王靈沼
(天津市電機(jī)總廠,天津 300210)
由于充水式潛水電機(jī)內(nèi)部和介質(zhì)都是液體,水的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于空氣,所以普通異步電機(jī)的溫升計(jì)算方法已不適用。在以往的潛水電機(jī)設(shè)計(jì)中,只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取熱負(fù)荷、不作溫升計(jì)算。但是國內(nèi)外市場要求單機(jī)的功率逐步增大、價(jià)格競爭也日趨激烈,因此如何計(jì)算電機(jī)溫升、合理選用熱負(fù)荷已成為潛水電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。本文總結(jié)歸納了充水式潛水電機(jī)的溫升計(jì)算方法,并應(yīng)用于電機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和高效節(jié)能的新產(chǎn)品開發(fā),取得了很好的效果。
充水式密封型潛水電機(jī)的特點(diǎn)是電機(jī)內(nèi)部和外部都是水介質(zhì),而且內(nèi)外部水互不交換。水的導(dǎo)熱性比空氣好得多,電機(jī)可看作是等溫體;電機(jī)周圍的水介質(zhì)按牛頓散熱定律將電機(jī)的熱量帶走;電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子銅耗,鐵耗,機(jī)械耗全都轉(zhuǎn)化為熱能,使電機(jī)的溫度升高;電機(jī)產(chǎn)生的熱量依靠電機(jī)表面向周圍的水介質(zhì)散發(fā),當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí),電機(jī)的溫升就趨于穩(wěn)定。因此,電機(jī)的溫升主要取決于電機(jī)的總損耗,以及電機(jī)表面的散熱面積和散熱能力。
用傳熱系數(shù)α來表示表面散熱能力,其物理意義如下:當(dāng)電機(jī)表面與周圍介質(zhì)溫差為1℃時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量[1]。為了便于計(jì)算,散發(fā)的熱量用功率單位來表示,α的單位是kW/(m2·K)。
根據(jù)牛頓散熱定律[1],單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量:
式中:θ0——靜水中電機(jī)與介質(zhì)的溫差,即電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫升,℃。
式中:P2——電機(jī)的額定功率;
η——電機(jī)效率。
例:1222a/2-100(50 Hz,380 V,100 kW)。
根據(jù)德國 RITZ公司的原設(shè)計(jì),電機(jī)外徑0.229 m,鐵心長度為 1.08 m,定子長度為1.43 m,上導(dǎo)軸承高0.10 m,下導(dǎo)軸承高 0.04 m,止推軸承座高0.085 m,底座高0.123 m,電機(jī)效率計(jì)算值為87.8%。
電機(jī)總的表面積S1為
如加裝熱交換器,其表面積為0.4 m2,傳熱系數(shù)α3為0.16 kW/(m2·K),則電機(jī)溫升為
單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)表面散發(fā)到周圍介質(zhì)的總熱量Q為
式中:S——電機(jī)表面的面積。
當(dāng)電機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)出的熱量,即
式中:∑P——電機(jī)的總損耗。
由于散熱效果不同,各類表面的傳熱系數(shù)α也不同:不帶散熱筋和冷卻水槽的定子外表面、電機(jī)導(dǎo)軸承、止推軸承座、底座等與介質(zhì)水直接接觸的外表面的α1為0.3 kW/(m2·K);帶散熱筋的定子表面及與水接觸的散熱筋和水槽的所有表面α2為0.22 kW/(m2·K);熱交換器外表面的α3為 0.16 kW/(m2·K)。
因此,電機(jī)的溫升為
現(xiàn)將機(jī)座號(hào)從“6~30”典型規(guī)格電機(jī)溫升的計(jì)算值和試驗(yàn)值列于表1。
表1 典型規(guī)格電機(jī)溫升的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比表
表1包括了德國RITZ公司1215~1166系列和天津市電機(jī)總廠YQST1系列的低壓電機(jī)和高壓電機(jī),也包括了2極和4極電機(jī),功率范圍為5.5~1 900 kW,因此有廣泛的代表性。從表1電機(jī)溫升的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比可看到,兩者誤差不超過5 K,因此本計(jì)算方法可作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。
此外,表1表明,如果電機(jī)的熱負(fù)荷(AJ)不超過450 A2/mm3時(shí),電機(jī)在靜水中的溫升一般不會(huì)超過45 K。國標(biāo)GB/T2818規(guī)定:當(dāng)環(huán)境水溫20℃時(shí),聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值為45 K。
對(duì)在額定負(fù)載下的同一電機(jī),使不同流速的水通過電機(jī)表面,并對(duì)電機(jī)的溫升進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)電機(jī)表面的水流速度對(duì)電機(jī)溫升有很大的影響:在一定的流速范圍內(nèi),隨著流速的增加,溫升有不同程度的降低。如果將在靜水中電機(jī)的溫升作為基準(zhǔn),則不同流速時(shí)的溫升系數(shù)C見表2。
所以,在不同表面流速下的電機(jī)溫升為
表2 溫升系數(shù)C
以上計(jì)算的是定子繞組的平均溫升。測試發(fā)現(xiàn),電機(jī)繞組內(nèi)部的溫升分布一般情況如下:在鐵心上端部的三分之一處溫度最高,約比平均溫升高5℃,上部溫度略高于下部。
如果電機(jī)的溫升超過溫升限值,可以采用下述方法降低電機(jī)溫升:(1)提高電機(jī)效率,增大定子繞組線徑、加大導(dǎo)條截面積;(2)在電機(jī)剛度足夠條件下,加長鐵心、減少匝數(shù);(3)在最大外徑允許的情況下,電機(jī)表面增加冷卻水槽和冷卻筋;(4)在止推軸承與底座之間增加熱交換器,增加散熱面積;(5)大機(jī)座號(hào)的電機(jī),可以在轉(zhuǎn)子下方加裝泵輪,加強(qiáng)電機(jī)內(nèi)部水循環(huán),增強(qiáng)冷卻效果;(6)在井徑許可條件下,在電機(jī)外部加裝導(dǎo)流罩,增加電機(jī)表面的水流速度,加強(qiáng)冷卻。
在以往的潛水電機(jī)設(shè)計(jì)中只是憑經(jīng)驗(yàn)來選用熱負(fù)荷和電流密度;通常認(rèn)為潛水電機(jī)的溫升與熱負(fù)荷成正比。
從前面討論的溫升計(jì)算和表1的數(shù)據(jù)對(duì)比中,可得出以下結(jié)論:
(1)潛水電機(jī)的溫升主要與電機(jī)的效率、熱負(fù)荷、冷卻結(jié)構(gòu)、表面的水流速度有關(guān)。
例如1218a/2-37的熱負(fù)荷330 A2/mm3,溫升為35.3 K;同樣屬于8”電機(jī)的YQST1200-65,因?yàn)槠湫矢?,外徑大,所以熱?fù)荷雖然達(dá)到434 A2/mm3,溫升卻只有 33.3 K。
(2)同系列、同一機(jī)座號(hào)中不同功率的電機(jī)的溫升基本上與熱負(fù)荷成正比:功率越大,熱負(fù)荷越高,溫升也越高。
例如:1215a/2的15 kW和5.5 kW,熱負(fù)荷比是 360/244=1.475,溫升比是 29.7/20.5=1.449;1222a/2的100 kW和30 kW熱負(fù)荷比是303/253=1.198,溫升比是 35.8/30.5=1.173;1228/2的120kW和75kW熱負(fù)荷比是320/273=1.172,溫升比是 38.5/31.9=1.206。
(3)不同機(jī)座號(hào)、不同系列的電機(jī)溫升與熱負(fù)荷無明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,應(yīng)該通過溫升計(jì)算估算溫升,并選用合理的熱負(fù)荷。
以1222a/2-100電機(jī)為例,表1中該電機(jī)的溫升試驗(yàn)值為35.8 K,所以其溫升尚有裕量。
在改進(jìn)設(shè)計(jì)中(型號(hào)設(shè)定為1222/2),仍采用原來的定、轉(zhuǎn)子沖片,但作出調(diào)整,具體調(diào)整,以及兩個(gè)方案的電機(jī)性能的計(jì)算結(jié)果列于表3。
表3 改進(jìn)設(shè)計(jì)電機(jī)的性能數(shù)據(jù)
從表3可看到:(1)兩個(gè)方案的電機(jī)性能基本相同;(2)改進(jìn)方案的熱負(fù)荷雖然高于原設(shè)計(jì),但電機(jī)溫升沒有超過聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值45 K;(3)改進(jìn)電機(jī)的節(jié)材相當(dāng)明顯,每臺(tái)降低成本10%以上。
由于1215~1166設(shè)計(jì)比較保守,所以都有改進(jìn)設(shè)計(jì)的可能。
從20世紀(jì)90年代開始,潛水電機(jī)制造廠對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代:提高電機(jī)性能、增大單機(jī)容量并提高電機(jī)軸向承載能力。為了與國際水平接軌、滿足市場需求,開始進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā),設(shè)計(jì)了YQST系列潛水電機(jī)。在研究電機(jī)溫升計(jì)算的基礎(chǔ)上,選用電機(jī)的熱負(fù)荷,結(jié)果電機(jī)性能和單機(jī)容量均高于國標(biāo)GB/T2818的要求:6”電機(jī)最大功率由15 kW提高到45 kW;8”電機(jī)最大功率由45 kW提高到75 kW;10”電機(jī)最大功率由100 kW提高到150 kW;12”電機(jī)最大功率由180 kW提高到220 kW。全系列電機(jī)效率平均提高了1.5%,功率因數(shù)提高了2%。
表3中列出了YQST250-100的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過比較不難看出:YQST250-100的設(shè)計(jì)更加合理、高效、節(jié)能、節(jié)材,而且由于鐵心長度的縮短,電機(jī)剛度增加,運(yùn)行更加可靠。
1222改進(jìn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品以及YQST系列產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn),取得了很好的社會(huì)效果和經(jīng)濟(jì)效果。
本文提出的充水式潛水電機(jī)的溫升計(jì)算方法是可行的。電機(jī)溫升主要取決于電機(jī)的效率、熱負(fù)荷和電機(jī)的散熱效果。應(yīng)用溫升計(jì)算可以合理選用熱負(fù)荷,從而設(shè)計(jì)出節(jié)能、節(jié)材的電機(jī)。必須采用有效方法降低電機(jī)的溫升。對(duì)于不同溫升的電機(jī)應(yīng)采用不同耐溫等級(jí)的繞組線,確保繞組線在允許的工作溫度下長期運(yùn)行。在熱負(fù)荷不超過450 A2/mm3情況下,充水式潛水電機(jī)的溫升一般不會(huì)超過45 K。
[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.
[2]德國RITZ公司.潛水電機(jī)的熱計(jì)算[G].1981.