路凱華，何立東，閆 安,張翼鵬

( 北京化工大學(xué) 北京市高端裝備健康監(jiān)控與自愈化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029 )

基于半導(dǎo)體制冷的電機(jī)和軸承散熱系統(tǒng)研究

路凱華，何立東，閆 安,張翼鵬

( 北京化工大學(xué) 北京市高端裝備健康監(jiān)控與自愈化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029 )

針對(duì)電機(jī)和軸承系統(tǒng)工作過(guò)程中因溫度過(guò)高影響正常工作，提出一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)用于電機(jī)和軸承系統(tǒng)的降溫。基于電機(jī)和軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)下的降溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)對(duì)電機(jī)有較好的冷卻效果;電機(jī)半導(dǎo)體制冷比水冷具有更好的冷卻效果，安裝四個(gè)制冷片的溫度降幅可達(dá)40.2%，電機(jī)溫升非常緩慢；滑動(dòng)軸承安裝一個(gè)制冷片時(shí)溫度穩(wěn)定在20℃左右，降幅達(dá)39.4%，安裝兩個(gè)制冷片時(shí)溫度穩(wěn)定在18℃左右，降幅為45.5%。

電機(jī)；軸承；半導(dǎo)體制冷；溫度

Abstract：In response to the situation where the operation of motor and bearing system may be affected due to high temperature,a semiconductor cooling system is devised to lower the temperature of the motor and bearing system.A semiconductor cooling system is designed for fan motors and rotor test-platform sliding bearings, and how its operation controls the rise of temperature gets experimentally investigated.The result shows that it is fairly effective in lowering the temperature of both motors and sliding bearings;the more coolers it has,the more effective in cooling;the effect of the semiconductor cooling system on motors is much better than that of hydrocooling,registering a 40.2% decrease of temperature with four coolers,the temperature of the motor rising slowly;the temperature of sliding bearing with one cooler and two coolers keeps stable at 20℃ and 18℃,a decrease of 39.4% and 45.5%,respectively.

Keywords：Motors；Bearings；Semiconductor cooling；Temperature

1 引言

電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)力裝置，其工作性能的好壞直接影響工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械向著大型化、高轉(zhuǎn)速發(fā)展，對(duì)電機(jī)的工作狀況提出了更高的要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)過(guò)熱會(huì)產(chǎn)生絕緣失效，磁體失效等一系列問(wèn)題，。電機(jī)的冷卻介質(zhì)有空氣、水、油、氟利昂等形式[1]，對(duì)大功率、小體積或高速電機(jī)的冷卻多采用循環(huán)水或油冷卻，這些冷卻方式伴隨著電機(jī)冷卻外殼的設(shè)計(jì)，使得電機(jī)系統(tǒng)顯得龐大復(fù)雜，冷卻能力有限。

半導(dǎo)體制冷(Semiconductor Refrigeration)有制冷迅速、綠色環(huán)保、體積小、無(wú)噪音、低振動(dòng)，堅(jiān)固可靠，穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，符合綠色環(huán)保要求，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。近年來(lái)主要應(yīng)用在國(guó)防，工農(nóng)業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生等方面，尤其適用于制冷量不大，又要求裝置小型化的場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要針對(duì)制冷器本身熱電材料特性的優(yōu)化[3]，在現(xiàn)有材料的條件下不斷提高半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)就成為了主攻的方向[4-6]。

鑒于半導(dǎo)體制冷的優(yōu)勢(shì)，考慮將其應(yīng)用到機(jī)械領(lǐng)域中電機(jī)的散熱。本文在闡述半導(dǎo)體制冷原理和熱端散熱方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于風(fēng)扇電機(jī)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)下的降溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為電機(jī)冷卻提供一種新技術(shù)。

2 半導(dǎo)體制冷原理

電制冷(TEC)又被稱為溫差電制冷，由于目前熱電制冷采用的材料基本都是半導(dǎo)體材料，因此熱電制冷也被稱為半導(dǎo)體制冷(Semiconductor Refrigeration)[7]。半導(dǎo)體材料具有熱電能量轉(zhuǎn)換的特性，當(dāng)通直流電時(shí)熱量從材料的一端到達(dá)另一端而產(chǎn)生制冷效果。半導(dǎo)體制冷是基于傅里葉效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)五種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的新型制冷技術(shù)[8]。

半導(dǎo)體制冷原理：如圖1所示，兩種不同的半導(dǎo)體材料串聯(lián)成電偶，組成P-N結(jié)，當(dāng)直流電通過(guò)時(shí)，由于存在溫差效應(yīng)，電偶兩端吸出和放出熱量，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。冷端電流方向是N→P,吸熱制冷；熱端電流方向是P→N,放熱升溫。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理

3 半導(dǎo)體制冷裝置熱端的散熱方式

半導(dǎo)體制冷效率受到熱端散熱效果的影響[9]。半導(dǎo)體制冷裝置在實(shí)際使用時(shí)冷端貼在被冷卻物體上吸熱，熱量傳到熱端必須及時(shí)散發(fā)出去才能維持其正常工作。系統(tǒng)工作時(shí)，制冷片冷、熱端面的散熱密度可以達(dá)到104W/m2，因此系統(tǒng)的有效運(yùn)行強(qiáng)烈依賴?yán)?、熱兩端熱傳遞性能的好壞[7]。

制冷片緊貼被冷卻物體表面，設(shè)從熱源吸收的熱量(制冷量)為Q1，制冷片熱端的散熱量為Q2，系統(tǒng)消耗的電能為W。要保證制冷裝置的正常工作顯然有：

Q2=Q1+W

(1)

制冷裝置的效率：

(2)

所以有：

(3)

由式(3)知，熱端散熱量是制冷量的(1+1/ε)倍，因此要想保證制冷裝置的高效率工作，必須保證良好的熱端散熱。

目前常見(jiàn)的熱端散熱方式有：

(1)空氣自然對(duì)流換熱

空氣自然對(duì)流換熱如圖2所示，一般在半導(dǎo)體制冷片熱端裝上一定形式的散熱片，增加散熱面積?？諝庾匀粚?duì)流換熱的換熱系數(shù)約為3～6W/(m2·K)，適合功率比較小的半導(dǎo)體制冷器熱端散熱。

圖2 熱端空氣自然對(duì)流換熱示意圖

(2)空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱

一種典型的強(qiáng)迫對(duì)流換熱形式如圖3所示，是在空氣自然對(duì)流換熱的基礎(chǔ)上加裝軸流風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣軸向湍流，大大增加了散熱片和空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，同樣的散熱片面積下，單位時(shí)間的散熱量明顯增加，散熱系數(shù)一般為26～30W/(m2·K)。

圖3 熱端空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱示意圖

圖4 熱端水冷散熱示意圖

(3)水冷散熱

如圖4，水冷散熱是利用循環(huán)水對(duì)半導(dǎo)體制冷器熱端進(jìn)行散熱。水冷散熱效率是空氣自然對(duì)流換熱的100-1000倍，熱端布置不需要散熱片和風(fēng)扇，一般用水箱和散熱片直接接觸，熱端熱量由循環(huán)水帶走進(jìn)入散熱水排，熱量在散熱水排中散發(fā)掉。相同的熱端負(fù)荷下，水冷散熱的體積遠(yuǎn)小于強(qiáng)制對(duì)流換熱。但是水冷換熱一般附屬散熱設(shè)備較多，外部結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜，適用于散熱處結(jié)構(gòu)限制少或者熱端負(fù)荷較大的半導(dǎo)體制冷設(shè)備。在換熱水箱里可以增加內(nèi)部翅片以增加湍流程度增強(qiáng)換熱效果。

(4)相變散熱

相變散熱的原理是利用物質(zhì)的汽化潛熱或者是熔化潛熱兩種潛熱進(jìn)行熱量交換。當(dāng)介質(zhì)吸收熱端熱量達(dá)到熔點(diǎn)或者沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生相變吸收熱量。一般是選用有機(jī)物作為相變散熱的介質(zhì)。相變散熱適用于間歇性工作的半導(dǎo)體制冷器。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 電機(jī)升溫實(shí)驗(yàn)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

本實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為一臺(tái)額定功率為60W的風(fēng)扇電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1150r/min。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)搭建所用組件的型號(hào)和數(shù)量列于表1。

表1 制冷系統(tǒng)所用組件型號(hào)及數(shù)量

名稱型號(hào)數(shù)量半導(dǎo)體制冷片TEC1-127053紅外測(cè)溫儀HT-8661直流電源S-360-121微型離心泵DC30A-12304水冷交換器F4040A4水排散熱器R120A4硅脂HY5101硅膠管內(nèi)徑8mm，外徑10mm若干

電機(jī)在工作過(guò)程中由于散熱性能不佳而溫升很快，考慮到電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)熱量較大，本實(shí)驗(yàn)中我們采用熱端水冷散熱方式，以期獲得良好的電機(jī)散熱效果。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5所示，在制冷片兩端均勻涂抹一層導(dǎo)熱硅脂，其作用是填充電機(jī)被冷卻端面與散熱片之間的空隙并傳導(dǎo)熱量。冷端緊貼電機(jī)端部，熱端緊貼散熱水箱，冷卻水通過(guò)泵進(jìn)入水箱將制冷片熱端熱量帶走，隨后冷卻水進(jìn)入散熱水排將熱量耗散。

圖5 電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)電機(jī)安裝一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)制冷片的溫升進(jìn)行了測(cè)量，為了對(duì)比制冷效果，還測(cè)量了電機(jī)直接安裝四個(gè)水箱進(jìn)行水冷工況下的溫升。

電機(jī)上安裝一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)制冷片的的制冷片布置情況以及安裝四個(gè)水箱的布置情況如圖6所示。

圖6 裝置布置情況

用紅外測(cè)溫儀分別對(duì)電機(jī)在一檔轉(zhuǎn)速和三檔轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下，電機(jī)不裝制冷片，裝一個(gè)制冷片、兩個(gè)制冷片、三個(gè)制冷片、四個(gè)制冷片、四個(gè)水箱水冷的工作溫度變化進(jìn)行測(cè)量，每分鐘測(cè)量一次電機(jī)溫度，每次測(cè)量取兩個(gè)值后求平均值。由于電機(jī)升溫較快，為了保護(hù)電機(jī)，一檔轉(zhuǎn)速下測(cè)量了前二十分鐘的溫升，三擋轉(zhuǎn)速下測(cè)量了前十五分鐘的溫升；電機(jī)溫度T隨時(shí)間t變化曲線如圖7所示。

從圖7的電機(jī)溫升曲線看出，電機(jī)在不安裝半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)工作時(shí)溫度上升較快，一檔轉(zhuǎn)速工作20 min時(shí)溫度達(dá)到了83.8℃，三檔轉(zhuǎn)速工作15min

時(shí)溫度為94.4℃，安裝制冷系統(tǒng)后，電機(jī)溫升下降明顯。測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)，電機(jī)一檔轉(zhuǎn)速工作時(shí)安裝一個(gè)制冷片、兩個(gè)制冷片、三個(gè)制冷片、四個(gè)制冷片、四個(gè)水箱水冷時(shí)的溫度降低幅度分別為16.8%，27.1%，32.3%，40.2%和25.8%；電機(jī)三檔轉(zhuǎn)速時(shí)的溫度降低幅度分別為17.7%，20.4%，24.5%，36.4%和20.8%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，相比水冷，半導(dǎo)體制冷具有更好的冷卻效果；隨著制冷片安裝數(shù)量的增加，電機(jī)溫度上升越來(lái)越緩慢。電機(jī)安裝位置有限，對(duì)四個(gè)制冷片的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，根據(jù)圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，可以推測(cè)，如果繼續(xù)增加制冷片數(shù)量，電機(jī)溫度會(huì)下降更大幅度，當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生的熱量和制冷片制冷量相等時(shí)，電機(jī)溫度升高到某個(gè)值后便不再變化。

4.2 滑動(dòng)軸承半導(dǎo)體散熱實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)所用試驗(yàn)臺(tái)是一臺(tái)永磁式直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滑動(dòng)軸承支撐的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)。電機(jī)輸入功率300W，額定電壓220V，額定電流2A，輸出轉(zhuǎn)速范圍為0到10000r/min。試驗(yàn)臺(tái)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于振動(dòng)和摩擦，軸承溫度升高。本實(shí)驗(yàn)搭建基于滑動(dòng)軸承的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，確保試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行在一個(gè)較低的溫度。

圖7 電機(jī)工作時(shí)的溫升曲線

我們依然采用水冷的熱端散熱方式，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)搭建所用組件的型號(hào)和數(shù)量列于表1。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

軸承座上安裝一個(gè)、兩個(gè)制冷片的制冷片布置情況如圖9所示。

用紅外測(cè)溫儀對(duì)5000r/min轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下的左、右兩軸承溫度進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)量了其安裝一個(gè)、兩個(gè)制冷片時(shí)的溫度變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每五分鐘測(cè)量一次軸承溫度，每次測(cè)量取兩個(gè)值后求平均值。測(cè)量了試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行90分鐘內(nèi)的左、右軸承的溫升，溫度T隨時(shí)間t變化曲線如圖10。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 制冷片布置情況

圖10 5000r/min轉(zhuǎn)速下左、右軸承溫升曲線

由圖10可以看出，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)可以將軸承溫度控制在一個(gè)較低且穩(wěn)定的水平。不加制冷片時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行90min左、右兩軸承的溫度穩(wěn)定在33℃附近；加一個(gè)制冷片運(yùn)行90min，左、右兩軸承的溫度穩(wěn)定在20℃附近，降幅達(dá)39.4%；加兩個(gè)制冷片運(yùn)行90min，左、右兩軸承溫度穩(wěn)定在18℃附近，降幅達(dá)45.5%。圖10(a)、(b)兩個(gè)制冷片軸承溫度出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，原因是兩個(gè)制冷片開(kāi)始工作時(shí)制冷量遠(yuǎn)大于軸承工作產(chǎn)生的熱量，隨著時(shí)間的推移，軸承工作產(chǎn)生的熱量又漸漸超過(guò)兩個(gè)制冷片的冷量，最后趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

基于風(fēng)扇電機(jī)和轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)滑動(dòng)軸承，分別設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)下的溫升控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。得到的主要結(jié)論如下：

(1)該半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)無(wú)論是對(duì)電機(jī)還是滑動(dòng)軸承均有較好的冷卻效果，不同數(shù)量制冷片的綜合冷卻效果不一樣，制冷片數(shù)量越多，冷卻效果越顯著；

(2)對(duì)比電機(jī)半導(dǎo)體制冷和水冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，半導(dǎo)體制冷具有更好的冷卻效果，安裝四個(gè)制冷片時(shí)，一檔轉(zhuǎn)速工況電機(jī)溫度降幅達(dá)40.2%，三檔轉(zhuǎn)速工況溫度降幅為36.4%，且電機(jī)溫升非常緩慢；

(3)滑動(dòng)軸承半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)表明，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)能將軸承溫度控制在一個(gè)穩(wěn)定值附近；安裝一個(gè)制冷片后軸承溫度控制在20℃左右，降幅達(dá)39.4%，安裝兩個(gè)制冷片控制溫度在18℃左右，降幅為45.5%。

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StudyonaNewCoolingSystemforMotorsandBearings

LU Kaihua，HE Lidong，YAN An，ZHANG Yipeng

( Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self-recovery for High end Mechanical Equipment, Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029,China )

2017-4-16

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB026000)

路凱華(1991-)，男，博士研究生。研究方向：齒輪箱振動(dòng)控制技術(shù)。E-mail：kaihualu1991@163.com

ISSN1005-9180(2017)03-029-006

TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.006