鄭偉生

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

電動(dòng)機(jī)是工業(yè)用電設(shè)備中占比最高的電氣設(shè)備，而電動(dòng)機(jī)需求最大的是中型異步電動(dòng)機(jī)。提高電動(dòng)機(jī)功率密度，實(shí)現(xiàn)成本更低、效率更優(yōu)是中型異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的方向和目標(biāo)，也是電機(jī)制造廠家提升行業(yè)競爭力的有力保證。在電機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中，如何降低電機(jī)損耗、提升通風(fēng)效果是電機(jī)研究的關(guān)鍵，對提高電機(jī)產(chǎn)品的溫升和效率指標(biāo)、電磁參數(shù)選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均有積極的指導(dǎo)意義。本文以混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)作為研究對象，提出適用于所有混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)（包括電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）風(fēng)路試驗(yàn)的通用性方法，對測量電機(jī)鐵心和線圈溫度、電機(jī)內(nèi)部各處風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)的試驗(yàn)方法均有很高的指導(dǎo)意義。

1 電動(dòng)機(jī)通風(fēng)研究現(xiàn)狀分析

目前，我公司對常規(guī)高效異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，溫升方面僅在通風(fēng)溝寬度、等距和不等距方面作了一些研究，沒有對電機(jī)一次風(fēng)路、二次風(fēng)路以及風(fēng)扇做系統(tǒng)性研究。定子繞組溫升多采用理論公式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將新設(shè)計(jì)電機(jī)與參考電機(jī)的計(jì)算值進(jìn)行對比，結(jié)合參考電機(jī)的溫升計(jì)算值，來判斷新設(shè)計(jì)電機(jī)的繞組溫升。對于大多數(shù)電動(dòng)機(jī)而言，其理論計(jì)算值與實(shí)際試驗(yàn)溫升值相差10～30K，而軸承溫升無法做準(zhǔn)確的計(jì)算和判斷，因此造成電機(jī)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)偏大。

現(xiàn)在國內(nèi)外多利用三維建模以及仿真計(jì)算對電機(jī)繞溫升及通風(fēng)損耗進(jìn)行研究，并以試驗(yàn)參數(shù)作為支撐，而我公司對常規(guī)高效電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的通風(fēng)損耗仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證方面投入的較少，積累的仿真數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，造成在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，無法對現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到在節(jié)約成本的同時(shí)，提高電機(jī)的效率，降低電機(jī)溫升，保證電機(jī)安全可靠運(yùn)行。因此，本課題研究顯得尤為迫切和重要。

2 試驗(yàn)電機(jī)冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)簡述

本課題研究的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品為臥式安裝的全封閉空空冷異步電動(dòng)機(jī)，空空冷卻器位于電機(jī)頂部。在電機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)側(cè)安裝內(nèi)風(fēng)扇，在電機(jī)外部非傳動(dòng)側(cè)安裝外風(fēng)罩及外風(fēng)扇。在電機(jī)內(nèi)部，內(nèi)風(fēng)扇將熱空氣吹入冷卻器，熱空氣流經(jīng)冷卻器冷卻后，進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的冷風(fēng)先冷卻非傳動(dòng)端線圈端部，一路風(fēng)進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸肋到達(dá)內(nèi)風(fēng)扇處，一路風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)子風(fēng)溝、氣隙、定子風(fēng)溝冷卻直線段線圈，然后經(jīng)定子鐵心背部、鐵心傳動(dòng)端幅板通風(fēng)孔，冷卻傳動(dòng)端線圈端部，最后到達(dá)內(nèi)風(fēng)扇處，形成內(nèi)循環(huán)風(fēng)路；在電機(jī)外風(fēng)路，同軸的離心風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)抽吸外部環(huán)境空氣流經(jīng)折流板，冷卻器管再送至環(huán)境，形成開啟式通風(fēng)方式。

3 風(fēng)路測量內(nèi)容

測量內(nèi)容包括鐵心溫度、風(fēng)溫、風(fēng)壓和風(fēng)速。測量風(fēng)路包括一次風(fēng)路和二次風(fēng)路。測量位置包括定子鐵心、線圈端部、內(nèi)風(fēng)扇處、冷卻器出風(fēng)口處、外風(fēng)扇處。

4 風(fēng)路測量設(shè)備

（1）溫度測量：熱電偶、測溫試紙、PT100。（2）風(fēng)壓測量：壓力傳感器。（3）風(fēng)速測量：風(fēng)速葉輪、testo450風(fēng)速測量儀（可同時(shí)測量溫度）。（4）其他設(shè)備：風(fēng)阻擋板、冷卻器支架和千斤頂。

5 風(fēng)路測量方法

5.1 鐵心及線圈端部溫度測量

（1）在鐵心外圓處放置17個(gè)測溫試紙（每個(gè)鐵心段1個(gè)，徑向位于頂部位置）。（2）插轉(zhuǎn)子前，在線圈端部外圓及內(nèi)圓處貼測溫試紙，每端貼8片（線圈內(nèi)圓、外圓各4片），共16片。徑向位置分別為3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)方向。（3）利用電機(jī)產(chǎn)品自帶的6個(gè)層件RTD測溫元件Pt100，測量定子繞組溫度。（4）記錄各處的實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，以分析電機(jī)鐵心及線圈端部溫度分布規(guī)律。

5.2 一次風(fēng)路的測量

（1）一次風(fēng)路的風(fēng)溫測量。在鐵心段軸向安裝5個(gè)熱電偶，用于測量鐵心段處風(fēng)溫分布情況。同時(shí)在電機(jī)進(jìn)出風(fēng)口機(jī)座壁上各安裝4個(gè)測風(fēng)溫裝置（圓周均布，分布在3、6、9、12點(diǎn)位置，電機(jī)產(chǎn)品自帶2個(gè)測風(fēng)溫裝置，新增6個(gè)熱電偶）測量進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)溫。記錄各處風(fēng)溫?cái)?shù)據(jù)，以便分析一次風(fēng)路的風(fēng)溫分布情況。（2）一次風(fēng)路的風(fēng)壓測量。在內(nèi)風(fēng)扇外圓處、傳動(dòng)端線圈端部外圓處、電機(jī)進(jìn)風(fēng)口處分別安裝1個(gè)壓力傳感器，共3個(gè)，測量并記錄風(fēng)壓值，以分析一次風(fēng)路風(fēng)壓降。（3）一次風(fēng)路的風(fēng)速測量。如圖1所示，將冷卻器旋轉(zhuǎn)180°，旋轉(zhuǎn)后，冷卻器一次風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口仍壓緊在電機(jī)出風(fēng)口位置，冷卻器左側(cè)放置在支架上，然后在圖示冷卻器一次風(fēng)路出風(fēng)口位置安裝testo450風(fēng)速測量儀，記錄數(shù)據(jù)，以測量內(nèi)風(fēng)路風(fēng)速（外風(fēng)路風(fēng)扇拆除）。

圖1 風(fēng)速測量示意圖

5.3 二次風(fēng)路的測量

在測量一次風(fēng)路的風(fēng)溫時(shí)，用testo450風(fēng)速測量儀（可同時(shí)測量風(fēng)溫）分別在風(fēng)扇罩外側(cè)和冷卻管出風(fēng)口處測量風(fēng)溫、風(fēng)速，用壓力傳感器在外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口位置及冷卻管出風(fēng)口處測量風(fēng)壓，每處各記錄3組數(shù)據(jù)，以分析電機(jī)二次風(fēng)路特性。

5.4 外風(fēng)扇特性及外風(fēng)路特性分析

（1）風(fēng)扇損耗測量（冷卻器正常安裝）。①去掉內(nèi)、外風(fēng)扇，電機(jī)旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，記錄空載損耗值，求得風(fēng)摩耗P1。②只安裝內(nèi)風(fēng)扇，電機(jī)旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，記錄空載損耗值，求得風(fēng)摩耗P2。

（2）安裝內(nèi)、外風(fēng)扇，電機(jī)旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，記錄空載損耗值，求得風(fēng)摩耗P3。根據(jù)損耗測量結(jié)果，內(nèi)風(fēng)扇損耗值為P2-P1，外風(fēng)扇損耗值為P3-P2。

（3）外風(fēng)扇特性分析。外風(fēng)扇作為旋轉(zhuǎn)的壓力提供元件，其氣動(dòng)特性是通過改變外風(fēng)路風(fēng)阻，測量不同風(fēng)阻條件下流經(jīng)風(fēng)扇流量以及風(fēng)扇兩端壓差獲得的。在額定轉(zhuǎn)速下，在冷卻管出風(fēng)口處用風(fēng)阻工裝板調(diào)整出風(fēng)口的面積（調(diào)節(jié)風(fēng)路阻力），測量外風(fēng)扇出口與冷卻器出口風(fēng)壓降，同時(shí)測量外風(fēng)扇的風(fēng)速，繪制風(fēng)扇特性曲線（工裝板安裝位置見圖2）。

圖2 冷卻器出風(fēng)阻力調(diào)節(jié)

（4）外風(fēng)路的風(fēng)阻特性。電機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為100r/min、

200r/min，300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、750r/min；測量外風(fēng)扇出口與冷卻器出口風(fēng)壓降，同時(shí)測量外風(fēng)扇的風(fēng)速，繪制外風(fēng)路風(fēng)阻曲線。（5）內(nèi)風(fēng)扇及內(nèi)風(fēng)路特性分析。內(nèi)風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子通風(fēng)道為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)比較困難，建議制作單獨(dú)工裝或去專業(yè)廠家進(jìn)行風(fēng)扇特性曲線測繪；內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻特性分析，建議增加參考風(fēng)扇（已知該風(fēng)扇的風(fēng)扇特性曲線），在電機(jī)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置接口，對電機(jī)按圖2進(jìn)行鼓風(fēng)，測量風(fēng)量，通過不同轉(zhuǎn)速或不同參考風(fēng)扇繪制出內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻特性曲線。

5.5 溫升試驗(yàn)

由于我公司直流試驗(yàn)站拖動(dòng)機(jī)容量有限，本課題采用了定子疊頻法進(jìn)行溫升試驗(yàn)。疊頻法詳細(xì)過程參照GB/T1032。試驗(yàn)基本過程包括空載溫升試驗(yàn)、降低電壓定子疊頻溫升試驗(yàn)、確定額定負(fù)載條件下溫升。定子疊頻法的主要試驗(yàn)線路圖見圖3。

圖3 試驗(yàn)線路圖

圖中U為主電源電壓；f為主電源頻率；U′為副電源電壓；f′為副電源頻率。

6 風(fēng)路測量步驟

（1）下線時(shí)，安裝層件測溫元件RTD，用于測量定子繞組溫度。（2）插轉(zhuǎn)子前，定子繞組端部貼測溫試紙。此時(shí)，未安裝冷卻器。（3）裝軸承前：①通風(fēng)道貼測溫試紙，試紙位于定子鐵心背部。②定子機(jī)座進(jìn)、出風(fēng)口安裝熱電偶。③定子鐵心段安裝熱電偶。④在內(nèi)風(fēng)扇外圓處、傳動(dòng)端線圈端部外圓處、電機(jī)進(jìn)風(fēng)口處安裝壓力傳感器。（4）冷卻器正常安裝。①風(fēng)扇損耗測量：a.不裝內(nèi)風(fēng)扇，測空載損耗，即通風(fēng)道的風(fēng)摩耗P1；b.裝內(nèi)風(fēng)扇，測空載損耗，即通風(fēng)道+內(nèi)風(fēng)扇的風(fēng)摩耗P2；c.冷卻器旋轉(zhuǎn)180°，測量一次風(fēng)路風(fēng)速。②二次風(fēng)路測量。a.測量二次風(fēng)路風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)速；b.變轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)錯(cuò)位工裝板位置，測量外風(fēng)扇風(fēng)壓及風(fēng)速，以獲得外風(fēng)扇特性曲線；c.電機(jī)旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，測空載損耗，即通風(fēng)道+內(nèi)風(fēng)扇+外風(fēng)扇的風(fēng)摩耗P3。

7 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）為方便埋置鐵心段處的風(fēng)溫測量元件，電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)座頂部鐵心段處不能封死。試驗(yàn)時(shí)，可用3mm厚的鋼板Q235A作為工裝板把合在此處。（2）測量一次風(fēng)路風(fēng)速時(shí)，需用工裝支架和千斤頂支撐冷卻器。選擇適當(dāng)厚度的風(fēng)阻工裝板，每次調(diào)整位置后，固定好風(fēng)阻板，以免外風(fēng)路風(fēng)壓過大，風(fēng)阻板被吹開引起漏風(fēng)，影響試驗(yàn)效果。（3）線圈端部溫度貼片需在插轉(zhuǎn)子前完成。

8 結(jié)語

電機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)研究是一個(gè)系統(tǒng)性工程，它對電機(jī)電磁參數(shù)選取、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、流體設(shè)計(jì)、冷卻器及風(fēng)扇選型等均有重要的指導(dǎo)意義。本課題針對混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)提出的風(fēng)路測量試驗(yàn)方法，部分試驗(yàn)方法同樣適用于徑向通風(fēng)異步電動(dòng)機(jī)以及大中型同步電機(jī)的風(fēng)路試驗(yàn)研究中。