董立云

摘 要：為追求小體積等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，緊湊型高壓異步電動機溫升問題一直存在。文章以某國產(chǎn)6kV緊湊型高壓高效三相異步電動機Y2-6305-12電機為例，對轉(zhuǎn)子軸向通風孔優(yōu)化設計進行研究。文章嘗試在不改變Y2-6305-12其他參數(shù)條件下，僅通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子軸向通風孔，達到改善該型號電機整體冷卻能力、實現(xiàn)電機溫升控制的目標。最終結(jié)果表明，在一定條件下通過增大轉(zhuǎn)子通風孔內(nèi)部與空氣對流的接觸面積，能夠達到優(yōu)化設計目的。

關鍵詞：緊湊型高壓異步電動機;Y2-6305-12;轉(zhuǎn)子;控溫優(yōu)化

中圖分類號：TU411.7 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0140-03

Optimization Design of Rotor Axial Vent of Compact High Voltage asynchronous Motor

Dong Liyun

（Xi an Medical College， Xi an 710016， China）

Abstract：In order to pursue the structural advantages of small size， the temperature rise problem of compact high-voltage asynchronous motor has always existed. In this paper， the optimal design of rotor axial vent is studied by taking a domestic 6kV compact high voltage and high efficiency three-phase asynchronous motor Y2-6305-12 as an example. This paper attempts to improve the overall cooling capacity of this type of motor and achieve the goal of temperature rise control of the motor only by optimizing rotor axial ventilation holes without changing other parameters of Y2-6305-12. The final results show that the optimal design can be achieved by increasing the contact area between rotor vents and air convection under certain conditions.

Key words：compact high-voltage asynchronous motor; Y2-6305-12; rotor; optimization of temperature control

0 引言

緊湊型高壓異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，是當前電機市場主流產(chǎn)品。然而，隨著電機技術(shù)的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的電機卻一直受限于自身結(jié)構(gòu)特征而無法實現(xiàn)有效的溫升控制。緊湊型高壓異步電動機溫升控制方法、技術(shù)等，也始終是電機研發(fā)領域重點攻關方向之一[1]。出于通風散熱需求，緊湊型高壓異步電動機在實際作業(yè)過程中，均需要在電機轉(zhuǎn)子軸向開設通風孔，為實現(xiàn)電動機整體冷卻能力提升，通風孔的形狀、排列規(guī)律、數(shù)量、直徑等均會對電機軸向通風效果產(chǎn)生影響。本文以某國產(chǎn)6kV緊湊型高壓異步電動機為例，對該電機軸向通風孔進行優(yōu)化設計，旨在不改變該電機其他參數(shù)條件下，獲得電動機溫升控制能力的提升，實現(xiàn)電動機較高的材料利用率，提升作業(yè)可靠性。

1 Y2緊湊型高壓異步電動機

Y2-6305-12緊湊型高壓異步電動機（以下簡稱Y2）為西安電機廠Y2系列6kV高壓三相異步電機。Y2定額頻率為50Hz，額定電壓為6kV，防護等級為IP54，冷卻方式為IC411，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、高效、節(jié)能、噪音低、振動小，重量輕、性能可靠、安裝維修方便等優(yōu)點。這為本文的轉(zhuǎn)子軸向通風孔優(yōu)化奠定了基礎。Y2一般性能指標如表1所示。功率3kW以下接法為Y接法;其他功率均為△接法。

2 軸向通風孔優(yōu)化設計

2.1 Y2-6305-12電動機結(jié)構(gòu)

Y2系列電機機座外輪廓呈四方形兼圓形，散熱片呈垂直，水平平行分布，全部采用鑄鐵結(jié)構(gòu)，內(nèi)部風路流動方向如圖1所示。該電動機裝有一全封閉自冷風扇，其直徑大于轉(zhuǎn)子外徑很多，因而需要采用軸向通風獲得較高的通風效能[2-4]。系統(tǒng)作業(yè)時，熱量主要借助通風孔在離心內(nèi)風扇的作用下流至底機座由機座外散熱片帶走，其余小部分熱量通過機座表面散熱片由外風帶走。然而，由于受軸向通風原理影響，該通風模塊在用于軸向長度很大的電機中繞組結(jié)構(gòu)時，容易導致繞組部分局部溫度較高等問題，影響電機長期穩(wěn)定工作，此時必須對通風孔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以適應不同場景對電動機的需求。

2.2 通風孔優(yōu)化設計

根據(jù)Y2系列電機結(jié)構(gòu)與電機內(nèi)部風路流動方向分析，本文在假設電機基本結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大變化，其他參數(shù)基本保持不變條件下，通過優(yōu)化通風孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子冷卻能力提升。按照李學武等（2020）[5]中有關通風孔對轉(zhuǎn)子散熱影響的分析，通風孔對轉(zhuǎn)子散熱能力影響主要體現(xiàn)在通風孔內(nèi)表面與空氣對流接觸面積。因此，本文以3臺Y2-6305-12電機為實驗對象，通過不同的軸向通風孔設計變化獲得最佳設計方案。實驗3種方案關于緊湊型高壓異步電動機轉(zhuǎn)子軸向通風孔設計參數(shù)如表2所示。

其中方案Ⅰ與方案Ⅱ保持截面總面積相同，但孔數(shù)存在差異;方案Ⅱ與方案Ⅲ保持孔數(shù)相同但截面總面積存在差異;方案Ⅱ與方案Ⅲ則孔數(shù)、截面總面積之間均存在較大差異;其他指標所代表含義如圖2所示。

按照式（1）、（2）對圖2結(jié)構(gòu)不同方案界面總面積、接觸面積進行計算，得到表3所示3種方案，截面總面積與接觸面積對比情況。

截面總面積=通風孔數(shù)量×單個通風孔截面面積

接觸面積=通風孔數(shù)量×單個通風孔界面周長

×鐵芯長

方案Ⅰ、Ⅱ通風孔截面總面積差距比例0.7，可視為相同，此時方案Ⅱ的通風孔內(nèi)表面總面積（接觸面積）較方案Ⅰ大約35.6%;方案Ⅰ、Ⅲ通孔數(shù)量、截面總面積均不同，方案Ⅲ最終得到的通風孔內(nèi)表面總面積較方案Ⅰ大約54.9%;方案Ⅱ、Ⅲ通風孔數(shù)量相同，但方案Ⅲ最終得到的的通風孔內(nèi)表面總面積較方案Ⅱ大約14.3%。盡管通風孔內(nèi)表面總面積最大的為方案Ⅲ，但由于方案Ⅲ在增大通風孔截面總面積的同時會導致孔內(nèi)風壓降低，因此尚不能確定方案Ⅲ為最佳優(yōu)化方案。

3 不同方案對電機性能總體影響分析

3.1 對電機磁場的影響

利用ANSYS Maxwell軟件構(gòu)建3種不同方案二維瞬態(tài)場模型。按照電機工作時間為1s秒條件對3種方案中通風孔對電機磁場的影響進行分析，構(gòu)建圖3所示的電機代表性位置磁密試驗方案。

通過對圖3所示各指標進行計算，得到表4所示3種不容方案下統(tǒng)一型號電機各位置磁密最大值。

由實驗所得數(shù)據(jù)可知，方案Ⅰ、Ⅱ定子軛部、定子齒部、氣隙、轉(zhuǎn)子齒部四項指標數(shù)據(jù)值幾乎完全一致;方案Ⅲ相同指標值中定子軛部、定子齒部磁密較方案Ⅰ、Ⅱ略高，氣隙、轉(zhuǎn)子齒部磁密較方案Ⅰ、Ⅱ略低，但相差不大，幾乎可以忽略。根據(jù)電機鐵芯損耗的計算方式可知，電機鐵心損耗與電機工作頻率的1.3次方、磁通密度平方、鐵心重量之間的關系為正相關[6-8]。由于3個方案在該4項指標中數(shù)值相差不大，因而3個方案在電機鐵芯損耗方面并沒有明顯差異。

3方案中通風孔對氣隙磁密的影響需要充分考量基波、高次諧波等數(shù)據(jù)變化情況以及最大值情況，但表3中數(shù)據(jù)無法體現(xiàn)，需要重新進行傅里葉分解。

3方案在轉(zhuǎn)子軛部磁密方面表現(xiàn)出了較大差異性，因此需要針對該指標三項分指標對電機額定電流和功率因數(shù)的影響進行著重分析。

3.2 對電機氣隙磁場的影響

假設3種試驗方案中試驗用電動機為額定穩(wěn)態(tài)，在電機工作時間相同的條件下，對一個周期內(nèi)3種不同方案電機氣隙磁場進行傅里葉分解，結(jié)果表明，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ氣隙基波與高次諧波變化情況、極值情況、幅值情況幾乎完全相同，而方案Ⅲ在高次諧波變化方面則較為明顯，轉(zhuǎn)子雜耗較方案Ⅰ、Ⅱ更高。

3.3 對功率因數(shù)的影響

為充分驗證通風孔對緊湊型高壓異步電動機散熱控制等的影響，本文假設同時忽略3種方案中的定子阻抗，以獲得理想狀態(tài)下的近似等效電路。此時，對3種方案的功率因數(shù)角ψ進行計算，獲得感應電機通風孔對功率因數(shù)的影響情況。ψ的計算方法如式（3）[9]：

其中，T為電動機工作周期（電機額定頻率的倒數(shù)），通過該電機額定頻率50Hz可出該電機轉(zhuǎn)子工作周期為0.02s;?T為電機作業(yè)過程中定子電流I起始時刻與感應電壓U起始時刻之間的時間差，計算方法為：

最終得到3種方案ψ值分別為ψⅠ=0.93，ψⅡ=0.93，ψⅢ=0.92;?TⅠ=77K，?TⅡ=69K，?TⅢ=64K。3種方案中，方案Ⅲ的功率因數(shù)值最低。因此，該方案的定子電流值為3種方案中最高，定子銅耗也較大。在通風孔截面總面積值為一變化值，通風孔數(shù)量固定時，方案Ⅲ因電機功率因數(shù)值降低而帶來的負面效應較高。

4 結(jié)語

綜上所述，對于Y2-6305-12緊湊型高壓異步電動機而言，在其他額定頻率等因素不變條件下，通過改變通風孔結(jié)構(gòu)、通風孔數(shù)量等均能夠顯著影響電動機內(nèi)部通風效能，3種方案最終的實測溫升結(jié)果表明，方案Ⅲ盡管能夠獲得最低的溫升效果，但由于增加了額外的銅耗和轉(zhuǎn)子雜耗，廠家或產(chǎn)品研發(fā)部門需要根據(jù)自身產(chǎn)品定位、定價等進行實際選擇。

參考文獻

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