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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

大中型異步電機(jī)的通風(fēng)散熱

李宗樹，楊萬青

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

針對(duì)目前高效電機(jī)在電磁負(fù)荷較低的情況下，有些規(guī)格電機(jī)的溫升仍居高不下，對(duì)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，旨在通過改善通風(fēng)散熱，在維持能效指標(biāo)的前提下提高電磁負(fù)荷，以達(dá)到既高效，又節(jié)省有效材料的目的。另外，對(duì)本行業(yè)普通采用的結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)子支架縱筋的數(shù)目，探討改進(jìn)的渠道；同時(shí)，拋出可供行業(yè)研討的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)。

通風(fēng)散熱；熱交換；能效限制；傳導(dǎo)；輻射

0 引言

異步電機(jī)(本文均指“封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)”)的通風(fēng)散熱對(duì)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及全方位的質(zhì)量指標(biāo)均起到至關(guān)重要作用。因?yàn)樗幌耠姶旁O(shè)計(jì)，利用行業(yè)中現(xiàn)有的、比較成熟的設(shè)計(jì)程序，就可以找到比較理想的設(shè)計(jì)方案，它需要依賴一些專項(xiàng)試驗(yàn)、對(duì)比、分析才能找到較優(yōu)方案。由于異步電機(jī)現(xiàn)有的通風(fēng)散熱方式可以互相仿效、借鑒，規(guī)模較小的企業(yè)很難，或者不愿開展此項(xiàng)專題的試驗(yàn)研究，使得某些局部不完善之處，一直在本行業(yè)中沿用著。加之近20余年在材料、加工工藝及設(shè)計(jì)技術(shù)上的改進(jìn)，通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)也該“水漲船高”。因此對(duì)有些傳統(tǒng)的、不盡完善之處，對(duì)提高性能、質(zhì)量又有潛力可挖的局部結(jié)構(gòu)，仍需業(yè)內(nèi)人士進(jìn)一步探討。

1 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

通過對(duì)大中型異步電機(jī)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

(1)異步電機(jī)的散熱途徑有：傳導(dǎo)、輻射及對(duì)流。

(2)異步電機(jī)的通風(fēng)元件有：內(nèi)、外風(fēng)扇、風(fēng)罩、擋風(fēng)板、通風(fēng)槽板及熱交換器等。

(3)異步電機(jī)的風(fēng)路：內(nèi)風(fēng)路有：軸向、徑向、軸徑向，見圖1、圖2、圖3。

圖1內(nèi)風(fēng)路為軸向的異步電機(jī)

圖2內(nèi)風(fēng)路為徑向的異步電機(jī)

圖3內(nèi)風(fēng)路為軸徑向的異步電機(jī)

外風(fēng)路，隨冷卻方式不同有：IC611、IC616、IC511、IC81W及IC15、IC17幾種，見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。

圖4 IC611自帶置于上部熱交換器的異步電機(jī)

圖5 IC616外加置于電機(jī)上部自帶風(fēng)機(jī)的熱交換器的異步電機(jī)

圖6 IC511帶有沿機(jī)座周圍均勻分布的熱交換器及異步電機(jī)

圖7 IC81W帶空/水冷卻熱交換器的異步電機(jī)

圖8異步電機(jī)

風(fēng)路點(diǎn)評(píng)：內(nèi)風(fēng)路，鐵心不太長時(shí)，軸向(圖1)較好。瑞士BBC測(cè)試，盡管溫度場(chǎng)不如徑向均勻，但在電磁負(fù)荷相近的情況下，其最高發(fā)熱部位并比不徑向(圖2)的高。

圖2宜用在2、4極電機(jī)上。因此種通風(fēng)方式內(nèi)風(fēng)扇外徑不能大于定子內(nèi)徑。2、4極電機(jī)轉(zhuǎn)速高，可以彌補(bǔ)內(nèi)風(fēng)扇外徑小的不足之處?；旌贤L(fēng)(圖3)宜用在低速電機(jī)上。

外風(fēng)路，熱交換器沿機(jī)座周圍均勻分布的結(jié)構(gòu)(圖6)風(fēng)路分布均勻，冷卻效果較好，其中心高于其余幾種，可以采用將底腳抬高(安裝方式為IMB20)的措施解決。

空/水冷(圖7)、他冷(圖8a)、管道通風(fēng)(圖8b)在使用部門同意的情況下是最為理想的通風(fēng)方式：冷卻效果好、噪聲低。

圖4(IC611)、圖5(IC616)是目前大中型異步電機(jī)生產(chǎn)廠家廣泛采用的結(jié)構(gòu)，若采用消聲措施，與內(nèi)風(fēng)路匹配得當(dāng)。任何轉(zhuǎn)速上選用此結(jié)構(gòu)均能收到滿意的效果。

對(duì)于靜止的導(dǎo)風(fēng)元件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：在電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)阻及噪聲要小，其結(jié)構(gòu)還要顧及到便于清理污垢。內(nèi)、外風(fēng)扇宜選用軸流式、離心式中的后傾式。

2 有待探討、改進(jìn)之處

通風(fēng)散熱方式、風(fēng)路結(jié)構(gòu)及其選用，已是設(shè)計(jì)人員熟知之事，毋需贅述。以下側(cè)重闡述容易被忽略，且對(duì)質(zhì)量、性能又有較大影響的幾處結(jié)構(gòu)。

2.1 定子繞組端部綁扎

目前，本行業(yè)在定子繞組端部綁扎的操作上，幾乎均采用玻璃絲繩一綁了之，見圖9(a)，不加墊塊。若設(shè)計(jì)時(shí)將Xi(線圈端部的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)，在程序中按設(shè)計(jì)員選定的數(shù)值輸入電腦中)選的偏小，繞組端部包扎的層數(shù)偏多，端部間隙Xi(繞組端部線圈間的間距)幾乎就不存在了。端部在整個(gè)繞組中占有一定的比例，特別是高壓2、4極電機(jī)，它要占整個(gè)繞組的40%～60%。如果這部分散熱不好，定子繞組的溫升將會(huì)“莫名其妙”地增高。

德國西門子公司紐倫堡電機(jī)廠，在對(duì)高壓電機(jī)定子繞組的端部綁扎中，為了使線圈間有足夠的通風(fēng)散熱間隙，加墊塊，見圖9(b)。并隨電機(jī)的極數(shù)、規(guī)格的不同，墊塊的規(guī)格有6、7種之多。在綁扎的操作中，應(yīng)仔細(xì)、認(rèn)真。

圖9成型繞組端部綁扎示意圖

2.2 帶支架的轉(zhuǎn)子

軸上焊筋的轉(zhuǎn)子，稱為帶支架的轉(zhuǎn)子。軸上焊的筋，有縱筋(有的廠家稱其為“輻鐵”)及橫筋，橫筋也兼做隔風(fēng)板，見圖10。帶支架的轉(zhuǎn)子，其縱筋的數(shù)目不宜太多，目前生產(chǎn)廠家選用6根的較多。6根筋，偏多。當(dāng)軸的直徑為φ200～350mm時(shí)，選用3根或4根30～40mm厚的筋即可。筋的數(shù)目多，除浪費(fèi)工時(shí)、焊條、厚鋼板外，還有以下兩個(gè)缺點(diǎn)

(1)筋與軸相焊時(shí)，焊接處的金相結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，使軸在該處的物理性能下降。若筋的數(shù)目增至6～8個(gè)，金相結(jié)構(gòu)遭到破壞的區(qū)域就可能連成一周，軸就有可能在此處斷裂。有不止一個(gè)廠家在返修的電機(jī)中，轉(zhuǎn)軸沒在最細(xì)的軸伸處斷裂，而在較粗的焊筋處斷裂。

(2)不利于通風(fēng)。兩筋之間的空間為通風(fēng)道。筋的數(shù)目多，勢(shì)必要增大風(fēng)阻，影響通風(fēng)效果。

將縱筋的數(shù)目由6～8個(gè)減到3～4個(gè)的理論依據(jù)就是借助橫筋補(bǔ)強(qiáng)，三種內(nèi)風(fēng)路中的徑向及軸徑向都要在縱筋間加隔風(fēng)板，將它的厚度選為4mm～8mm，與縱筋焊牢，即可起到補(bǔ)強(qiáng)作用。

軸向通風(fēng)時(shí)，橫筋可以設(shè)計(jì)環(huán)狀(圖10)。無論那種形狀的筋，金工加工的外徑的名義(公稱)尺寸及公差要與轉(zhuǎn)子鐵心外徑相同，以方便金工加工時(shí)測(cè)量帶筋軸外徑。

圖10筋與軸相焊時(shí)，軸的金相結(jié)構(gòu)遭到破壞示意圖

西屋加拿大生產(chǎn)的2700kW 6極繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)帶筋的軸，一端有隔風(fēng)板作為補(bǔ)強(qiáng)的橫筋，縱筋只用了3根40mm的厚鋼板。

焊筋軸金工加工前要經(jīng)過時(shí)效處理，在630℃溫度下保溫4h，爐溫降至200℃～300℃時(shí)出爐自然冷卻。若焊縫較大，應(yīng)該分2～3次焊成，且每次焊后都要時(shí)效處理。焊接操作時(shí)，焊件的溫度越高越好，盡量在大于200℃溫度下焊成。焊條盡量選用G506的。

2.3 內(nèi)、外風(fēng)扇均應(yīng)選用后傾式的

大中型電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)荷絕大多數(shù)是一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的。但是生產(chǎn)廠家及電機(jī)的使用部門，出于管理上方便，不必在旋轉(zhuǎn)方向上分心，都愿意生產(chǎn)、選用可以正反轉(zhuǎn)的電機(jī)，可以雙向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，其損耗、噪聲都比后傾式的大。這就需要雙方從節(jié)能、文明生產(chǎn)的整體利益出發(fā)達(dá)成共識(shí)。

2.4 注意軸承部位的冷卻

采用脂潤滑滾動(dòng)軸承的異步電機(jī)，其機(jī)械故障絕大部分出在軸承處。軸承部位溫度偏高是其發(fā)生故障的主要原因之一。因此，帶有內(nèi)循通風(fēng)的電機(jī)，在風(fēng)路設(shè)計(jì)上不要忽略對(duì)軸承部位通風(fēng)、冷卻。例如，若熱氣流不可避免地要流經(jīng)軸承附近的空腔時(shí)，可借助擋風(fēng)板減弱它對(duì)軸承部位的直接吹拂。

用測(cè)溫槍在軸承外蓋處測(cè)得的溫度不宜高于50℃；用埋入端蓋或軸承套中的Pt100測(cè)得的溫度不宜高于70℃。

3 內(nèi)、外風(fēng)路的最佳搭配

若外風(fēng)路選用圖6，與圖4、圖5相比，風(fēng)路短，風(fēng)阻也小。當(dāng)內(nèi)風(fēng)路選用圖2的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以考慮將軸上的縱筋焊成傾斜式，讓它兼做內(nèi)風(fēng)扇，見圖11。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子上的徑向通風(fēng)道的寬度應(yīng)由傳統(tǒng)的10mm改為20mm。裸露在徑向通風(fēng)道中的銅排，就是一個(gè)離心式風(fēng)扇，軸上扭斜式的焊筋，實(shí)際上就是一個(gè)軸流式風(fēng)扇。在這兩個(gè)風(fēng)扇的聯(lián)合作用下，本結(jié)構(gòu)的通風(fēng)散熱效果不會(huì)比帶專設(shè)內(nèi)風(fēng)扇(采用本結(jié)構(gòu)時(shí)，軸上的內(nèi)風(fēng)扇及定子上的擋風(fēng)板都可以取消)的結(jié)構(gòu)差的太大。

圖11選用圖2風(fēng)路(圖b)、圖3風(fēng)路(圖a)時(shí)筋的布置

4 結(jié)語

(1)異步電機(jī)盡管問世百余年，仍存在改進(jìn)的空間。李克強(qiáng)總理在2016年的政府工作報(bào)告中“創(chuàng)新”一詞出現(xiàn)四十余次；20國杭州峰會(huì)上，中國拋出的治理經(jīng)濟(jì)的“中國藥”—?jiǎng)?chuàng)新、開放、聯(lián)動(dòng)、包容，將“創(chuàng)新”列為首位。我們?cè)陔姍C(jī)的局部上做些改進(jìn)，不言創(chuàng)新，至少也與“創(chuàng)新”這一國策合拍。

(2)合理的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)將會(huì)帶來可觀的效益。在相互效仿的同時(shí)，不要放過一點(diǎn)點(diǎn)地改進(jìn)余地，應(yīng)學(xué)習(xí)德國“不厭其煩”的工作作風(fēng)。

(3)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，需依賴試驗(yàn)。借鑒哪家的結(jié)構(gòu)也不如自己研制的可信度高；并且適用于本廠的加工工藝。

(4)從提高電機(jī)壽命著眼，通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一要使定、轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)盡量均勻；二要顧及到軸承部位的冷卻。

[1] 楊萬青，陳興衛(wèi).電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] Kovacevic I.and Streck A.Squirrel Motors for 400 to 1000 kW.BROWN BOVERI REVIEW.

EntilationandHeatDissipationofLarge-andMedium-SizedAsynchronousMotor

LiZongshuandYangWanqing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Based on the current conditions of low electromagnetic load in high-efficiency motor and high temperature-rise in some of these motors, this paper analyzes its ventilation cooling structure. It aims to improve electromagnetic load in maintaining the index of energy efficiency by improving ventilation and heat dissipation, so as to achieve the purpose of improving efficiency and saving effective material. In addition, for the ordinarily-adopted structure in this industry, such as the number of longitudinal bars of rotor spider, this paper discusses its improved channel, and simultaneously gives the ventilation cooling structure for industry research.

Ventilation and heat dissipation；heat exchange；energy efficiency limit；conduction；radiation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.16

TM306

B

1008-7281(2017)06-0050-004

李宗樹男1985年生；畢業(yè)于佳木斯大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2017-09-16