礦用隔爆型電機的水冷結構設計與溫升計算

李建成, 王富春

(1. 佳木斯電機股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國家防爆電機工程技術研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

礦用隔爆型電機的水冷結構設計與溫升計算

李建成1,2, 王富春1,2

(1. 佳木斯電機股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國家防爆電機工程技術研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

針對礦用隔爆電機體積小、功率大、發(fā)熱嚴重等應用特點，合理地設計水冷結構可以有效地平衡電機發(fā)熱量，保證電機的安全運行。基于流體力學及電機傳熱學理論開發(fā)編制了水冷電機水路結構設計與溫升計算程序。以YBSD礦用隔爆型三相電動機為研究對象，對其機殼水路進行了結構設計與熱力計算，并進一步計算了電機的溫升情況。通過將程序計算結果與實際電機數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了所提方法的可行性和計算的準確性，為礦用隔爆型水冷電機設計提供了技術手段。

礦用隔爆型電機；水冷；溫升；計算程序

0 引 言

隨著市場需求的增加、競爭的日益激烈，電機產(chǎn)品的品種、數(shù)量也在不斷增多，同時電機單機容量不斷擴大，溫升問題日益嚴重，對電機技術水平也提出了更高的要求，其中電機冷卻系統(tǒng)設計是電機設計中的重要環(huán)節(jié)。礦用隔爆型電動機因其特殊的應用場所，具有功率大、體積小、發(fā)熱量嚴重等特點，隨著電機設計容量的不斷提升，電機運行時產(chǎn)生的單位體積損耗也會不斷增長，從而引起電機各部分溫度的進一步升高[1-2]。因此，能夠合理地設計礦用隔爆型高功率密度電機的水冷系統(tǒng)，有效地平衡電機發(fā)熱量，控制電機溫升，對于電機的運行可靠性及提高其功率密度具有十分重要的意義。

本文通過流體力學及電機傳熱學相關理論推導，開發(fā)編制了水冷電機水路結構設計與溫升計算程序，并以YBSD礦用隔爆型三相電動機為研究對象，以機殼水路為研究重點，利用程序對其進行結構設計、水路熱力計算以及電機溫升計算，并將計算結果與實際電機數(shù)據(jù)進行了對比分析，驗證了該方法的可行性、準確性與實用性。

1 基本理論

根據(jù)電機的散熱分析和水路熱力計算，合理設計水路結構是水冷電機結構設計的核心任務。本節(jié)基于流體力學及電機傳熱學相關理論，詳盡推導了適用于水冷電機水路結構設計與溫升計算的重要公式。

1.1水冷電機的水路結構設計

現(xiàn)以水冷電機中的機殼水路結構為研究重點，根據(jù)電機的散熱分析與流體動力學、電機傳熱學相關的計算公式，給出一種普適的水冷電機水路結構設計計算過程，具體設計步驟如圖1所示。

圖1 水路結構的設計步驟

依照圖1中的水路結構設計過程給出重要設計步驟相對應的計算公式。

電機損耗計算公式：

式中:Pr——電機總損耗，kW；

η——電機效率；

Pe——電機額定功率，kW。

流量計算公式：

式中:Q——水流量，m3/s；

cp——水的比熱容，J/(kg·K)；

ρ——水的密度，kg/m3；

tin、tout——進出水的溫度，℃；

kq——流量系數(shù)。

水路截面積計算公式：

式中:A——水路截面積，m2；

μ——截流系數(shù)；

Δp——水路壓差，Pa。

雷諾數(shù)計算公式：

式中:Re——雷諾數(shù)；

v——水流速度，m/s；

υ——水的運動黏度，m2/s；

De——水路截面的當量直徑，m。

依據(jù)雷諾數(shù)Te判斷流動狀態(tài)詳見參考文獻[3]。

為了散熱效果更好，應盡量將冷卻水設計為湍流狀態(tài)。這里僅給出湍流時努謝爾特數(shù)和換熱系數(shù)對應的求解公式，而對于層流、過度流狀態(tài)時的經(jīng)驗公式詳見文獻[4-5]。

式中:Nu——努謝爾特數(shù)；

Pr——普朗特數(shù)；

α——換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

λ——水的導熱系數(shù)，W/(m·K)。

冷卻水吸收熱量計算公式：

式中:φ——冷卻水從水套壁面吸收的熱量，W；

m——單位時間內流過截面的水流質量,kg/s。

水路散熱面積和水路長度計算公式：

式中:S——散熱面積，m2；

L——水路長度，m。

水路通道數(shù)量及隔水臺寬度計算公式：

軸向水路：

c=π[(D2-2hout)+(D1+2hin)]/(2N)-

式中:N——水道數(shù)量；

H——水路軸向設計長度，m；

c——隔水臺寬度，m；

hin、hout——水套內、外壁厚，m；

D1、D2——水套內、外徑，m；

U——水路截面濕潤周長，m。

周向水路：

式中:L′——退刀槽的裕量，m；

a——水槽寬度，m。

1.2水冷電機的水路阻力計算

水路設計不僅要實現(xiàn)有效的散熱，還需兼顧供水泵體的能耗，盡量降低它的負荷，即減少水路阻力損失。水路阻力損失主要包括沿程阻力損失和局部阻力損失。其與水路結構、水流速度密切相關。

(1) 沿程阻力計算公式：

式中:hf——沿程阻力，m；

λf——沿程阻力系數(shù)，在不同流動狀態(tài)時經(jīng)驗公式有所不同[6]。

(2) 局部阻力計算公式：

進、出口阻力計算

式中:ζ1——進口阻力系數(shù)；

Ain——入水口截面積，m2。

式中:ζ2——出口阻力系數(shù)；

Aout——出水口截面積，m2。

折彎阻力計算

軸向水路：

周向水路：

式中:ζ3——阻力系數(shù)；

ζw——折彎系數(shù)，根據(jù)水路結構和折彎角度取值不同[6]。

局部總阻力計算

式中:hw——局部阻力，m。

(3) 水路總阻力計算公式：

Δp=Δzρg+ρ[(Q/Aout)2-(Q/Ain)2]/2+

式中: Δz——進、出水口高度差，m；

Δp——進、出水口壓差，Pa。

(4) 水泵損耗計算公式：

式中:Wp——泵功率，W。

1.3電機溫升計算

電機發(fā)熱源主要包括定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗。這里采用等效熱路法對電機溫升進行計算。假設條件包括：銅的導熱系數(shù)無窮大，即銅導體為等溫體；繞組銅耗全部在槽部，且熱流密度均相等；忽略熱量軸向傳遞，認為電機熱量自內向外徑向傳遞，通過水冷結構帶走；轉子繞組熱量的一半由氣隙經(jīng)定子鐵心傳遞給機殼；雜散損耗定轉子各占一半，且集中在齒部；轉子損耗熱量經(jīng)氣隙傳遞給定子鐵心齒部。

簡化的等效熱路圖如圖2所示。

圖2 電機的簡化等效熱路圖

圖2中Pcu11為定子繞組槽部的損耗熱量；Pcu12為定子繞組端部傳到機殼的損耗熱量；Pcu2為轉子繞組傳到定子鐵心的損耗熱量；Ps21為轉子雜散損耗；Ps11和Ps12各為定子雜散損耗的一半；Pfw為機械損耗；Pt11和Pt12各為定子鐵心齒部損耗的一半；Pj11和Pj12各為定子鐵心軛部損耗的一半。RF為定子鐵心繞組對鐵心的熱阻；Rδ為定轉子氣隙的熱阻；RT和RJ分別為定子鐵心齒部、軛部的傳導熱阻；RC為機殼的傳導熱阻；RK為機殼對水的散熱熱阻。

電機溫升的計算公式整理如下：

(1) 定子繞組對定子鐵心的溫降公式：

式中:θi——定子繞組對鐵心溫降，K；

qi——通過槽內絕緣層的熱流密度，W/m2；

Ri——槽內絕緣總熱阻。

熱流密度、熱阻的具體公式詳見文獻[7]。

(2) 定子鐵心齒部的溫降公式：

Ptxch=LFePcu1/(3Lz)+Pcu2/2+Pfw/2+

式中:θt——定子鐵心齒部溫降，K；

Z——定子槽數(shù)；

bt1——定子鐵心齒部平均寬度，m；

LFe——定子鐵心長度，m；

Ptxch——鐵心齒部相關損耗，W；

Kfe——鐵心疊壓系數(shù)；

λfe——硅鋼片縱向導熱系數(shù)；

ht1——定子鐵心齒部磁路計算長度，m；

Lz——定子繞組半匝長，m。

(3) 定子鐵心軛部的溫降公式：

Ptxe=LFePcu1/Lz+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θj——定子鐵心軛部溫降，K；

hj1——定子鐵心齒部磁路計算長度，m；

Ptxe——鐵心軛部相關損耗，W。

(4) 定子鐵心與機殼裝配間隙溫降公式：

式中:θc1——定子鐵心與機殼裝配間隙溫降，K；

Ptxj——定子鐵心與機殼裝配間隙相關損耗，W；

λjx——空氣熱導率。

(5) 機殼中的溫降公式：

Pjk=Pcu1+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θc2——機殼中的溫降，K；

Pjk——機殼相關損耗，W；

λc——機殼材料導熱系數(shù)，W/(m·K)。

(6) 機殼水套表面對冷卻水的溫降公式：

式中:θw——機殼水套表面對冷卻水的溫降，K；

tw——水套壁面平均溫度，℃；

tf——冷卻水的平均溫度，℃。

(7) 定子繞組總溫升公式：

式中：θtotal——定子繞組總溫升。

(8) 轉子對定子鐵心的溫降公式：

式中：θδ——轉子對定子鐵心的溫降，K；

Rr——轉子外徑，m；

δ——定轉子間隙，m；

λeff——有效導熱系數(shù)，W/(m·℃)，經(jīng)驗公式詳見文獻[7]。

(9) 轉子總溫升公式：

式中：θr——轉子總溫升。

(10) 機殼表面平均溫度公式：

式中:tjb——機座表面平均溫度，℃；

tair——環(huán)境空氣溫度，℃；

ap——體積膨脹系數(shù)，可取ap=1/(273+tair)；

Lb——機殼有效長度，m；

Gr——格拉曉夫數(shù)；

υair——空氣運動黏度，m2/s。

2 程序編制與實例驗證

為了實現(xiàn)水冷電機水路結構設計與溫升計算的參數(shù)化和可視化，現(xiàn)基于上節(jié)的基本理論計算公式利用VB語言開發(fā)編制了便于設計人員使用的應用程序，并以YBSD礦用隔爆型三相異步電機為例，驗證了該方法的可行性和程序計算的準確性。

2.1程序簡介

根據(jù)水冷電機常用機殼、端蓋、電氣元件水冷結構的特征及實際應用情況，應用程序主要涉及了水冷機殼計算、水冷端蓋計算、電氣元件水冷板結構計算三個部分。圖3～圖5給出了計算程序的主界面以及機殼計算部分的輸入界面和結果輸出界面。

圖3 水冷結構計算程序的主界面

圖4 機殼部分的輸入界面

圖5 結果輸出界面

2.2實例驗證

以700 kW-4P的YBSD礦用隔爆型三相電機為例，以其機殼水冷結構為主要研究對象，利用開發(fā)編制的應用計算程序進行了水路結構設計、熱力計算與電機溫升計算。

2. 2. 1 基本技術參數(shù)

表1給出了程序計算中與電機相關所需輸入的主要技術參數(shù)。

表1 主要技術參數(shù)

2. 2. 2 計算結果對比分析

表2將程序計算結果與實際電機水路結構尺寸及電機溫升試驗數(shù)據(jù)進行了對比。

由表2可知，應用計算程序得出的水冷機殼結構尺寸以及電機溫升情況均能較好地貼合實際情況，并且滿足電機的設計要求。同時利用有限元仿真，計算機殼水路進出口壓差損失約為0.52 MPa，與程序結果相近，進一步驗證了計算程序的可行性和準確性。

表2 程序計算結果與實體電機數(shù)據(jù)的對比

3 結 語

本文在流體力學及電機傳熱學理論計算的基礎上，利用VB語言開發(fā)編制了具有參數(shù)化和可視化的水冷電機水路結構設計與溫升計算程序。同時，以YBSD礦用隔爆型三相異步電機為例，應用計算程序對其機殼水路進行了結構設計、熱力計算與電機溫升計算；通過與實際電機結構尺寸及試驗數(shù)據(jù)對比，表明了該程序方法的可行性與準確性，并可在其他水冷電機水路結構設計中推廣應用。

[1] 丁舜年.大型電機的發(fā)熱與冷卻[M].北京:科學出版社,1992.

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[5] 溫嘉斌,許明宇.防爆型水冷電機內換熱與溫度場計算[J].電機與控制學報,2009,13(2): 393-397.

[6] 梁培鑫,柴鳳,李翠萍,等.水冷電機水路設計的研究[J].微電機,2013,46(5): 1-4.

[7] 李子健.電動車用水冷感應電機溫度場及其水冷系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2008.

DesignofWater-CooledStructureandCalculationofTemperatureRiseofMineExplosion-ProofMotor

LIJiancheng1,2,WANGFuchun1,2

(1. Beijing Ramp;D Center of Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Beijing 100070, China;2. National Engineer Research Center of Explosion-Proof Motor, Jiamusi 154002, China)

To make sure of the heating transfer and safe running of mine explosion-proof motor which had special structure and applying situation such as small size, high power and terrible heat, it’s the key to design a rational and suitable water-cooled structure. A program based on the heat transfer and hydrodynamic theory was compiled in this paper research on the water-cooled structure and temperature rise of the YBSD motor. The calculation result was compared with the case and date from actual motor, then the feasibility and accuracy of the calculation method was verified, which provided a technological means.

mineexplosion-proofmotor;water-cooled;temperaturerise;calculationprogram

李建成(1987—)，男，碩士，工程師，研究方向為電機結構設計，流場、溫度場耦合仿真分析及結構優(yōu)化等。

TM 351

A

1673-6540(2017)11- 0089- 06

2016 -08 -15