供水水泵電機散熱系統分析

李雙鳳，陳錦華

（1.650051 云南省 昆明市 昆明理工大學設計研究院有限公司；2.650504 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院)

0 引言

目前，市政管網雖然得到較大發展，但資源配置卻不平衡。老舊小區普遍采用市政自來水直供或屋頂水箱供水的形式，在用水高峰期，市政自來水壓力不足，難以滿足住戶用水需求；使用屋頂水箱供水方式的老舊小區，屋頂水箱因無法及時維護，長時間使用會出現大量污垢、滋生細菌，導致二次水體污染。目前老舊小區供水設備改造，對于需要加壓供水的小區，可選擇具有液位檢測裝置、消毒裝置、濁度、余氯以及安防等功能的一體化供水設備，既能滿足小區供水要求，也能避免二次污染[1]。

為滿足水箱容量，老舊小區放置一體化供水設備的空間一般較小，電機內部發熱、有效散熱區域不足成為電機散熱的難點[2-3]，并且電機長時間運行導致溫度上升[4-5]、電機內部絕緣材料壽命縮短，使得發熱量增加。采用高效電機散熱系統可有效提高電機的穩定性和可靠性，其中風冷和液冷是電機常用的散熱方式。風冷成本低、可靠度高、安裝方便；水冷系統散熱效率可達到風冷的50 倍左右，但復雜程度高于風冷[6-7]。

由于設備密度過大，散熱效果不理想，電機溫度過高致使其壽命縮短，運行效率降低。本文使用SolidWorks 軟件對水泵電機自然冷卻、強迫對流以及強迫水冷進行三維建模。大多數一體化供水設備均由不銹鋼焊接而成，不具備隔熱功能，因此，選擇不同的設備間溫度，使用ANSYS Icepak 軟件對3 種散熱系統進行分析，分析設備間溫度變化對各散熱系統的供水水泵電機溫升的影響，選擇受環境溫度影響較小的散熱系統為電機進行散熱。

1 理論分析

導熱、輻射換熱和對流換熱是熱量傳遞的3 種基本方式，熱量從高溫區域傳遞至低溫區域是熱量傳遞的基本規律[8]。熱量傳遞的計算公式為

式中：Q——熱流量，W；K——換熱系數，W/(m2·℃)；A——換熱面積，m2；Δ——冷熱介質間的溫差，℃。

對流換熱是設備散熱的主要方式，流動的氣體或液體與設備散熱部件表面之間接觸，不同溫度發生熱量交換。本文使用的對流換熱分為自然對流、強迫空氣對流以及強迫水冷對流，如表1 所示[9]。自然對流具有無噪音、經濟可靠等特點；強迫對流主要通過風機或水泵驅動散熱介質，冷流體與發熱部件發生熱量交換進行冷卻。

表1 不同流換熱系數及特性Tab.1 Heat transfer coefficient and characteristics of different flow

2 建立模型

2.1 幾何模型

本文以1 臺2.2 kW 水泵電機為研究對象，建立電機三維模型，為下一步計算電機的溫度場分布提供依據。首先建立空氣自然對流（自然風冷）電機模型，該模型只加有散熱片；再建立強迫空氣對流（風冷）電機模型，模型除散熱片外還有風扇；最后建立強迫對流（水冷）電機模型，該電機模型外殼內部布置有水路系統，模型如圖1 所示。

圖1 不同散熱系統水泵電機Fig.1 Pump motor for different thermal dissipation

風冷散熱系統一般是在電機殼表面布置翅片，散熱面積越大散熱效果越好，可通過增加散熱翅片數量增加換熱面積、提高散熱效率，并且具有制造工藝簡單、成本較低、可靠度高等優點。電機選擇使用自然風冷，通過電機殼與空氣自然對流進行散熱，不需要額外動力裝置。強迫風冷使用最多的是風扇系統制冷，提高電機散熱效率[10]。

水冷散熱系統通常在電機殼內部設置密封的環形水路，電機殼安裝時，進水與出水位置與水泵進水和出水位置一致。水泵啟動時，電機殼內的水開始循環，冷卻水進入機殼水路對電機進行冷卻。水冷電機采用折返水路，具有結構簡單、制造工藝簡便、散熱均勻等優點[11-12]，如圖2 所示。水路展開圖如圖3 所示。使用ANSYS 對水路中的流體進行仿真，可清晰看到流體的流向，如圖4 所示。

圖2 折返型水路結構Fig.2 Retractable waterway structure

圖3 水路展開圖Fig.3 Waterway expansion plan

圖4 流體流向圖Fig.4 Flow direction

電機發熱主要元件有定子繞組和定子鐵心，電機機座熱量由定子鐵心直接傳遞而來，定子繞組熱量先傳遞到鐵心再傳遞到機座；電機發熱中定子繞組銅耗占比最大[13-14]。電機主要參數見表2。

表2 電機材料系數表Tab.2 Motor material coefficients

2.2 理論模型

為節省計算時間、提高準確性，對繞組進行符合實際情況的簡化，去除機殼上的一些細小特征，忽略接觸面之間的熱阻，電機的熱耗全部轉化為熱量。分析機殼、定子、繞組，等效模型如圖5 所示。

圖5 簡化幾何模型Fig.5 Simplified geometric model

對機殼、定子、繞組采用非結構化六面體劃分網格。設備間環境溫度分別設為20、25、30、35、40、45、50、55、60℃。強迫風冷散熱以及水冷散熱總熱功耗為246.1 W。對散熱器采用非結構化六面體劃分網格，如圖6 所示。

圖6 散熱器模型的網格劃分Fig.6 Grid division of radiator model

首先對自然風冷電機進行仿真實驗，設備間環境溫度設置為20℃，風向從電機后端蓋向電機前端蓋；機殼上半部分溫度高，下半部分溫度較低，計算出電機殼溫度為83.7 ℃，電機溫度分布如圖7所示。

圖7 電機溫度分布圖Fig.7 Motor temperature distribution diagram

由圖7 可知，機殼溫度遠大于實驗給定的設備間環境溫度，且該溫度對電機損害較大，因此自然風冷不能用于該電機的散熱。

對使用強迫風冷以及強迫水冷電機進行仿真實驗。設備間環境溫度為20℃時，使用風扇強迫散熱，風向從機殼后端蓋向前端蓋，機殼溫度為37.57℃。使用強迫水冷對電機進行散熱，介質為水，水由進水口進入流向出水口，機殼溫度為32.82℃。強迫風冷以及強迫水冷電機溫度遠遠低于自然風冷電機溫度，故使用強迫風冷和強迫水冷2 種系統進行仿真實驗，電機溫度分布如圖8 所示。

圖8 電機溫度分布圖Fig.8 Motor temperature distribution diagram

3 不同散熱系統的溫度測試

3.1 電機強迫風冷系統實驗

使用電機為強迫風冷散熱系統進行實驗，模擬設備間環境溫度分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60 ℃時對電機殼溫度的影響，機殼溫度如圖9所示。設備間外部環境溫度發生變化后，在空氣流動較差的設備間相應溫度隨之改變。設備間環境溫度每上升5℃，對應機殼溫度也大約上升5℃。由此可知，電機中的風冷散熱系受環境溫度影響較大。

圖9 風冷散熱機殼溫度Fig.9 Air cooled cooling motor temperature

3.2 電機強迫水冷系統實驗

使用電機為強迫水冷散熱系統進行實驗，流體介質為水且初始溫度為25℃，模擬設備間環境溫度分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60℃時對電機殼溫度的影響，如圖10 所示，隨著設備間環境溫度的上升，電機殼溫度始終穩定在33℃左右，可知強迫水冷散熱系受環境溫度影響很小。

圖10 水冷散熱機殼溫度Fig.10 Temperature of water cooling enclosure

4 結論

通過實驗對水泵電機自然冷卻、強迫對流（風冷）以及強迫對流（水冷）3 種不同散熱系統進行分析，分析室溫變化對使用不同散熱系統的水泵電機的影響得出以下結論：

（1）使用自然冷卻的電機在環境溫度為20℃時溫升明顯，溫度為83.7℃，溫度過高會縮短設備壽命、降低可靠性，因此該電機不能使用自然冷卻系統。

（2）使用強迫對流（風冷）作為電機散熱系統，在環境溫度為20℃時，溫升明顯小于自然冷卻系統，溫度為37.57℃，但是受環境溫度影響較大。

（3）使用強迫對流（水冷）作為電機散熱系統，在環境溫度為20℃時，溫升比強迫對流（風冷）系統低約5℃，受環境溫度影響最小。

綜上所述，對于老舊小區供水管網的改造，可供放置一體化供水設備的面積較小，對于空間狹窄、散熱較差的設備間而言，使用強迫水流為電機散熱可有效降低電機溫度，延長設備使用壽命，保障供水水泵在高效區運行。