何沖,崔斯柳,王昕
(中車株洲電機(jī)有限公司,湖南株洲,412001)
電機(jī)溫升是決定電機(jī)絕緣壽命的主要因素[1]。電機(jī)溫升主要取決于電機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量及本身的通風(fēng)散熱能力[2]。電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量主要來自定子銅耗、定子鐵耗及轉(zhuǎn)子銅耗。由于轉(zhuǎn)子鐵耗較小,計(jì)算時(shí)一般都忽略不計(jì)[3]。電機(jī)的通風(fēng)散熱能力主要取決于通風(fēng)量、風(fēng)量結(jié)構(gòu)合理性及各種材料的導(dǎo)熱能力。
近年來,隨著牽引電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度不斷提高,電機(jī)溫升問題已經(jīng)成為影響牽引電機(jī)性能進(jìn)一步發(fā)展的主要問題之一。相應(yīng)地,合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確的通風(fēng)量及溫升預(yù)估已經(jīng)成為牽引電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。
電機(jī)溫升是指電機(jī)的溫度與環(huán)境溫度之差,單位用K表示。牽引電機(jī)的通風(fēng)方式主要有自通風(fēng)與強(qiáng)迫通風(fēng)兩種[4]。對于自通風(fēng)的電機(jī),計(jì)算電機(jī)溫升時(shí)的環(huán)境溫度一般取電機(jī)周圍1米范圍內(nèi)的環(huán)境溫度。對于強(qiáng)迫通風(fēng)的電機(jī),計(jì)算電機(jī)溫升時(shí)的環(huán)境溫度一般取電機(jī)進(jìn)風(fēng)口的冷卻風(fēng)溫度。
電機(jī)的溫升限值是電機(jī)運(yùn)行時(shí)所能承受的最高溫升。在合理的溫度環(huán)境中,電機(jī)在此溫升下長期使用,絕緣材料的物理、化學(xué)、機(jī)械及電氣性能不會發(fā)生顯著惡性變化。
電機(jī)的溫升限值取決于電機(jī)所采用的絕緣材料等級,目前國內(nèi)常見的牽引電機(jī)大多采用的是200級絕緣。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25123.2的要求,采用200級絕緣的牽引電機(jī)的溫升限值為200K[5],該溫升限值為采用電阻法測得的定子繞組溫升。
電機(jī)溫升過高,會加速繞組絕緣的老化,引起繞組絕緣出現(xiàn)匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪返裙收?,最終使繞組燒損。
目前國內(nèi)常見的牽引電機(jī)大多采用的是200級絕緣,該絕緣結(jié)構(gòu)在200℃溫度的使用壽命約為8萬小時(shí)。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),該絕緣結(jié)構(gòu)使用溫度每上升10℃后,使用壽命將減半,即電機(jī)溫升增加20K后,絕緣壽命將縮減為原來的1/4。因此,電機(jī)溫升過高會縮短電機(jī)繞組絕緣的使用壽命。
電機(jī)溫升過高,繞組帶來的熱輻射會提高傳動端及非傳動端軸承室的溫度,軸承室溫度的提高會加速軸承潤滑脂的老化,降低軸承潤滑脂的潤滑作用,導(dǎo)致軸承磨損加劇,輕者軸承損壞,重者還會引起轉(zhuǎn)子掃堂。
定子繞組直線部分的發(fā)熱來自定子繞組直線部分電磁線通電后產(chǎn)生的熱量。繞組直線部分的電磁線通電后產(chǎn)生的一部分熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣向定子槽的兩側(cè)及底部鐵心散出;另一部分熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣、槽楔向定轉(zhuǎn)子之間的氣隙散出。其計(jì)算方法如下:
式中:A—定子線負(fù)荷(A/cm);J1—定子電流密度(A/mm2);t—定子齒距(mm);δu—匝間及外包絕緣層總厚度(mm);Π—定子槽周長(mm)。
從式(1)可知,造成繞組直線部分溫升θu的發(fā)熱來自于電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1,影響繞組直線部分溫升θu的散熱因素為定子齒距t、匝間及外包絕緣層總厚度δu、定子槽周長Π。
因此,降低繞組直線部分溫升θu的措施有:減小電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1、減小定子齒距t、減小匝間及外包絕緣層總厚度δu、增加定子槽周長Π。
定子繞組端部部分的發(fā)熱來自定子繞組端部部分的電磁線通電后產(chǎn)生的熱量。繞組端部部分的電磁線通電后產(chǎn)生的熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣向繞組端部的空氣部分散出。其計(jì)算方法如下:
式中:aΠ—繞組端部比熱流(W/cm2),—冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度(m/s)。
從式(2)可知,造成繞組端部部分溫升θΠ的發(fā)熱來自于電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1,影響繞組直線部分溫升θΠ的散熱因素為定子齒距t、定子槽周長Π、冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF(即風(fēng)量大小)。
因此,降低繞組端部部分溫升θΠ的措施有:減小電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1、減小定子齒距t、增加定子槽周長Π、增加冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF(即增加風(fēng)量大小)。
電機(jī)運(yùn)行時(shí)的定子鐵耗主要由定子通風(fēng)孔內(nèi)表面及定子鐵心外表面散出。其計(jì)算方法如下:
式中:ac—定子表面比熱流[6](W/cm2),
Pfe—定子鐵耗(kW);Ps—雜散損耗(kW);D1——定子外徑(mm);Di1—定子內(nèi)徑(mm);l—鐵心長度(mm);ρ—熱影響系數(shù),一般取0.02~0.03;av—定子散熱系數(shù)(A/ (oC?cm2)),av=3.3×10?3(1 + 0.1VF)。
從式(3)可知,造成定子鐵心表面溫升θa的發(fā)熱來自于電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1、定子鐵耗Pfe、雜散損耗Ps,影響定子鐵心表面溫升θa的散熱因素為定子外徑D1、定子內(nèi)徑Di1、鐵心長度l、熱影響系數(shù)ρ、冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF(即風(fēng)量大?。?/p>
因此,降低定子鐵心表面溫升θa的措施有:減小電機(jī)的熱負(fù)荷A×J1、減小定子鐵耗Pfe、減小雜散損耗Ps、減小定子內(nèi)徑Di1、增加定子外徑D1、增加鐵心長度l、增加冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF(即增加風(fēng)量大?。?/p>
電機(jī)總溫升為定子繞組直線部分溫升、定子繞組端部部分溫升及定子鐵心表面溫升之和,并考慮繞組直線部位長度及端部長度對各部位溫升的影響。其計(jì)算方法如下:
式中:lΠ—繞組端部長度(mm);lz—繞組平均半匝長(mm)。
從式(4)可知,降低電機(jī)總溫升,除了上述降低繞組直線部分溫升uθ、繞組端部部分溫升θΠ、定子鐵心表面溫升aθ的措施外,還可以減小繞組端部長度lΠ和增加繞組平均半匝長lz。
根據(jù)上述計(jì)算方法所得的電機(jī)溫升值為牽引電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的理論計(jì)算值,理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。以下將通過試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比來驗(yàn)證上述計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。以我司研制的兩種型號機(jī)車牽引電機(jī)為例,電機(jī)參數(shù)、溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比如表1所示。
表1 電機(jī)主要參數(shù)及溫升值
通過表1的數(shù)據(jù)可知,對于電機(jī)A,溫升計(jì)算值為116K、溫升試驗(yàn)值為106K、計(jì)算誤差為6.1%;對于電機(jī)B,溫升計(jì)算值為107K、溫升試驗(yàn)值為101K、計(jì)算誤差為5.6%。
采用上述方法計(jì)算的兩種不同型號電機(jī)的溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差分別為6.1%和5.6%,計(jì)算誤差在工程允許的誤差范圍內(nèi),驗(yàn)證計(jì)算方法可行[7]。對于電機(jī)設(shè)計(jì)的溫升計(jì)算來說,能夠滿足計(jì)算要求,并對方案的選取起指導(dǎo)作用。
溫升計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,在電機(jī)設(shè)計(jì)階段,需要計(jì)算多個(gè)方案進(jìn)行性能參數(shù)對比,而電機(jī)的溫升是性能參數(shù)對比的重要環(huán)節(jié)。因此,準(zhǔn)確的電磁計(jì)算、適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量選取、合理的風(fēng)路設(shè)計(jì)是判斷電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。通過對溫升計(jì)算方法及改善措施的研究,避免由于溫升過高而導(dǎo)致電機(jī)設(shè)計(jì)不合理及影響電機(jī)使用壽命。