金 晶, 王鴻鵠, 姚丙雷

(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)

YE3系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究與仿真分析*

金 晶, 王鴻鵠, 姚丙雷

(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)

介紹了YE3系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過市場(chǎng)調(diào)研，樣機(jī)試制驗(yàn)證，并采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對(duì)不同通風(fēng)情況進(jìn)行模擬分析,最終確定了產(chǎn)品的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

三相異步電動(dòng)機(jī)； 通風(fēng)結(jié)構(gòu)； 仿真分析； 試驗(yàn)

0 引 言

通風(fēng)結(jié)構(gòu)的不同會(huì)直接影響到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能[1]。在YE3系列(IP23)電動(dòng)機(jī)的研制中[2]，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)合適的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，可以有效利用其自身較好的散熱性能，在滿足高效率的同時(shí)，適當(dāng)提高熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)值，不僅能使電動(dòng)機(jī)的溫升處在合理可控的范圍內(nèi)，而且能節(jié)省電動(dòng)機(jī)的制造成本，從而取得“降本增效”的效果。本文對(duì)不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對(duì)不同通風(fēng)情況進(jìn)行模擬分析，還制造了樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定了該系列產(chǎn)品的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

1 不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的介紹

通過走訪大量生產(chǎn)IP23電動(dòng)機(jī)的制造企業(yè)，經(jīng)了解其電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)大致可分為以下3種：

(1) 電動(dòng)機(jī)的整體外形結(jié)構(gòu)與封閉式電機(jī)結(jié)構(gòu)非常相似。主要采用軸向通風(fēng)方式，將后端蓋鏤空，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)以后，軸上自帶的獨(dú)立風(fēng)扇，將冷卻空氣由后端蓋抽入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，冷卻空氣通過機(jī)座與鐵心的間隙、定轉(zhuǎn)子間的氣隙和轉(zhuǎn)子通風(fēng)道，最后經(jīng)過熱交換后從電動(dòng)機(jī)的前端蓋排出。電動(dòng)機(jī)的整個(gè)機(jī)座是封閉的，純粹靠獨(dú)立風(fēng)扇進(jìn)行軸向通風(fēng)。其缺點(diǎn)是一旦設(shè)計(jì)的鐵心較長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)的散熱會(huì)不均勻。另外，由于采用了獨(dú)立風(fēng)扇，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗也會(huì)增大。

(2) 電動(dòng)機(jī)的整體外形結(jié)構(gòu)完全與Y系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相同。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)以后，由轉(zhuǎn)子兩端鑄鋁風(fēng)葉(或者由兩邊獨(dú)立安裝的離心式風(fēng)扇)產(chǎn)生風(fēng)壓，將冷卻空氣由左右兩邊的端蓋端面抽入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)的端蓋內(nèi)側(cè)裝有擋風(fēng)板，起到導(dǎo)流的作用，使一部分冷卻空氣通過定子繞組端部進(jìn)入，從機(jī)座出風(fēng)，另一部分冷卻空氣通過轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔進(jìn)行冷熱空氣的交換，冷卻轉(zhuǎn)子，經(jīng)過轉(zhuǎn)子的徑向通風(fēng)槽，由機(jī)座側(cè)面的出風(fēng)口逸出。

(3) 電動(dòng)機(jī)的端蓋不參與通風(fēng)，冷卻空氣只通過機(jī)座完成進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)。在電動(dòng)機(jī)機(jī)座的兩端分別有進(jìn)、出風(fēng)口，通過安裝風(fēng)機(jī)通風(fēng)，冷卻空氣從靠近風(fēng)機(jī)端的機(jī)座通風(fēng)孔進(jìn)入，迫使冷卻空氣從機(jī)座的另一端通風(fēng)孔出風(fēng)；或是采用較大的離心式風(fēng)扇，冷卻空氣從遠(yuǎn)離風(fēng)扇端的機(jī)座通風(fēng)孔被抽入，從靠近風(fēng)扇端的機(jī)座通風(fēng)孔出風(fēng)，從而對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行熱交換。

2 通風(fēng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合產(chǎn)品，對(duì)現(xiàn)有的YE2(ODP)-200L-4 45 kW、400 V/50 Hz電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)，做了三種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1號(hào)樣機(jī)采用軸向通風(fēng)，冷卻空氣從電動(dòng)機(jī)后部風(fēng)罩進(jìn)入，通過機(jī)座的軸向通風(fēng)道、定轉(zhuǎn)子間的氣隙等來進(jìn)行熱交換，最后從電動(dòng)機(jī)的前端蓋排出。該通風(fēng)結(jié)構(gòu)與封閉式電機(jī)的相類似。2號(hào)樣機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)是將1號(hào)樣機(jī)的前、后端蓋的風(fēng)口堵住，在鋼板機(jī)座前后兩側(cè)各開2個(gè)進(jìn)風(fēng)口，在機(jī)座中間兩側(cè)各開1個(gè)出風(fēng)口。3號(hào)樣機(jī)采用前、后端蓋端面進(jìn)風(fēng)，經(jīng)由機(jī)座中間出風(fēng)口排出的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。由于2號(hào)樣機(jī)在溫升試驗(yàn)時(shí)溫度過高，未能繼續(xù)試驗(yàn)?，F(xiàn)將1號(hào)和3號(hào)樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，如表1所示。

表1 不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

圖1 3號(hào)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

從表1可知，1號(hào)樣機(jī)是帶獨(dú)立外風(fēng)扇的通風(fēng)結(jié)構(gòu)；3號(hào)是在1號(hào)電機(jī)基礎(chǔ)上，取消了獨(dú)立外風(fēng)扇，采用前、后端蓋端面進(jìn)風(fēng)，經(jīng)由機(jī)座中間出風(fēng)口的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，1號(hào)樣機(jī)與3號(hào)樣機(jī)相比較，繞組的散熱效果略好，但軸承溫度較高。分析認(rèn)為產(chǎn)生這種試驗(yàn)結(jié)果的原因是由于3號(hào)樣機(jī)前、后端蓋的開孔過大，使冷卻空氣始終在兩側(cè)軸承附近循環(huán)進(jìn)出，并沒有進(jìn)入繞組鐵心內(nèi)部進(jìn)行熱交換，因此只是大大降低了軸承溫度，而沒有實(shí)質(zhì)性地降低繞組溫度。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析，采用兩側(cè)端蓋進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)只要設(shè)計(jì)的進(jìn)、出風(fēng)面積合理，并且電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很好的熱交換，對(duì)于電動(dòng)機(jī)繞組溫升及軸承溫度都非常有利，而且如果電動(dòng)機(jī)的功率增大，隨著電動(dòng)機(jī)的鐵心變長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)是兩側(cè)對(duì)稱出風(fēng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響肯定比帶獨(dú)立風(fēng)扇的小。為了更好地分析兩側(cè)端蓋進(jìn)風(fēng)、機(jī)座中間出風(fēng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，建立了三維模型并利用Ansoft軟件進(jìn)行仿真分析。

3 通風(fēng)結(jié)構(gòu)的仿真分析

采用Solidworks軟件建立三維模型，如圖2所示。

圖2 YE3系列(IP23)電動(dòng)機(jī)模型

電動(dòng)機(jī)端蓋上開4個(gè)窗口，其中兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口在端蓋下半部偏上(見圖2中的1和2進(jìn)風(fēng)口上)，另兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口在端蓋下底部(見圖2中的3和4進(jìn)風(fēng)口下)；在前、后端蓋內(nèi)側(cè)安裝具有導(dǎo)流作用的擋風(fēng)板；在電動(dòng)機(jī)機(jī)座的中下部開左右對(duì)稱的出風(fēng)口(圖2中顯示的為右出風(fēng)口1～4)；在機(jī)座內(nèi)部分布有軸向筋,既起到支撐固定鐵心的作用，又形成了導(dǎo)風(fēng)通道便于機(jī)座內(nèi)部空氣的熱交換。

采用Ansoft軟件, 對(duì)不同通風(fēng)情況進(jìn)行模擬分析。由于電動(dòng)機(jī)沿軸向基本對(duì)稱，所以可以取電動(dòng)機(jī)軸向的一半作為模型來進(jìn)行流體場(chǎng)的計(jì)算和分析。利用三維模型建立的空氣包如圖3所示，流體場(chǎng)如圖4所示。

圖3 半個(gè)電動(dòng)機(jī)的空氣包模型

圖4 空氣包的流體場(chǎng)分布

圖4是同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的流體場(chǎng)分布。從圖4可知，除了轉(zhuǎn)子中心位置處由高轉(zhuǎn)速形成的流速比較快以外，其余機(jī)座端蓋處的空氣分布還是很均勻的，流速也大致在一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，機(jī)座左、右兩側(cè)出風(fēng)口的出風(fēng)量也幾乎相等。

當(dāng)同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min和1 500 r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)有、無(wú)擋風(fēng)板的流體場(chǎng)情況，如圖5、圖6所示。

圖5 同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)有、無(wú)擋風(fēng)板的流體場(chǎng)

圖6 同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)有、無(wú)擋風(fēng)板的流體場(chǎng)

從圖5可知，通過出風(fēng)量的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，有擋風(fēng)板的電動(dòng)機(jī)出風(fēng)量約為無(wú)擋風(fēng)板的3.3倍；從圖6可知，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，有擋風(fēng)板的電動(dòng)機(jī)出風(fēng)量無(wú)擋風(fēng)板的1.8倍。

從圖6可知，當(dāng)同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，有擋風(fēng)板的轉(zhuǎn)子風(fēng)葉處的空氣有明顯整體流動(dòng)的軌跡，而無(wú)擋風(fēng)板的轉(zhuǎn)子風(fēng)葉處的空氣流速呈現(xiàn)出不均勻、無(wú)方向感。

從圖5、圖6可知，電動(dòng)機(jī)在有、無(wú)擋風(fēng)板的情況下空氣的流速都差不多，但有擋風(fēng)板時(shí)的轉(zhuǎn)子風(fēng)葉及定子繞組處的空氣流速分布更均勻。

分析可知，有、無(wú)擋風(fēng)板對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)的均勻分布以及電動(dòng)機(jī)的出風(fēng)量都會(huì)有很大的影響。關(guān)于隨著轉(zhuǎn)速的下降擋風(fēng)板對(duì)電動(dòng)機(jī)出風(fēng)量的影響是否也會(huì)逐漸減小，在此未作驗(yàn)證。

圖7 同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)有、無(wú)擋風(fēng)板的風(fēng)速矢量圖

圖7是同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)有、無(wú)擋風(fēng)板的風(fēng)速矢量。從圖7可知，在有擋風(fēng)板的情況下，空氣在擋風(fēng)板的引導(dǎo)下流經(jīng)轉(zhuǎn)子風(fēng)葉處，隨后被轉(zhuǎn)子風(fēng)葉均勻地扇出，沿著繞組端部流動(dòng)，最后沿著軸向通道從機(jī)座中間出風(fēng)；在無(wú)擋風(fēng)板的情況下，空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子風(fēng)葉處沒有很明顯的流動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉扇出的風(fēng)不均勻、無(wú)方向流動(dòng)，有一部分空氣停留在端蓋處，而不參與對(duì)定子繞組端部的熱交換。

通過Ansoft軟件分析，得出采用兩側(cè)端蓋進(jìn)風(fēng)、機(jī)座中間出風(fēng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，其機(jī)座、端蓋處的空氣分布較均勻，空氣流速較穩(wěn)定，并且在端蓋內(nèi)部采用具有導(dǎo)流作用的擋風(fēng)板，能使流入的空氣有整體流動(dòng)的軌跡，能更好地參與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的熱交換。

4 樣機(jī)驗(yàn)證

通過多方溝通協(xié)作，利用部分現(xiàn)有的鑄件模具，試制了一臺(tái)200 kW、2極、IE3效率的樣機(jī)來驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 200 kW 2極樣機(jī)

需要說明，該機(jī)座的鐵心檔內(nèi)徑為φ520 mm，相當(dāng)于封閉式H315機(jī)座號(hào)的內(nèi)徑，但該機(jī)座的中心高為280 mm，比封閉式H315機(jī)座號(hào)小一個(gè)機(jī)座號(hào)，因此該電動(dòng)機(jī)采用的軸承為6314，而封閉式H315機(jī)座號(hào)采用的軸承為6317。樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較分別如表2、表3所示。

從表2可知，樣機(jī)的空載電流、機(jī)械損耗和鐵耗都比設(shè)計(jì)值高，尤其是鐵耗比設(shè)計(jì)值高出近1 000 W，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，這種情況是比較少見的。根據(jù)計(jì)算由于鐵耗增加而損失的電動(dòng)機(jī)效率在0.48%以上。

表2 樣機(jī)的空載試驗(yàn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 樣機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表3可知，樣機(jī)的額定電流、定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗和鐵耗都比設(shè)計(jì)值高，尤其是雜散損耗比設(shè)計(jì)值高出850 W。由于電動(dòng)機(jī)的鐵耗和雜散損耗太大，直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的效率比設(shè)計(jì)值低了0.93%，吃容差6.19%合格。分析認(rèn)為鐵耗的增加與該電動(dòng)機(jī)采用的硅鋼片材質(zhì)有關(guān)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的鐵耗估算出樣機(jī)的硅鋼片鐵損P15/50約為5.0 W/kg，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)采用的硅鋼片鐵損P15/50≤3.57 W/kg。若忽略鐵耗增加的損失，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際效率為95.98%以上，應(yīng)該能超出IE3-95.8%的標(biāo)準(zhǔn)效率要求，電動(dòng)機(jī)的雜散損耗情況較復(fù)雜，在此不作討論。

從表3可知，樣機(jī)的溫升為30 K，究其原因主要是本次樣機(jī)的鑄鋁轉(zhuǎn)子的風(fēng)葉采用現(xiàn)有模具比設(shè)計(jì)值增長(zhǎng)了14 mm，從而使單片風(fēng)葉的面積增加600 mm2，風(fēng)葉越大電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空氣流動(dòng)越快，熱交換就越好，但由此同樣會(huì)造成電動(dòng)機(jī)機(jī)械損耗的提高，因此如何控制損耗與溫升的關(guān)系非常重要。

本次樣機(jī)的驗(yàn)證，雖在電氣性能上略有不足，但基本達(dá)到了驗(yàn)證通風(fēng)結(jié)構(gòu)的目的，證明該通風(fēng)結(jié)構(gòu)確實(shí)能為降低電動(dòng)機(jī)溫升和軸承溫度起到良好的作用；同時(shí)通過測(cè)試數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的鐵心溫度是53.6 ℃，機(jī)殼溫度是53.3 ℃，說明機(jī)座的內(nèi)部風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較合理，通過熱傳遞能更快速地降低鐵心的溫度；另外，電動(dòng)機(jī)端蓋的進(jìn)風(fēng)溫度是34.9 ℃，機(jī)座的出風(fēng)溫度是41.0 ℃，也說明電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的熱交換很有效。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)IP23防護(hù)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對(duì)不同通風(fēng)情況進(jìn)行模擬分析，還通過樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了系列產(chǎn)品的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)葉會(huì)產(chǎn)生一定的風(fēng)壓，冷卻空氣經(jīng)由前、后端蓋底部進(jìn)風(fēng)口被吸入電機(jī)內(nèi)腔中，并通過端蓋內(nèi)側(cè)安裝的擋風(fēng)板進(jìn)行引流、導(dǎo)風(fēng)，冷卻空氣流經(jīng)繞組后進(jìn)入機(jī)座的軸向通風(fēng)道，匯集后由機(jī)座中間的出風(fēng)口將產(chǎn)生的熱量帶出電機(jī)內(nèi)腔。

[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] 金晶,李光耀,湯惠明.YE2系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2017,44(2): 78-82.

Research and Simulation Analysis on Ventilation Structure of YE3 Series (IP23) Three-Phase Asynchronous Motor*

JINJing,WANGHonghu,YAOBinglei

(Shanghai Engineering Research Center Of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The design of YE3 series (IP23) three phase asynchronous motor′s ventilation structure was introduced.The different ventilation conditions was simulated and analyzed by the market research, the test of the sample and using Solidworks and Ansoft software.And then the ventilation structure of products was determined.

three-phase asynchronous motor; ventilation structure; simulation analysis; test

上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目(14DZ2280800)

金 晶(1983—)，女，工程師，研究方向?yàn)楦咝Ч?jié)能三相異步電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)。 王鴻鵠(1981—)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)、異步電機(jī)的設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算。

TM 343

A

1673-6540(2017)03- 0054- 05

2016 -12 -12