(河北乾順節(jié)能科技有限公司 ，河北邯鄲 314001)

0 引言

電動機中應設法減少鐵心損耗和在定、轉子中電阻發(fā)熱損耗。為了防止絕緣系統(tǒng)的高溫對電機的毀壞,主要是消除這些損耗產生的熱量。消除熱量使用的一種方法是內外風扇的組合方法。在一臺全封閉型扇冷式電機中,有兩只電機軸帶動的風扇，其中一個在電機機座內。它們使空氣在轉子和定子的端部流通將熱量帶走。然后這空氣由擋風系統(tǒng)引導到端蓋的冷卻表面。由于對流和傳導的聯(lián)合作用,熱量消散到電機外部。一個外風扇吹走了電機機殼上的空氣。熱量通過機殼傳出(機殼與定子直接連接),然后用外風扇強迫對流帶走。

1 高壓隔爆型三相永磁同步電動機冷卻方式

在TBF系列風機用高壓隔爆型三相永磁同步電動機，其轉子改為永磁體勵磁，冷卻方式為IC411帶內風扇的風路的設計，現(xiàn)對其冷卻風路進行優(yōu)化設計。

1 電機基本定額參數

以400kW-8極典型規(guī)格為例進行分析。

(1)相數m：3

(2)額定頻率f：50Hz

(3)額定功率P：400kW

(4)額定電壓Un：6000V

(5)額定電流In：43.04A

(6)極數：2p=8

(7)額定效率η：96.4%

(8)功率因數cosΦ：0.931

(9)最大轉矩倍數Tmax：2.33

(10)起動電流倍數Tst：7.27

(11)起動轉矩倍數Tst：2.32

2 發(fā)熱計算

2.1 以下全部是電機工作額定功率時的損耗

銅耗

Pcu=mI2R=2671.9W

鐵耗

PFe=(k1pt1vt1+k2pt2vt2)=4357.7W

雜耗

機械耗按經驗值取額定功率的1%

Pj=4000W

3.2 內風扇功率

內離心風扇外形見圖1，內外冷卻風扇位置見圖2。

圖1 內離心風扇外形

按比轉速n選用，一般額定轉速n>1000時選擇軸流風扇，否則選離心風扇。

式中，η—風扇的能量效率。對于徑向式葉片取η=0.15-0.2。

離心風機的實際空載風壓H

H=ηa0ρ(u22-u12)

H=ηa0ρ(u22-u12)=442.38N/m2

對徑向式葉片ηa0=0.6

式中，ρ—氣體密度，空氣1.29kg/m3；u2、u1—風扇葉輪外徑和內徑的線速度，m/s；D—風扇葉輪外徑和內徑，m；n—風扇轉速，r/min。

離心風機的最大風量Q

Q=0.42u2S2=2.74m3/s

S2≈0.92πD2b=0.26

3.3 發(fā)熱總量

帶內風扇總發(fā)熱功率Pf

Pf=PCu+PFe+PS+Pj+Pv=17.55kW

去掉內風扇發(fā)熱功率Pw

Pw=PCu+PFe+PS+Pj=15.01

圖2 內外冷卻風扇位置

3.4 內風扇

在TBF系列高壓隔爆型三相永磁同步電動機里面內風扇的主要作用是為轉子散熱，因是防爆電動機故內腔里面的空氣不與外部環(huán)境空氣接觸。在機殼上開設通風道來讓內風扇帶動電動機內腔的空氣在軸向流通。把內腔空氣吹到非軸伸端蓋，通過外風扇的空氣對流來帶走非軸伸端蓋上內腔轉子交換到端蓋上的熱量，起到散熱的作用。

而永磁電動機的轉子勵磁為永磁體，其工作時不產生熱量，從圖2中藍色橢圓內看內風扇對線圈端部沒有起到太大的散熱作用。而內風扇旋轉則需要2.54kW來驅動。非軸伸端蓋因現(xiàn)采用了不帶導風槽的平面結構，散熱面積不夠，從而沒有起到理想散熱效果。

因風路是在一個密閉的機殼內部循環(huán)，風機本身需要的功率大于通過非軸伸端蓋散出去熱量，使其內風扇本身變成了一個發(fā)熱源。

3 電機散熱面積

電機外殼見圖3，機座筒外形見圖4。

圖3 機殼外形

圖4 機座筒外形

機殼外表面積S1

S1=d2πL=3.15m2

通風孔加出線口面積S2

S2=(180×310×4)+(290×180×4)+

(180×180)

=0.3m2

散熱筋面積S3(按散熱筋兩面全部參加散熱)散熱筋有5種規(guī)格

S3=(2×70×38×1245)+(2×70×12×

945)+(2×70×4×403)+(2×70×

4×438)+(2×70×4×180)

S3=8.78m2

機殼外表面槽鋼占面積S4

S4=4×244×1250=1.22m2

去掉槽鋼后增加散熱筋面積S5

S5=2×70×24×1245=4.1m2

帶內風扇的散熱面積

S內=S1-S2+S3-S4=10.41m2

無內風扇的散熱面積

S無內=S1+S3+S5=16.03m2

去掉槽鋼后散熱面積比

散熱面積增加了26%

槽鋼的散熱面積和帶槽鋼的總散熱面積比

4 電動機的溫升

4.1 溫升計算

假定電動機是一個均勻的發(fā)熱體，其比熱和散熱系數均為長數，電動機各部分溫度均勻。

假設電動機向周圍介質溫差成正比，而與電動機本身溫度無關。

基于以上分析和假設，我們可以從電動機產生的熱量和使電動機向外散熱面積及冷卻方式出發(fā)來推算電動機的溫升。

式中，θ—電動機溫升，K；ΔP—電動機損耗之和，W；s—電動機的散熱面積，m2；K—計算系數水冷取65;空冷取24.5。

帶內風扇和風路溫升

去掉內風扇和風路在增加機殼表面的散熱筋

4.2 電機的發(fā)熱曲線

圖5 試驗樣機

圖6為TBF隔爆型自啟動三相永磁電動機試驗樣機。根據樣機試驗得出來溫升數據見表1。

圖6 TBF隔爆型自啟動三相永磁電動機試驗樣機

時間U相溫度(℃)V相溫度(℃)W相溫度(℃)驅動端軸承溫度(℃)非驅動端軸承溫度(℃)9.1525.425.525.425.725.99.4534.834.135.339.237.410.1549.550.150.254.656.810.4560.560.960.665.467.411.1563.863.463.660.559.811.4565.965.765.755.358.412.1565.865.565.255.658.6

5 結語

高壓永磁同步電動機去掉內風扇和內風扇風路，并在機殼表面增加了24根散熱筋。溫升由于68.8K下降到40.2K效果明顯。所以TBF系列IC411冷卻方式的電動機，優(yōu)化為去掉內風扇和對應的內風路結構。其結構更簡單、性能更好、成本降低。

[1] 徐九芳.工業(yè)電動機冷卻風扇的優(yōu)化設計.中小型電機，1987.03.

[2] GB 755—2008 旋轉電機，定額和性能.

[3] 陳世坤.電機設計.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[4] 唐任遠. 現(xiàn)代永磁電機理論與設計.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[5] 黃國治，傅豐禮.中小型旋轉電機設計手冊.北京：中國電力出版社，2011.

[6] 王秀和.永磁電機，第二版.北京：中國電力出版社，2011.