian

(Lanzhou Electric Corporation， Lanzhou 730050, China)

The YXKK series high efficiency three phase asynchronous motor cooling system was analyzed. Combined data analysis of different structures and illustrated the optimization of wind path structure design parameters of high efficiency motors, from five aspects including way ventilation system, fan structure, cooler structure, stator and rotor duct distribution, selection of copper rotor and cast aluminum rotor. The conclusion has some reference value for wind path structure design of high efficiency motors.

high efficiency; asynchronous motor; cooling system

韓振乾(1964—)，男，工程師，研究方向?yàn)橹行⌒彤惒诫姍C(jī)電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TM 343

A

1673-6540(2016)10- 0078- 04

2016-05-08