李建成, 王富春

(1. 佳木斯電機(jī)股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

礦用隔爆型電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算

李建成1,2, 王富春1,2

(1. 佳木斯電機(jī)股份有限公司 北京研發(fā)中心,北京 100070;2. 國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 佳木斯 154002)

針對(duì)礦用隔爆電機(jī)體積小、功率大、發(fā)熱嚴(yán)重等應(yīng)用特點(diǎn)，合理地設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)可以有效地平衡電機(jī)發(fā)熱量，保證電機(jī)的安全運(yùn)行。基于流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)理論開發(fā)編制了水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算程序。以YBSD礦用隔爆型三相電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其機(jī)殼水路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱力計(jì)算，并進(jìn)一步計(jì)算了電機(jī)的溫升情況。通過(guò)將程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提方法的可行性和計(jì)算的準(zhǔn)確性，為礦用隔爆型水冷電機(jī)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)手段。

礦用隔爆型電機(jī)；水冷；溫升；計(jì)算程序

0 引 言

隨著市場(chǎng)需求的增加、競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，電機(jī)產(chǎn)品的品種、數(shù)量也在不斷增多，同時(shí)電機(jī)單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，溫升問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)電機(jī)技術(shù)水平也提出了更高的要求，其中電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。礦用隔爆型電動(dòng)機(jī)因其特殊的應(yīng)用場(chǎng)所，具有功率大、體積小、發(fā)熱量嚴(yán)重等特點(diǎn)，隨著電機(jī)設(shè)計(jì)容量的不斷提升，電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗也會(huì)不斷增長(zhǎng)，從而引起電機(jī)各部分溫度的進(jìn)一步升高[1-2]。因此，能夠合理地設(shè)計(jì)礦用隔爆型高功率密度電機(jī)的水冷系統(tǒng)，有效地平衡電機(jī)發(fā)熱量，控制電機(jī)溫升，對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行可靠性及提高其功率密度具有十分重要的意義。

本文通過(guò)流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)，開發(fā)編制了水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算程序，并以YBSD礦用隔爆型三相電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，以機(jī)殼水路為研究重點(diǎn)，利用程序?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水路熱力計(jì)算以及電機(jī)溫升計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方法的可行性、準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

1 基本理論

根據(jù)電機(jī)的散熱分析和水路熱力計(jì)算，合理設(shè)計(jì)水路結(jié)構(gòu)是水冷電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。本節(jié)基于流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)理論，詳盡推導(dǎo)了適用于水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算的重要公式。

1.1水冷電機(jī)的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)以水冷電機(jī)中的機(jī)殼水路結(jié)構(gòu)為研究重點(diǎn)，根據(jù)電機(jī)的散熱分析與流體動(dòng)力學(xué)、電機(jī)傳熱學(xué)相關(guān)的計(jì)算公式，給出一種普適的水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，具體設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

依照?qǐng)D1中的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程給出重要設(shè)計(jì)步驟相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。

電機(jī)損耗計(jì)算公式：

式中:Pr——電機(jī)總損耗，kW；

η——電機(jī)效率；

Pe——電機(jī)額定功率，kW。

流量計(jì)算公式：

式中:Q——水流量，m3/s；

cp——水的比熱容，J/(kg·K)；

ρ——水的密度，kg/m3；

tin、tout——進(jìn)出水的溫度，℃；

kq——流量系數(shù)。

水路截面積計(jì)算公式：

式中:A——水路截面積，m2；

μ——截流系數(shù)；

Δp——水路壓差，Pa。

雷諾數(shù)計(jì)算公式：

式中:Re——雷諾數(shù)；

v——水流速度，m/s；

υ——水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；

De——水路截面的當(dāng)量直徑，m。

依據(jù)雷諾數(shù)Te判斷流動(dòng)狀態(tài)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。

為了散熱效果更好，應(yīng)盡量將冷卻水設(shè)計(jì)為湍流狀態(tài)。這里僅給出湍流時(shí)努謝爾特?cái)?shù)和換熱系數(shù)對(duì)應(yīng)的求解公式，而對(duì)于層流、過(guò)度流狀態(tài)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4-5]。

式中:Nu——努謝爾特?cái)?shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

α——換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

λ——水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

冷卻水吸收熱量計(jì)算公式：

式中:φ——冷卻水從水套壁面吸收的熱量，W；

m——單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)截面的水流質(zhì)量,kg/s。

水路散熱面積和水路長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中:S——散熱面積，m2；

L——水路長(zhǎng)度，m。

水路通道數(shù)量及隔水臺(tái)寬度計(jì)算公式：

軸向水路：

c=π[(D2-2hout)+(D1+2hin)]/(2N)-

式中:N——水道數(shù)量；

H——水路軸向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，m；

c——隔水臺(tái)寬度，m；

hin、hout——水套內(nèi)、外壁厚，m；

D1、D2——水套內(nèi)、外徑，m；

U——水路截面濕潤(rùn)周長(zhǎng)，m。

周向水路：

式中:L′——退刀槽的裕量，m；

a——水槽寬度，m。

1.2水冷電機(jī)的水路阻力計(jì)算

水路設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)有效的散熱，還需兼顧供水泵體的能耗，盡量降低它的負(fù)荷，即減少水路阻力損失。水路阻力損失主要包括沿程阻力損失和局部阻力損失。其與水路結(jié)構(gòu)、水流速度密切相關(guān)。

(1) 沿程阻力計(jì)算公式：

式中:hf——沿程阻力，m；

λf——沿程阻力系數(shù)，在不同流動(dòng)狀態(tài)時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式有所不同[6]。

(2) 局部阻力計(jì)算公式：

進(jìn)、出口阻力計(jì)算

式中:ζ1——進(jìn)口阻力系數(shù)；

Ain——入水口截面積，m2。

式中:ζ2——出口阻力系數(shù)；

Aout——出水口截面積，m2。

折彎阻力計(jì)算

軸向水路：

周向水路：

式中:ζ3——阻力系數(shù)；

ζw——折彎系數(shù)，根據(jù)水路結(jié)構(gòu)和折彎角度取值不同[6]。

局部總阻力計(jì)算

式中:hw——局部阻力，m。

(3) 水路總阻力計(jì)算公式：

Δp=Δzρg+ρ[(Q/Aout)2-(Q/Ain)2]/2+

式中: Δz——進(jìn)、出水口高度差，m；

Δp——進(jìn)、出水口壓差，Pa。

(4) 水泵損耗計(jì)算公式：

式中:Wp——泵功率，W。

1.3電機(jī)溫升計(jì)算

電機(jī)發(fā)熱源主要包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗。這里采用等效熱路法對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)條件包括：銅的導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)窮大，即銅導(dǎo)體為等溫體；繞組銅耗全部在槽部，且熱流密度均相等；忽略熱量軸向傳遞，認(rèn)為電機(jī)熱量自內(nèi)向外徑向傳遞，通過(guò)水冷結(jié)構(gòu)帶走；轉(zhuǎn)子繞組熱量的一半由氣隙經(jīng)定子鐵心傳遞給機(jī)殼；雜散損耗定轉(zhuǎn)子各占一半，且集中在齒部；轉(zhuǎn)子損耗熱量經(jīng)氣隙傳遞給定子鐵心齒部。

簡(jiǎn)化的等效熱路圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)的簡(jiǎn)化等效熱路圖

圖2中Pcu11為定子繞組槽部的損耗熱量；Pcu12為定子繞組端部傳到機(jī)殼的損耗熱量；Pcu2為轉(zhuǎn)子繞組傳到定子鐵心的損耗熱量；Ps21為轉(zhuǎn)子雜散損耗；Ps11和Ps12各為定子雜散損耗的一半；Pfw為機(jī)械損耗；Pt11和Pt12各為定子鐵心齒部損耗的一半；Pj11和Pj12各為定子鐵心軛部損耗的一半。RF為定子鐵心繞組對(duì)鐵心的熱阻；Rδ為定轉(zhuǎn)子氣隙的熱阻；RT和RJ分別為定子鐵心齒部、軛部的傳導(dǎo)熱阻；RC為機(jī)殼的傳導(dǎo)熱阻；RK為機(jī)殼對(duì)水的散熱熱阻。

電機(jī)溫升的計(jì)算公式整理如下：

(1) 定子繞組對(duì)定子鐵心的溫降公式：

式中:θi——定子繞組對(duì)鐵心溫降，K；

qi——通過(guò)槽內(nèi)絕緣層的熱流密度，W/m2；

Ri——槽內(nèi)絕緣總熱阻。

熱流密度、熱阻的具體公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

(2) 定子鐵心齒部的溫降公式：

Ptxch=LFePcu1/(3Lz)+Pcu2/2+Pfw/2+

式中:θt——定子鐵心齒部溫降，K；

Z——定子槽數(shù)；

bt1——定子鐵心齒部平均寬度，m；

LFe——定子鐵心長(zhǎng)度，m；

Ptxch——鐵心齒部相關(guān)損耗，W；

Kfe——鐵心疊壓系數(shù)；

λfe——硅鋼片縱向?qū)嵯禂?shù)；

ht1——定子鐵心齒部磁路計(jì)算長(zhǎng)度，m；

Lz——定子繞組半匝長(zhǎng)，m。

(3) 定子鐵心軛部的溫降公式：

Ptxe=LFePcu1/Lz+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θj——定子鐵心軛部溫降，K；

hj1——定子鐵心齒部磁路計(jì)算長(zhǎng)度，m；

Ptxe——鐵心軛部相關(guān)損耗，W。

(4) 定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙溫降公式：

式中:θc1——定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙溫降，K；

Ptxj——定子鐵心與機(jī)殼裝配間隙相關(guān)損耗，W；

λjx——空氣熱導(dǎo)率。

(5) 機(jī)殼中的溫降公式：

Pjk=Pcu1+Pcu2/2+Pfw/2+3Ps/4+

式中:θc2——機(jī)殼中的溫降，K；

Pjk——機(jī)殼相關(guān)損耗，W；

λc——機(jī)殼材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

(6) 機(jī)殼水套表面對(duì)冷卻水的溫降公式：

式中:θw——機(jī)殼水套表面對(duì)冷卻水的溫降，K；

tw——水套壁面平均溫度，℃；

tf——冷卻水的平均溫度，℃。

(7) 定子繞組總溫升公式：

式中：θtotal——定子繞組總溫升。

(8) 轉(zhuǎn)子對(duì)定子鐵心的溫降公式：

式中：θδ——轉(zhuǎn)子對(duì)定子鐵心的溫降，K；

Rr——轉(zhuǎn)子外徑，m；

δ——定轉(zhuǎn)子間隙，m；

λeff——有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，經(jīng)驗(yàn)公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

(9) 轉(zhuǎn)子總溫升公式：

式中：θr——轉(zhuǎn)子總溫升。

(10) 機(jī)殼表面平均溫度公式：

式中:tjb——機(jī)座表面平均溫度，℃；

tair——環(huán)境空氣溫度，℃；

ap——體積膨脹系數(shù)，可取ap=1/(273+tair)；

Lb——機(jī)殼有效長(zhǎng)度，m；

Gr——格拉曉夫數(shù)；

υair——空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

2 程序編制與實(shí)例驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算的參數(shù)化和可視化，現(xiàn)基于上節(jié)的基本理論計(jì)算公式利用VB語(yǔ)言開發(fā)編制了便于設(shè)計(jì)人員使用的應(yīng)用程序，并以YBSD礦用隔爆型三相異步電機(jī)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性和程序計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.1程序簡(jiǎn)介

根據(jù)水冷電機(jī)常用機(jī)殼、端蓋、電氣元件水冷結(jié)構(gòu)的特征及實(shí)際應(yīng)用情況，應(yīng)用程序主要涉及了水冷機(jī)殼計(jì)算、水冷端蓋計(jì)算、電氣元件水冷板結(jié)構(gòu)計(jì)算三個(gè)部分。圖3～圖5給出了計(jì)算程序的主界面以及機(jī)殼計(jì)算部分的輸入界面和結(jié)果輸出界面。

圖3 水冷結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的主界面

圖4 機(jī)殼部分的輸入界面

圖5 結(jié)果輸出界面

2.2實(shí)例驗(yàn)證

以700 kW-4P的YBSD礦用隔爆型三相電機(jī)為例，以其機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，利用開發(fā)編制的應(yīng)用計(jì)算程序進(jìn)行了水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱力計(jì)算與電機(jī)溫升計(jì)算。

2. 2. 1 基本技術(shù)參數(shù)

表1給出了程序計(jì)算中與電機(jī)相關(guān)所需輸入的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2. 2. 2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

表2將程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電機(jī)水路結(jié)構(gòu)尺寸及電機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

由表2可知，應(yīng)用計(jì)算程序得出的水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)尺寸以及電機(jī)溫升情況均能較好地貼合實(shí)際情況，并且滿足電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)利用有限元仿真，計(jì)算機(jī)殼水路進(jìn)出口壓差損失約為0.52 MPa，與程序結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算程序的可行性和準(zhǔn)確性。

表2 程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)體電機(jī)數(shù)據(jù)的對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在流體力學(xué)及電機(jī)傳熱學(xué)理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用VB語(yǔ)言開發(fā)編制了具有參數(shù)化和可視化的水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫升計(jì)算程序。同時(shí)，以YBSD礦用隔爆型三相異步電機(jī)為例，應(yīng)用計(jì)算程序?qū)ζ錂C(jī)殼水路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱力計(jì)算與電機(jī)溫升計(jì)算；通過(guò)與實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明了該程序方法的可行性與準(zhǔn)確性，并可在其他水冷電機(jī)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

[1] 丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[2] 魏永田,孟大偉,溫嘉斌.電機(jī)內(nèi)熱交換[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] 吳望一.流體力學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1982.

[4] 李青青,黃勤,楊立,等.永磁同步電機(jī)水冷系統(tǒng)散熱參數(shù)分析與熱仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(4): 188-191.

[5] 溫嘉斌,許明宇.防爆型水冷電機(jī)內(nèi)換熱與溫度場(chǎng)計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(2): 393-397.

[6] 梁培鑫,柴鳳,李翠萍,等.水冷電機(jī)水路設(shè)計(jì)的研究[J].微電機(jī),2013,46(5): 1-4.

[7] 李子健.電動(dòng)車用水冷感應(yīng)電機(jī)溫度場(chǎng)及其水冷系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

DesignofWater-CooledStructureandCalculationofTemperatureRiseofMineExplosion-ProofMotor

LIJiancheng1,2,WANGFuchun1,2

(1. Beijing Ramp;D Center of Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Beijing 100070, China;2. National Engineer Research Center of Explosion-Proof Motor, Jiamusi 154002, China)

To make sure of the heating transfer and safe running of mine explosion-proof motor which had special structure and applying situation such as small size, high power and terrible heat, it’s the key to design a rational and suitable water-cooled structure. A program based on the heat transfer and hydrodynamic theory was compiled in this paper research on the water-cooled structure and temperature rise of the YBSD motor. The calculation result was compared with the case and date from actual motor, then the feasibility and accuracy of the calculation method was verified, which provided a technological means.

mineexplosion-proofmotor;water-cooled;temperaturerise;calculationprogram

李建成(1987—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

TM 351

A

1673-6540(2017)11- 0089- 06

2016 -08 -15