韓振乾

(蘭州電機股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

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YXKK系列高效率三相異步電機通風系統(tǒng)

韓振乾

(蘭州電機股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

分析了YXKK系列高效率三相異步電機冷卻系統(tǒng)。從通風系統(tǒng)方式、風扇結(jié)構(gòu)、冷卻器結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子通風道分布、銅條轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的選用5個方面，結(jié)合不同的數(shù)據(jù)分析，說明了高效率電機風路結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的優(yōu)化方向。結(jié)論對高效率電機的風路設計具有一定的參考價值。

高效； 異步電機； 通風系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國節(jié)能減排工作的深入開展，異步電機節(jié)能從以前低壓高效率電機發(fā)展到了低壓超高效率和高壓高效率電機。2010年5月31日，財政部、發(fā)改委公布高效電機推廣實施細則，給予大中型高壓的高效率產(chǎn)品實施補貼。2013年，GB 30254—2013《高壓電動機能效限定值及能效等級》標準正式發(fā)布。該標準的制訂，為高壓高效電機的發(fā)展制定了一個明確的目標。

電機在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗一般分為定子銅損耗、鐵心損耗、轉(zhuǎn)子銅(或鋁)損耗、機械損耗和雜散損耗等。電機效率提高的過程就是降低各項損耗的過程。一般電機的機械損耗約占電機總損耗的5%～8%，而在YKK系列高速高壓電機中，機械損耗所占比例更高，甚至超過總損耗的10%。在此類電機中降低電機機械損耗是提高效率的重要途徑。本文重點探討YXKK高效率電機的通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低機械損耗的辦法。

1 YXKK系列電機通風結(jié)構(gòu)形式

YXKK系列電機為封閉式帶空-空冷卻器的三相異步電機，其風路有兩個： 內(nèi)風路和外風路[1-2]。

1.1 YXKK系列電機的外風路

該系列電機外風路有兩種形式： 軸上自帶風扇的IC611和冷卻器帶風機的IC616。

IC611冷卻形式結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機同軸自帶外風扇向電機冷卻器管中打入冷風，外風扇要產(chǎn)生額外的機械損耗。外風扇所產(chǎn)生風量、風壓和消耗的機械功率與電機轉(zhuǎn)速有很大關系，適用于中高速電機或調(diào)速范圍不太大的變頻電機。否則，影響電機散熱。

IC616冷卻形式結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機不帶外風扇，而在冷卻器端面安裝有軸流風機，通過風機將冷風打入冷卻管中。這種優(yōu)點是通過冷卻器管中風與主電機轉(zhuǎn)速無關，特別適用于低速電機和調(diào)速范圍較大的變頻調(diào)速電機。

圖1 IC611冷卻方式

圖2 IC616冷卻方式

1.2 YXKK系列高效電機內(nèi)風路

內(nèi)風路有兩種形式： 徑向通風和徑向-軸向混合通風。

(1) 徑向通風型式。這種結(jié)構(gòu)是定子兩端安裝有兩個導風筒，用于將機座兩端的風導入內(nèi)風扇和軸向通風孔，轉(zhuǎn)子兩端各帶一個內(nèi)風扇。有兩個基本對稱的循環(huán)風路(見圖1、圖2)，其特點是循環(huán)回路短，電機溫升比較均勻，但由于受內(nèi)風扇直徑限制，風扇壓力受限，常用于2極、4極、6極等轉(zhuǎn)速較高的電機。

(2) 徑向-軸向混合通風型式。這種結(jié)構(gòu)一般在轉(zhuǎn)子傳動端裝一個大風扇，同時，軸上軸向通風孔在靠大風扇端堵死，使風從定、轉(zhuǎn)子徑向通風道中流過，以冷卻電機最易發(fā)熱的地方。機座上靠風扇進風處裝有擋風板，防止漏風，并引導風流向大風扇進風口。其結(jié)構(gòu)和風路如圖3所示。

這種結(jié)構(gòu)特點是內(nèi)風扇直徑可以做得較大，風壓大，常用于8極、10極、12極、16極等低速電機的場合，但由于風路長，線圈鐵心兩端溫升差異較大。

圖3 徑向-軸向混合通風方式

2 冷卻器的設計

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。合理選擇冷卻管直徑、管數(shù)、排列方式及布置管間距對提升冷卻器的散熱能力具有重要作用。

2.1 冷卻管布置

冷卻管不同層之間交叉排列(見圖4)，全部冷卻管通常排成矩形和M形。矩形的特點是冷卻器高度較低，但使用管數(shù)較多，冷卻管利用率較低。M形的特點是使用管數(shù)少，冷卻管利用率較高，但冷卻器較高，對電機高度有限制的場合使用須謹慎。

圖4 冷卻管布置圖

2.2 冷卻管管徑、管數(shù)、管間距的關系

電機有內(nèi)、外兩個風路。從內(nèi)風路看，由電機發(fā)熱形成的熱風都要從冷卻管間流過，把熱傳遞給冷卻管，冷卻管不能太少，否則，散熱面積不夠，冷卻管間距也不能太小，數(shù)量不能太多，否則，由于風阻太大，即使使用較多冷卻管，散熱還是不好。從外風路看，通過冷卻管中的風把冷卻管間所有熱風的熱量帶走，冷卻管管徑大、管數(shù)多，散熱效果好。但在一定區(qū)域內(nèi)，管徑、管數(shù)、管間距相互矛盾，所以內(nèi)外風路要兼顧，合理布置。下面為幾個冷卻管選取及排列示例。

排列1： 管徑Ф22mm；橫向心距s1=30mm；縱向心距s2=30mm，管徑與縱向心距比為0.7333；任意相鄰三管中心構(gòu)成的三角形面積與三角形內(nèi)三扇形面積和之比(簡稱面積比，即圖4中三角形與陰影部分面積比)為0.422。

排列2： 管徑Ф16mm；橫向心距s1=22mm，縱向心距s2=19mm；管徑與縱向心距比為0.7273；面積比為0.4841。

排列3： 管徑Ф26mm；橫向心距s1=35mm；縱向心距s2=30mm，管徑與縱向心距比為0.7273；管徑與縱向心距比為0.7429；面積比為0.505。

計算和試驗表明，在電機其他參數(shù)不變時，冷卻效果排列1不如排列2，排列2不如排列3。由此看出，面積比接近0.5時散熱效果最好。

2.3 冷卻器設計計算

(1) 冷卻管數(shù)計算。

冷卻器散熱面積：

A=∑Pn/Jn

(1)

式中： ∑Pn——需由冷卻器帶走的損耗，kW；

Jn——冷卻器單位散熱面積帶走的損耗，kW/m2。一般取0.6～1.2kW/m2，與通過的風速有關，風速越高，Jn越大。

冷卻管數(shù)量:

N=A/π/d/L

(2)

式中：d、L——分別為冷卻管的等效直徑和長度，m。

易非沒吭聲，她本能地感覺到有危險在逼近。她想逃，但她沒有，她想了想，反而鼓足了勇氣挺身而上，她站直了身子，深吸了一口氣，正色道：

(2) 冷卻風量由式(3)計算：

Q=∑Pn/CnTn

(3)

式中：Cn——冷卻空氣比熱,為1.05～1.1kW·s/m3K；

Tn——冷卻空氣的溫差,一般取10～18K。

(3) 冷卻管內(nèi)冷卻空氣溫差在計算冷卻空氣量和外風扇尺寸時已確定：

T1=Tn=∑Pn/CnQ

(4)

(4) 冷卻管表面溫差：

T=∑Pn/Aα

(5)

式中：α——冷卻器管的表面散熱系數(shù)，與冷卻器的結(jié)構(gòu)、冷卻管管徑、長度、材質(zhì)和吹拂冷卻管的空氣速度有關，一般可取106～280W/m2·K。

(5) 冷卻管內(nèi)、外壁之間溫差：

T3=∑Pnδ/Aλ

(6)

式中：δ——冷卻管壁厚，m；

(6) 冷卻器內(nèi)部與環(huán)境冷卻空氣間的溫差：

T=T1+Tn+T3

(7)

計算和試驗表明，冷卻管表面的溫差一般為3～6K。同時，由于冷卻管導熱能力強，管壁很薄，其管壁溫差很小可以忽略不計，因此冷卻器內(nèi)部與環(huán)境冷卻空氣之間的溫差可按式(8)計算：

T=T1+3～6K

(8)

3 風扇的設計

風扇的結(jié)構(gòu)型式與電機效率密切相關，研究高效風扇是提高效率的一種有效方法[3- 4]。對于YXKK系列高效三相異步電機，電機有內(nèi)風扇和外風扇。

3.1 外風扇的設計

一般YKK系列三相異步電機采用徑向離心風扇，這種風扇的損耗與轉(zhuǎn)速的立方成正比。對2極、4極這樣的高速電機，如果采用這種風扇，損耗將大大增加，嚴重影響電機效率。為此，YXKK系列高效電機通常采用后傾風扇。表1給出了徑向、前傾、后傾三種葉片型式的風扇效率參考值。其中:ηf為風扇效率；η0為風扇空載時氣體動效率；δ0為風量修正系數(shù)。

表1 風扇計算參數(shù)參考值

后傾離心式風扇主要由前盤、葉片及后盤組成。為了兼顧風扇性能和制造工藝，采用平前盤，葉片線型采用圓弧線。氣體進入葉片時，靠近前盤處的氣流速度明顯大于靠近后盤處。對于無始端的葉片，將導致入口氣流角沿進入葉片的寬度方向明顯變小，形成較大的入口沖擊，造成氣流損失。為此葉片增加始端，可減小沿葉片入口的沖擊，從而提高葉片的氣動性能，如圖5所示。其中：D1max、D1min及D1m分別為始端的最大直徑、最小直徑、平均直徑;b為葉片寬度。

圖5 離心風扇結(jié)構(gòu)

始端尺寸以風扇基本內(nèi)徑尺寸為標準，有：

D1max=(1.01～1.05)Df1

D1min=(0.8～0.98)Df1

(9)

電機實際需要的風壓:

p=pnηf/Q

根據(jù)后傾離心式風扇的特性，當其運行在最大效率點時，有：

(10)

(11)

式中：n——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min;

ρ——空氣密度。

(12)

葉片直徑與葉片寬滿足:

Df2=(1.1～1.5)Df1

(13)

據(jù)此，可算出Df1、Df2、b。

3.2 葉片數(shù)目的確定

葉片數(shù)目N和葉片厚度h對風扇性能存在著不可忽略的影響。對于后傾式離心風扇，采用經(jīng)驗公式為

(14)

為保證風扇具有較好的剛度，防止風扇運行中出現(xiàn)斷裂、彎折等問題，葉片高度應不小于葉片中心高度處的葉間距，即滿足：

(15)

3.3 內(nèi)風扇的選型與設計

對于YXKK系列高效三相異步電機，為了提高電機效率和轉(zhuǎn)子通風散熱能力，一般采用銅條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機帶內(nèi)風扇。

如果采用徑向-軸向混合通風型式，那么，電機內(nèi)風扇與外風扇類似。對2～4極電機，如對電機沒有雙向旋轉(zhuǎn)要求，最好選用后傾離心葉扇。

對6極及以上電機內(nèi)風扇，由于轉(zhuǎn)速較低，風扇損耗較小，風壓低，為提高風壓，并同時降低風葉制造成本，可做成徑向離心式風扇。

4 導風罩的設計

導風罩是把周圍冷空氣通過外風扇引入冷卻器的通風道裝置。為了減少風阻，通常在導風罩進風口和外風扇外環(huán)板之間安裝一個喇叭形的導風筒。為了使吹到冷卻器的風盡可能均勻，以更充分利用各冷卻管，通常在導風罩內(nèi)風轉(zhuǎn)向處到冷卻器之間設置有1～2個導風筒。如果導風罩在轉(zhuǎn)角處采用圓弧過渡，導風筒也應采用圓弧過渡。

5 結(jié) 語

YXKK系列高效率電機通風系統(tǒng)的設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，設計時要注意以下幾點：

(1) 要根據(jù)實際情況采用適合的冷卻方式，選擇合適的風路結(jié)構(gòu)。

(2) 設計冷卻器時，合理選擇冷卻管徑、管間距。最好使任意相鄰三管中心構(gòu)成的三角形面積與三角形內(nèi)三扇形面積和之比接近于0.5。

(3) 對轉(zhuǎn)速較高的電機，除非負載需要電機雙向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)風扇可采用軸流風扇或后傾風扇、外風扇采用后傾式風扇，以提高電機的效率。

(4) 為了減少風阻，導風罩內(nèi)在進風口和風扇間設置喇叭形導風筒，在風轉(zhuǎn)向處到冷卻器之間應合理設置導風板，使風分配盡可能均勻，以充分利用冷卻管。

[1] 賀文凱，顧德軍，王鴻鵠.兩種不同通風結(jié)構(gòu)對高壓電機性能的影響[J].電機與控制應用，2014，41(6): 36-38．[2] 張禎海，遲長春，練正兵，等.高功率密度籠型異步風力發(fā)電機通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].電機與控制應用，2015，42(4): 53-57．

[3] 汪書蘋，趙爭鳴，馮垚徑.YKK355-630系列高壓三相異步電動機高效風扇的設計[J].清華大學學報(自然科學版),2009(1): 9-12.

[4] 王鴻鵠，余曉松，鄭龍平.高壓電動機離心風扇改進研究[J].電機與控制應用，2015，42(6): 17-20．

Cooling System of YXKK Series High Efficiency Three Phase Asynchronous Motor

HANZhenqian

(Lanzhou Electric Corporation， Lanzhou 730050, China)

The YXKK series high efficiency three phase asynchronous motor cooling system was analyzed. Combined data analysis of different structures and illustrated the optimization of wind path structure design parameters of high efficiency 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 conclusion has some reference value for wind path structure design of high efficiency motors.

high efficiency; asynchronous motor; cooling system

韓振乾(1964—)，男，工程師，研究方向為中小型異步電機電磁和結(jié)構(gòu)設計。

TM 343

A

1673-6540(2016)10- 0078- 04

2016-05-08