關(guān)于水冷電機(jī)水路設(shè)計的探討

張煥高 韓志成

摘 要：伴隨著科技經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前高功率密度電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其電機(jī)的散熱問題也越來越備受關(guān)注。基于此，本文通過對某廠水泵驅(qū)動的異步電機(jī)進(jìn)行水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與計算，進(jìn)而有效降低電動機(jī)的總發(fā)熱量，合理分布熱源，提高散熱效率。

關(guān)鍵詞：水冷電動機(jī)；水路設(shè)計；散熱能力

現(xiàn)代電機(jī)大多采用軛磁密較高的電機(jī)，該電機(jī)雖然具有體積小、節(jié)省材料的特性，但是該電機(jī)卻存在散熱差的技術(shù)缺陷。現(xiàn)階段，很多企業(yè)采用的異步電動機(jī)的散熱形式主要是利用散熱風(fēng)扇通過空氣流動的風(fēng)冷系統(tǒng)來冷卻電機(jī)。但是風(fēng)冷系統(tǒng)只適用于體積較大、功率較小的電機(jī)，對于高速、大功率及小體積的電機(jī)采用液冷系統(tǒng)可發(fā)揮更好地效果。液體熱容量和導(dǎo)熱能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，因此液冷系統(tǒng)的冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷系統(tǒng)。采用液冷系統(tǒng)不僅可以規(guī)范電機(jī)工作溫度，延長使用壽命，而且在液冷系統(tǒng)下應(yīng)用高功率高電磁的復(fù)合的電機(jī)可以有效提高材料的利用率；此外液冷電機(jī)還具有損耗小、噪音低的優(yōu)點(diǎn)。所以，合理優(yōu)化水冷電機(jī)的水路設(shè)計及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，對降低電動機(jī)發(fā)熱量，提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重大意義。

1 電機(jī)熱量傳遞分析

某水冷電動機(jī)的熱量傳遞如下圖1所示。由圖1我們可知，電機(jī)的主要發(fā)熱元件是：定子鐵芯以及定轉(zhuǎn)子繞組，由定子鐵芯所產(chǎn)生的熱量可直接傳遞到機(jī)座，而定子繞組產(chǎn)生的熱量是先傳遞給鐵芯然后再有鐵芯傳遞到機(jī)座，最后再通過冷卻液進(jìn)行循環(huán)降溫；轉(zhuǎn)子繞組的熱量傳遞主要有兩種路線形式，其一，是由轉(zhuǎn)子兩端的空氣介質(zhì)直接傳遞到機(jī)座。其二，是由氣隙先傳遞給定子鐵芯再通過定子鐵芯傳遞到機(jī)座。

圖1 電機(jī)熱量傳遞示意圖

高功率密度電機(jī)相對于傳統(tǒng)電機(jī)而言，其電動機(jī)定子的軛磁密度較高而且鐵耗也較大。采用液體冷卻的形式可有效降低定子軛部鐵耗產(chǎn)生的熱量，起到很好的電機(jī)散熱效果。依據(jù)這一特征，我們可以在設(shè)計時調(diào)整定子齒與軛部的密度，這樣在電動機(jī)允許的最大有效尺寸前提下，合理改變定子沖片內(nèi)、外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑及槽型尺寸的方法，適當(dāng)調(diào)整損耗分布情況。通過對減小總消耗的優(yōu)化計算后，電動機(jī)的主要參數(shù)和性能如下表1所示。

2 水冷系統(tǒng)設(shè)計

水冷電機(jī)的水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是將泵和電機(jī)設(shè)置為一體，由同一根軸直接傳動運(yùn)轉(zhuǎn)。為了減少占地面積，可將該結(jié)構(gòu)設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)。該水泵 的葉輪連接在電機(jī)軸上，隨電機(jī)一起運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的定子安裝在軸承腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子兩端分別安裝在上下軸承內(nèi)。這樣去掉了電機(jī)軸上的散熱風(fēng)扇，由水冷管路冷卻系統(tǒng)進(jìn)行替代。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

其中1.水泵2.引水管 3.水冷電機(jī) 4.環(huán)行管 5.扁管 6.出水管

該冷卻系統(tǒng)的冷卻管路主要由水泵進(jìn)出口的總水頭差進(jìn)行驅(qū)動，當(dāng)水泵開始工作時，冷卻水由水泵出水口經(jīng)引水管、扁管分流，進(jìn)入環(huán)形管的底部位置，排出的冷卻水經(jīng)環(huán)形管頂部和扁管匯流，并從出水管流出這樣完成冷卻系統(tǒng)的水路循環(huán)。

環(huán)形管主要是由多個支路管相互連接而成的，支路管的數(shù)量對整個冷卻系統(tǒng)的散熱情況有直接的影響。如果選用的支路管過多的話，雖然增大了換熱面積，但管內(nèi)會產(chǎn)生層流流動，影響換熱效率；反之如果支路管過少的話，管內(nèi)紊流可增大換熱效率但會縮小換熱面積，使散熱不均勻。因此，支路管的數(shù)量設(shè)置需要進(jìn)行合理地優(yōu)化計算才行。

另外考慮到電動機(jī)長期使用后會在水管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，增大水路的阻力，因此在進(jìn)行水路設(shè)計時候，需要對所需的水壓預(yù)留足夠的余量，其中水路的主要參數(shù)如下表2所示，水溫及其物理性能如表3所示。

3 結(jié)論

水冷電機(jī)的冷卻水與電機(jī)的溫差較小，冷卻水量也較小，因此水冷電機(jī)的各個零部件溫度都相對較低，比以往傳統(tǒng)的空冷系統(tǒng)散熱效果更好，有效提高了電機(jī)的使用壽命，通過對水冷電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和計算后，改進(jìn)后的計算參數(shù)均符合電機(jī)的工作要求，經(jīng)投入使用后運(yùn)行良好，有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

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（作者單位：1.浙江吉祥傳動設(shè)備有限公司；2.浙江浩龍風(fēng)機(jī)有限公司）