高效電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

鄭國麗,　周黎民,　鄧堯強,　曹　飛,　黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南 株洲　412001)

高效電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

鄭國麗,周黎民,鄧堯強,曹飛,黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001)

以某異步電動機為例，從通風(fēng)系統(tǒng)方式、風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、冷卻器結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子風(fēng)道分布、銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的選用5個方面，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，說明了高效率節(jié)能型電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化方向。結(jié)論對高效節(jié)能型電機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。

高效電機； 風(fēng)路結(jié)構(gòu)； 參數(shù)優(yōu)化

0　引　言

電機作為種種設(shè)置配備的動力源，遍及應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)、修建及公共設(shè)施等各范疇。高效率節(jié)能型電機不僅可以節(jié)約電能，還可以帶動壓縮機、水泵、風(fēng)機等設(shè)置配備提高能效水平，繼而提高我國整個配備制造業(yè)的能效水平，因此高效電機的推廣勢在必行。高效電機的發(fā)展動向為高效率、高功率因數(shù)、節(jié)約能源、溫升低、噪聲低、振動小、運行穩(wěn)定可靠、外形小型化、維修使用方便快捷。

電機向高效率小型化發(fā)展，電機的發(fā)熱問題將成為單機容量增長的主要障礙，是電機設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1-5]。本文以某異步電動機為例，通過對電機結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對比分析，詳細敘述了幾種電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機冷卻設(shè)計的影響。對高效節(jié)能型電機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的主要有： (1) 降低溫升。在有限的空間改變風(fēng)路，提升散熱能力。(2) 提高定子繞組溫度分布均勻性。(3) 降低機械損耗，提高效率。基于以上目的，高效節(jié)能型電機在設(shè)計過程中可以從以下幾個方面考慮改進結(jié)構(gòu)： (1) 通風(fēng)系統(tǒng)方式；(2) 風(fēng) 扇結(jié)構(gòu)；(3) 冷卻器結(jié)構(gòu)；(4) 定轉(zhuǎn)子風(fēng)道分布；(5) 銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的選用。本文將著重從這5個方面介紹如何優(yōu)化提高電機的冷卻效果。

1　通風(fēng)系統(tǒng)方式

電機的通風(fēng)冷卻效果與冷卻介質(zhì)在電機內(nèi)的運動方式密切相關(guān)，不同類別的電機需要選用不同的通風(fēng)系統(tǒng)以保證電機的有效冷卻，使電機各發(fā)熱部位的溫升不超過允許溫升標準。為把電機損耗轉(zhuǎn)化的熱量全部傳給電機周圍的冷卻空氣，要求冷卻空氣盡量接觸電機的發(fā)熱部件，包括繞組、鐵心、結(jié)構(gòu)件等。其風(fēng)路又要與電機的電路結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。電機內(nèi)部風(fēng)路布置有3種方式： (1) 徑向通風(fēng)；(2) 軸向通風(fēng)；(3) 軸徑向混合通風(fēng)。

針對高效電機，本文著重介紹采用徑向通風(fēng)系統(tǒng)和混合通風(fēng)系統(tǒng)的不同。電機冷卻方式為IC611，冷卻裝置為空氣冷卻器，內(nèi)外風(fēng)路各形成自循環(huán)風(fēng)路，內(nèi)風(fēng)路為雙側(cè)對稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)時，在轉(zhuǎn)子作用下將空氣由兩側(cè)流入，各自形成獨立風(fēng)路，每一風(fēng)路分為兩支路，一支風(fēng)路經(jīng)繞組端部，另一支風(fēng)路在轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽片的作用下進入轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)道后流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子徑向通風(fēng)道，兩路氣流在定子鐵心外圓的機座腔內(nèi)匯合后經(jīng)帶有冷卻器管的冷卻腔，將熱量傳遞給外風(fēng)路散發(fā)后繼續(xù)循環(huán)。通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　徑向通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

內(nèi)風(fēng)路為單側(cè)軸徑向混合通風(fēng)系統(tǒng)時，機座內(nèi)的風(fēng)路分為兩個并聯(lián)循環(huán)的支路，一路經(jīng)過繞組一端端部進入定子鐵心外圓的機座腔，另一路進入轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)道，流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子的徑向通風(fēng)槽，與前一路在機座腔匯合后再流向繞組另一端部，在內(nèi)風(fēng)扇驅(qū)動下送入有冷卻管的冷卻腔，將熱量傳遞給外風(fēng)路散發(fā)后繼續(xù)循環(huán)。通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　軸徑向混合通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

徑向通風(fēng)和軸徑向混合通風(fēng)方式相比較： (1) 由于徑向通風(fēng)方式無須內(nèi)置風(fēng)扇，徑向通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)損耗小；(2) 采用徑向通風(fēng)系統(tǒng)，定子繞組沿軸向的溫度分布相對均勻；(3) 電機定轉(zhuǎn)子、冷卻器結(jié)構(gòu)不變，電機內(nèi)置風(fēng)扇，改變冷卻器隔板，將徑向通風(fēng)改為混合通風(fēng)，定子繞組的平均溫升明顯降低。高效電機選用通風(fēng)系統(tǒng)時應(yīng)考慮以上因素，即溫升滿足要求時應(yīng)選用徑向通風(fēng)系統(tǒng)，因機械損耗小可提高電機效率并且繞組溫度分布均勻，減少溫差引起的變形等不利影響；而定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一定，溫升超過允許限值時，可采用軸徑向混流通風(fēng)系統(tǒng)提高電機冷卻效果。

2　外風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

風(fēng)扇的正確選擇和設(shè)計直接關(guān)系到整個電機的效率，傳統(tǒng)的異步電機大多采用徑向離心式風(fēng)扇，風(fēng)扇外徑大，葉片數(shù)目多，導(dǎo)致電機運行時機械損耗大，風(fēng)扇效率低。因此改善風(fēng)扇結(jié)構(gòu)是提高電機效率的一種有效方法。

外風(fēng)路其他結(jié)構(gòu)完全相同，如圖3所示。僅改變風(fēng)扇葉片的傾角進行計算，結(jié)果如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，風(fēng)扇其他結(jié)構(gòu)不變，采用后傾風(fēng)扇與徑向風(fēng)扇相比，風(fēng)量增加了23%，機械損耗降低了32%。采用后傾風(fēng)扇不僅降低了機械損耗，而且風(fēng)量增加，因此高效電機外風(fēng)扇應(yīng)采用后傾離心式風(fēng)扇。

圖3　外風(fēng)路示意圖

傾角β風(fēng)量/(m3·s-1)風(fēng)扇機械損耗/kW0°徑向1.6344.01770°2.0112.723

3　冷卻器結(jié)構(gòu)

冷卻器作為電機的熱交換裝置，其換熱能力直接影響電機的冷卻效果。對于空冷異步電機采用的空氣冷卻器，合理排列冷卻管，布置管間距及管徑、冷卻管數(shù)對提升電機的散熱能力具有重要作用。

冷卻器管排列方式為叉排矩形排列，如圖4所示。針對兩種排列進行比較，排列1： 橫向管間距s1=29.5mm，縱向管間距s2=29.5mm，布置548×φ22mm根管；排列2： 橫向管間距s1=22mm，縱向管間距s2=19.05mm，布置750×φ16mm根管。計算結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)外風(fēng)路的體積流量一定，散熱量相同，排列1的散熱面積儲備系數(shù)遠低于排列2，導(dǎo)致了定子繞組平均溫升偏高，說明改變冷卻器管的布置方式可作為高效電機降低溫度水平的一種有效方法。高效電機冷卻器設(shè)計時應(yīng)綜合考慮散熱面積、對流換熱系數(shù)、散熱儲備系數(shù)等參數(shù)。

圖4　冷卻器叉排示意圖

參 數(shù)排列1排列2名稱熱空氣冷空氣熱空氣冷空氣體積流量Qv/(m3·s-1)1.31252.51.31252.5介質(zhì)進口溫度T1/(℃)1024010240介質(zhì)出口溫度T2/(℃)6062.56062.5散熱量Q/kW55.855.8對數(shù)平均溫差△tm/(K)27.4527.45冷卻面積F/m265.566.2傳熱系數(shù)K/(W/m2K)29.7937.7散熱面積儲備系數(shù)ψ/(%)-0.9623繞組平均溫升T/K9387

4　定轉(zhuǎn)子風(fēng)道分布

電機繞組溫度的提高一方面會影響所用絕緣結(jié)構(gòu)的性能和壽命，另一方面會引起某些相關(guān)零部件材料中的熱應(yīng)力增大，并且繞組沿定子鐵心軸向溫度分布不均勻，會增加因熱膨脹不均引起的變形從而導(dǎo)致絕緣壽命降低。因此電機的溫升計算，不僅要求繞組的最高溫升低于允許的溫升限度，而且需要提高繞組沿軸向溫度分布的均勻性。

合理布置定轉(zhuǎn)子通風(fēng)道，可以使冷卻風(fēng)量按照適當(dāng)比例沿定轉(zhuǎn)子的冷卻風(fēng)道分別流動，保證冷卻介質(zhì)和定轉(zhuǎn)子中各發(fā)熱部件具有合適的溫升。電機其他結(jié)構(gòu)尺寸不變，僅改變定轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道的寬度和數(shù)量并相應(yīng)的調(diào)整鐵心分段，進行結(jié)果對比。圖5為定子鐵心內(nèi)繞組沿軸向溫度分布。方案1，每段鐵心軸向長50mm，徑向風(fēng)道軸向?qū)?0mm，共分布13個徑向風(fēng)道；方案2，兩端鐵心長65mm，中間鐵心長30mm，徑向風(fēng)道軸向?qū)?mm，共分布20個徑向風(fēng)道。

圖5　繞組沿軸向溫度分布

由圖5所示，方案1，鐵心內(nèi)繞組最高溫度102℃，平均溫度93℃，最大溫差32K。方案2，鐵心內(nèi)繞組最高溫度96℃，平均溫度83℃，最大溫差13K。可見通過調(diào)整定轉(zhuǎn)子的風(fēng)道分布，繞組最高溫度明顯降低，并且提高了繞組溫度分布的均勻性，因此高效電機設(shè)計可通過調(diào)整定轉(zhuǎn)子風(fēng)道分布來調(diào)整溫度。

5　銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的選用

籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條形式分為兩大類，即鑄鋁轉(zhuǎn)子與銅條轉(zhuǎn)子。導(dǎo)條形式的不同，對電動機的性能影響也不同，所以應(yīng)該按使用要求和設(shè)計需要合理選擇。

轉(zhuǎn)子材料的選擇，主要考慮提高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和降低損耗，從而提高電機效率，兩者是矛盾的。若增加堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，需增加電阻，同時損耗也將增加。損耗直接影響電機效率，因此在滿足堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮效率。隨著高效節(jié)能電機的推廣，采用銅條轉(zhuǎn)子是提高電機效率、降低電機溫升的有效措施之一。

電機其他結(jié)構(gòu)不變，僅改變導(dǎo)條形式，比較磁路不變時，采用銅條轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子時電機的損耗和定子繞組溫升，結(jié)果如表3所示。通過數(shù)據(jù)對比，采用銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子相比，電機損耗減少了11.4%，繞組平均溫升降低了9.6%，可見高效電機可通過改變轉(zhuǎn)子導(dǎo)條形式提高效率、降低溫升。

表3　鑄鋁轉(zhuǎn)子與銅條轉(zhuǎn)子對電機損耗和繞組溫升的影響

6　結(jié)　語

本文根據(jù)某冷卻方式為IC611異步電動機的風(fēng)路結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對比分析，說明了此類電機為提高效率、降低電機溫升，則電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化是方向，并得出以下結(jié)論：

(1) 電機選用通風(fēng)系統(tǒng)時，當(dāng)溫升具有一定安全余量時，應(yīng)盡量選用徑向通風(fēng)系統(tǒng)，因徑向通風(fēng)系統(tǒng)機械損耗小，不僅可以提高電機效率而且繞組溫度分布相對均勻。當(dāng)溫升裕度不夠，則應(yīng)考慮采用軸徑向混流通風(fēng)系統(tǒng)提高電機冷卻效果。

(2) 電機外風(fēng)扇采用后傾離心式風(fēng)扇，相比徑向風(fēng)扇，可使風(fēng)量增加、損耗降低、效率提高。

(3) 電機冷卻器設(shè)計時應(yīng)綜合考慮散熱面積、對流換熱系數(shù)、散熱儲備系數(shù)等參數(shù)。通過改變冷卻器管的布置方式增強電機的散熱能力。

(4) 電機設(shè)計可通過調(diào)整定轉(zhuǎn)子風(fēng)道分布來調(diào)整溫度、降低繞組最高溫度、提高繞組分布的均勻性。

(5) 電機設(shè)計過程中，在滿足堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮效率。采用銅條轉(zhuǎn)子是提高電機效率、降低電機溫升的有效措施之一。

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[5]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安： 西安交通大學(xué)出版社，2001.

Wind Path Structure Design Parameters Optimization of Efficient Motor

ZHENGGuoli,ZHOULimin,DENGYaoqiang,CAOFei,HUANGPengcheng

(CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Taken an asynchronous motor as an example, combined data analysis of different structures and illustrated the optimization direction of wind path structure design parameters of energy efficient motors, from five aspects including way ventilation system, fan structure, cooler structure, stator and rotor duct distribution, selection of copper rotor and cast aluminum rotor. The conclusions has some reference value for wind path structure design of energy efficient motors.

efficient motor; air duct structure; parameter optimization

2015-02-09

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0062-04