朱典悝

（ 寧波大葉園林設(shè)備有限公司，浙江 余姚 3154000 ）

淺談交流串勵(lì)電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)及對(duì)電機(jī)溫升的影響

朱典悝

（ 寧波大葉園林設(shè)備有限公司，浙江 余姚 3154000 ）

基于交流串勵(lì)電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)風(fēng)口、電機(jī)周邊間隙、擋風(fēng)板、風(fēng)扇和出風(fēng)口等多種要素，以某款電鉆為試驗(yàn)基體，比對(duì)并分析改動(dòng)風(fēng)路結(jié)構(gòu)后的電機(jī)溫升變化情況，得到最佳選擇。

風(fēng)路；結(jié)構(gòu)；溫升；影響

0 引言

在某些電動(dòng)工具的實(shí)際操作和使用中，因工具啟動(dòng)頻繁，常伴有過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生，受機(jī)械振動(dòng)、沖擊、制動(dòng)等方面的影響，較易產(chǎn)生電機(jī)過(guò)熱甚至燒機(jī)等不良現(xiàn)象。

合理控制電機(jī)工作溫度可有效降低電機(jī)損壞概率，避免由電機(jī)發(fā)熱溫度超出電機(jī)絕緣材料極限工作溫度而引發(fā)的電機(jī)燒毀的不良后果。本文以此探討交流串勵(lì)電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及不同結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)溫升結(jié)果的不同影響。

1 概述

為了使工具在正常負(fù)載下保持一定范圍內(nèi)的溫度，GB 3883．1《手持式電動(dòng)工具的安全第一部分：通用要求》明確要求了溫升測(cè)試。一般情況下，交流電機(jī)的溫升不應(yīng)超過(guò)表1中規(guī)定的值。

表1 交流電機(jī)繞組的溫升限值

通常情況下，對(duì)定、轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行配合調(diào)整，即可獲得滿足要求的轉(zhuǎn)子溫升和定子溫升，但該方法較為繁瑣，有時(shí)需要多次調(diào)整才能滿足要求。另外，電機(jī)的溫升，不僅要求繞組的溫升低于允許的限值，還需要提高繞組沿軸向溫度分布的均勻性。合理布置電機(jī)通風(fēng)道，可使得冷卻風(fēng)量按照適當(dāng)比例沿電機(jī)冷卻風(fēng)道分別流動(dòng)，冷卻介質(zhì)和定、轉(zhuǎn)子中的發(fā)熱部件，使電機(jī)散熱并具有較為合適的溫升。

2 風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)工具的電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及五個(gè)方面，即：進(jìn)風(fēng)口、電機(jī)周邊間隙、風(fēng)扇、擋風(fēng)板和出風(fēng)口。

1）進(jìn)風(fēng)口

在電機(jī)體積、成本等前提允許下，原則上進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)面積越大越好，有效降低電機(jī)溫升的同時(shí)提升電機(jī)抗過(guò)載能力；進(jìn)風(fēng)口面積設(shè)計(jì)為出風(fēng)口的1．2～1．5倍，進(jìn)風(fēng)口寬度一般小于2．8 mm，也可設(shè)計(jì)為隱形風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口位置應(yīng)盡量靠近電機(jī)換向器，并且要求進(jìn)風(fēng)不亂向，特別是隱形風(fēng)口的設(shè)計(jì)，開(kāi)口方向應(yīng)盡量一邊。

2）電機(jī)周邊間隙

電機(jī)周邊間隙由定子與轉(zhuǎn)子鐵芯間間隙和定子鐵芯與機(jī)殼間間隙兩部分組成。定子與轉(zhuǎn)子鐵芯間的間隙對(duì)溫升影響較大，氣流大多從這里通過(guò)，帶走熱量。對(duì)于同一規(guī)格的定、轉(zhuǎn)子沖片電機(jī)，不管電機(jī)沖片的疊高如何變化，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子間氣隙量變化不大；當(dāng)電機(jī)疊高增加時(shí)，欲使電機(jī)盡快散熱，則需增大通過(guò)的風(fēng)速、風(fēng)量。定子鐵芯與機(jī)殼間留有一定的風(fēng)道間隙，氣流通過(guò)時(shí)可對(duì)電機(jī)本體及機(jī)身實(shí)施降溫。對(duì)于筒式機(jī)身，由于外形的變化，定子鐵芯與機(jī)殼間的風(fēng)道間隙亦隨之變化，一般情況下可在1 mm～3 mm之間，功率小者取小值。

圖1 定子鐵芯與對(duì)開(kāi)式機(jī)殼間的風(fēng)道間隙

對(duì)于對(duì)開(kāi)式機(jī)身，其定子鐵芯與機(jī)殼間的風(fēng)道間隙結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，在靠近定子繞組附近的機(jī)殼上，定子鐵芯兩極位置附近，設(shè)置一定寬度的間隙A、間隙B、間隙C，其間隙高度建議取1 mm左右。

3）風(fēng)扇

風(fēng)扇的設(shè)計(jì)要求對(duì)電機(jī)的溫升起到關(guān)鍵作用。風(fēng)扇一般可分為離心式風(fēng)扇、軸流式風(fēng)扇。依據(jù)產(chǎn)品的出風(fēng)需求，通常利用機(jī)身的結(jié)構(gòu)與風(fēng)扇配合，設(shè)計(jì)出離心與軸流相結(jié)合的混流排風(fēng)形式。另外，葉片的數(shù)量、長(zhǎng)度、高度、厚度、傾斜方式等，都會(huì)對(duì)風(fēng)扇的噪音、效率、風(fēng)量等產(chǎn)生重大影響。風(fēng)扇外徑與擋風(fēng)圈或機(jī)殼之間的徑向距離可取2 mm～3 mm，即可預(yù)防過(guò)大產(chǎn)生渦流，也可預(yù)防過(guò)小產(chǎn)生笛音。

4）擋風(fēng)板

擋風(fēng)板固定在工具機(jī)殼或定子鐵芯上，處于風(fēng)扇與定子之間。通過(guò)擋風(fēng)板歸整流經(jīng)進(jìn)風(fēng)口的熱風(fēng)，能較好被風(fēng)扇排除，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。擋風(fēng)板內(nèi)孔可設(shè)計(jì)為比定子內(nèi)孔略大1 mm，即單面0．5 mm。擋風(fēng)板外圈可在一定程度上支撐機(jī)殼，防止機(jī)殼變形并增加機(jī)殼強(qiáng)度，保證整機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。擋風(fēng)板與風(fēng)扇間的軸向距離應(yīng)為2．0 mm～2．5 mm，不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小。過(guò)大致使風(fēng)在此處形成渦流，不易排出；過(guò)小則對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇安裝尺寸要求過(guò)高，出風(fēng)時(shí)風(fēng)流過(guò)激引發(fā)哨音。擋風(fēng)板到定子鐵芯端面的距離，一般置有2 mm～3 mm間隙。實(shí)際應(yīng)用時(shí)盡量縮短轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，在擋風(fēng)板不觸及定子繞組的情況下，該間隙應(yīng)盡量小。

5）出風(fēng)口

出風(fēng)口寬度一般小于6 mm，通常可按5．5 mm設(shè)計(jì)，以防止塑料件、鋁壓鑄件在開(kāi)模時(shí)被過(guò)度放大。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許條件下，出風(fēng)口長(zhǎng)度應(yīng)盡可能增加，但超出極限或可導(dǎo)致亂風(fēng)現(xiàn)象。出風(fēng)口的形狀設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況而定。正反轉(zhuǎn)電機(jī)，出風(fēng)口形狀應(yīng)設(shè)計(jì)為徑向輻射式；單向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，出風(fēng)口形狀應(yīng)設(shè)計(jì)為傾斜式，以減少風(fēng)阻和噪音。

3 風(fēng)路對(duì)電機(jī)溫升影響

圖2為筒式機(jī)殼的某電鉆風(fēng)路結(jié)構(gòu)剖面，已知額定輸入功率為600 W，空載轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，與定子間的間隙取了1 mm～3 mm的設(shè)計(jì)較大值，進(jìn)、出風(fēng)口的面積足夠大，電機(jī)與其他產(chǎn)品共用，參數(shù)不可調(diào)。

針對(duì)該電鉆的情況，試做6次風(fēng)路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)整，并進(jìn)行了溫升測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表2。

圖2 筒式機(jī)殼的電鉆風(fēng)路結(jié)構(gòu)剖面

表2 不同風(fēng)路的電機(jī)測(cè)試狀態(tài)

表2可以看出，6號(hào)對(duì)開(kāi)式機(jī)身風(fēng)路結(jié)構(gòu)其額定輸出功率、額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定輸出轉(zhuǎn)速最大，定、轉(zhuǎn)子的溫升值最小，效果最好。2號(hào)筒式機(jī)身風(fēng)路結(jié)構(gòu)與6號(hào)對(duì)開(kāi)式機(jī)身風(fēng)路結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果較為接近，但在實(shí)際中對(duì)筒式機(jī)身的定子與機(jī)身間間隙進(jìn)行環(huán)堵，是較為困難的。

從1號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，額定輸出功率、額定輸出轉(zhuǎn)矩、定子溫升都較低，轉(zhuǎn)子的溫升卻很高，且定、轉(zhuǎn)子溫升值相差巨大。顯然，機(jī)身與定子間的間隙取了1 mm～3 mm的設(shè)計(jì)較大值后，大量的冷卻風(fēng)從定子鐵芯外流走，減小了定子與轉(zhuǎn)子鐵芯間的風(fēng)速、風(fēng)量，轉(zhuǎn)子沒(méi)有得到較有效的冷卻。一般情況下，定子溫升略低于轉(zhuǎn)子溫升，兩者差距太大將使得電機(jī)的有效材料無(wú)法充分運(yùn)用。

相較于1、2、5、6號(hào)的測(cè)試結(jié)果，序號(hào)3、4號(hào)在擋風(fēng)板內(nèi)孔相較正常設(shè)計(jì)增大后，額定輸出功率、額定輸出轉(zhuǎn)速、額定輸出轉(zhuǎn)矩最小，定、轉(zhuǎn)子溫升值相差較大，且不理想。當(dāng)在定子后部的繞組附近增加了擋筋，定、轉(zhuǎn)子間的溫升差值減小。由此可見(jiàn)，此法可減少?gòu)臋C(jī)身與定子間的間隙流過(guò)的風(fēng)量，增加定子與轉(zhuǎn)子鐵芯間風(fēng)的流速及流量；當(dāng)定子繞組的前部間隙被擋風(fēng)板環(huán)堵后，轉(zhuǎn)子的溫升值較高，定子的溫升值也相對(duì)升高，可見(jiàn)在定子繞組前部留有一定的間隙是必要的。

從5號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)看，除了額定輸出轉(zhuǎn)矩相較2號(hào)的狀態(tài)偏低外，額定輸出功率、額定輸出轉(zhuǎn)速及定、轉(zhuǎn)子的溫升都較為理想。對(duì)于筒式機(jī)身而言，當(dāng)機(jī)身與定子間的間隙偏大時(shí)，建議選用此種風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

綜合以上分析結(jié)果，當(dāng)電機(jī)參數(shù)固定，機(jī)身的進(jìn)、出風(fēng)口的面積足夠大的情況下，合理減小定子與機(jī)身間間隙以及擋風(fēng)板的內(nèi)孔尺寸，可獲得較大的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率及較理想的定、轉(zhuǎn)子溫升。

對(duì)于筒式機(jī)身的電機(jī)，采用在擋風(fēng)板環(huán)定子繞組端設(shè)計(jì)1 mm～3 mm間隙以及在換向器端的定子繞組后增加擋筋的方法，可有效改善定、轉(zhuǎn)子的溫升。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)、機(jī)殼結(jié)構(gòu)不同，電機(jī)風(fēng)路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有所不同，這需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。合理的電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅有效降低電機(jī)溫升，提高定子繞組的溫度分布均勻性，還可降低電機(jī)的機(jī)械損耗，提高效率。

[1]GB 3883．1-2005 手持式電動(dòng)工具的安全 第一部分：通用要求[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

圖6 無(wú)均衡放電電壓波形

圖7 均衡放電電壓波形

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，并行填谷式均衡在充放電過(guò)程中，能較好保證電池組的電壓一致性，在充電過(guò)程中，使得充入電池組的能量大幅增加，在放電過(guò)程中，也可使得電池組放電時(shí)間增長(zhǎng)10%，有效延長(zhǎng)電池壽命。運(yùn)用該種均衡方式對(duì)鋰電池的推廣和應(yīng)用將有較大的促進(jìn)作用。

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Discussion on the Airflow Structure of AC Series Motor and Its Effect on the Temperature Rise

Zhu dianli
(Ningbo DAYE Garden MachineryCo.,Ltd. Yuyao 315400 China)

Based on various factors of the AC series motor airflow design, such as the air inlet, the gap of the motor, the wind shield, the fan and the air outlet, setting drill as a test example,this paper compares and analyzes the change of the motor temperature rise after the modification of the air flow structure, thus the best choice is obtained.

Airflow;Structure; Temperature rise; Effect

TM344.1

A

1674-2796（2016）06-0004-04

2016-10-11

朱典悝（1971—），男，主要從事的電動(dòng)和園林工具研發(fā)工作。