李滔　廖力康　江鑫坤　秦登

摘 要：隨著電機制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電機的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，并且不斷向著大型化方向發(fā)展。由于電機的體型越來越大，電機內(nèi)部單位體積的發(fā)熱量隨之增加，因此對電機通風(fēng)散熱的要求不斷提高。大型異步電機對通風(fēng)散熱的高要求決定了其在應(yīng)用與設(shè)計過程中要對通風(fēng)散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。但是，從現(xiàn)有的異步電機優(yōu)化設(shè)計來看，由于異步電機通風(fēng)散熱的方式可以相互借鑒，因此一些小型企業(yè)在研發(fā)大型異步電動機的過程中并不注重對通風(fēng)散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致大型異步電動機在通風(fēng)散熱方面存在不完善之處。這不僅制約著異步電動機工作效率的提升，也難以踐行綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。基于此，針對大型異步電動機的通風(fēng)散熱優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：大型異步電機;通風(fēng)散熱;發(fā)熱量

中圖分類號：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0038-03

Abstract： With the continuous development of motor manufacturing technology， the structure of motor is more and more complex， and it is developing towards large-scale direction. The heating capacity per unit volume of large motor also increases， so the requirement for motor ventilation and heat dissipation is higher. The high requirements of large asynchronous motor for ventilation and heat dissipation determine that the ventilation and heat dissipation should be optimized in the application and design process of large asynchronous motor. However， from the current optimization design of asynchronous motor， because the ventilation and heat dissipation methods of asynchronous motor can be used for reference from each other， some small enterprises do not pay attention to the optimization design of ventilation and heat dissipation in the process of developing large asynchronous motor， which leads to the imperfection of ventilation and heat dissipation of large asynchronous motor， And it exists for a long time in the industry， which not only restricts the improvement of the efficiency of asynchronous motor， but also fails to implement the concept of green sustainable development.Based on this， this paper analyzes and discusses the ventilation and heat dissipation optimization design of large asynchronous motor.

Keywords： large asynchronous motor;ventilation and heat dissipation;calorific capacity

1 大型異步電機相關(guān)概述

1885年，意大利物理學(xué)家、電氣工程師費拉里斯發(fā)明了異步電機。經(jīng)過100多年的發(fā)展，異步電機已經(jīng)成為推動社會和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工業(yè)設(shè)備。當(dāng)前，社會的各個行業(yè)生產(chǎn)都已經(jīng)離不開異步電機。異步電機主要是通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將機電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的交流電機[1]。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，異步電機可以分為鼠籠式異步電機和繞線式異步電機。由于異步電機生產(chǎn)量巨大且在各個行業(yè)和領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，因此異步電機的產(chǎn)品種類繁多，規(guī)格和各種配套機械十分完善，推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展。

2 大型異步電機通風(fēng)散熱的基本問題

2.1 大型異步電機的通風(fēng)方式分析

大多數(shù)異步電機主要以空氣作為冷卻介質(zhì)構(gòu)建冷卻系統(tǒng)，主要有自冷、扇冷、管道通風(fēng)冷卻、自由循環(huán)式通風(fēng)、封閉循環(huán)式通風(fēng)以及熱管冷卻等多種方式。通常，扇冷主要分為自扇冷和他扇冷，其中自扇冷是最常見的通風(fēng)方式。

在應(yīng)用過程中，根據(jù)電機內(nèi)部冷卻空氣的流通方向，大型異步電機的通風(fēng)方式又可以分為徑向、軸向和徑向-軸向混合式3種[2]。

如果采用徑向通風(fēng)冷卻的方式，通常通過裝在電機兩端的兩個風(fēng)扇，在風(fēng)力的作用下使外徑轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子外徑大致相同。冷空氣由電極兩端進(jìn)入時，通過電機鐵芯中部風(fēng)道，經(jīng)由基座中部排除。這種對稱性系統(tǒng)能夠確保大型電機內(nèi)部溫度的均勻性，因此在大型異步電機中應(yīng)用較為廣泛。

如果采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)，則可以安裝直徑相對較大的風(fēng)扇，且可以加大風(fēng)壓和風(fēng)量，也可以減少軸向長度，從而縮短電機加工時間，降低大型異步電機的設(shè)計與制造成本。但是，這種通風(fēng)方式存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在沿軸向冷卻的過程中存在降溫冷卻不均勻的情況，不利于轉(zhuǎn)子上部件的鼓風(fēng)作用。

采用徑向-軸向混合式通風(fēng)，適用于8級以上的較低速電機。對于大型異步電機來說，異步電機的冷卻關(guān)鍵技術(shù)在于通風(fēng)元件及其派生結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2.2 異步電機內(nèi)部熱量來源分析

從內(nèi)在因素來看，異步電機的各種損耗是異步電機產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象的主要因素。因此，要想分析計算出異步電機內(nèi)部通風(fēng)散熱的實際情況，就要分析其發(fā)熱情況。通過計算得出各種損耗的數(shù)據(jù)以及這些內(nèi)部熱量在異步電機的分布情況，才能更好地進(jìn)行通風(fēng)散熱優(yōu)化[3]。

具體來說，異步電機損耗通?？梢苑譃橐韵聨讉€類別。①鐵損耗。鐵損耗主要分為基本損耗和附加損耗。異步電機通常只考慮定子鐵芯中的基本鐵損耗。②銅損耗。銅損耗主要是電機的定子銅損耗和轉(zhuǎn)子銅損耗。也有一些電機的轉(zhuǎn)子用鋁做成，這一部分熱量損耗是由于鋁損耗而來的，也稱之為鋁損耗。③雜散損耗。雜散損耗是指除了電機中的鐵損耗、銅損耗以及機械損耗之外的其他所有損耗，主要分布在電子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯等處。④機械損耗。機械損耗包含的部分較多，主要有軸承損耗和通風(fēng)損耗。軸承損耗是電機頂端由于軸承摩擦而產(chǎn)生的熱量，并將帶來的損耗散布在電機軸承和端蓋兩個部分。通風(fēng)損耗是在冷卻空氣的過程中電機內(nèi)部由于運動而產(chǎn)生的摩擦帶來的損耗。

2.3 異步電機的穩(wěn)定溫升

由于異步電機在運行過程中會因各種損耗而產(chǎn)生熱量，因此在電機啟動的初期階段會導(dǎo)致異步電機本身溫度升高，且溫度上升的速度較快。隨著異步電機溫度的不斷提高，異步電機和周圍介質(zhì)之間的溫差會不斷加大，導(dǎo)致異步電機向外散出的熱量越來越多，致使能夠提高異步電機溫度的熱量減少。此時，異步電機溫度升高的速度逐漸減慢。異步電機在運行過程中會將產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍的介質(zhì)，最終達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。此時，異步電機在每秒鐘產(chǎn)生的熱量等于每秒鐘向周圍介質(zhì)散出的熱量，這一溫度被稱之為異步電機的穩(wěn)定溫度。

要想有效解決異步電機的冷卻問題，提高異步電機的冷卻性能，應(yīng)當(dāng)分析異步電機的冷卻介質(zhì)、冷卻方式和風(fēng)路系統(tǒng)，確保選用合適的介質(zhì)帶走異步電機中產(chǎn)生的各種熱量，以及采用這些介質(zhì)在異步電機中使用的流通方式。

3 大型異步電機通風(fēng)散熱優(yōu)化分析

3.1 定子繞組端部綁扎

在進(jìn)行大型異步電機通風(fēng)設(shè)計與優(yōu)化的過程中，定子繞組端部主要用玻璃絲進(jìn)行捆綁操作，過程中沒有用到墊塊。采用這種簡單的綁扎方式，容易產(chǎn)生繞組端部包扎層數(shù)過多的問題，可能會導(dǎo)致端部之間的間隙幾乎不存在。針對大型異步電機定子繞組端部綁扎過程，為了確保線圈之間有足夠的縫隙實現(xiàn)通風(fēng)散熱，德國西門子公司紐倫堡電器廠在綁扎過程中選擇加入墊塊。隨著電機級數(shù)的不斷增加，不同的電機規(guī)格可選擇的墊塊規(guī)格種類相對較多。在綁扎操作過程中加入墊塊，有效解決了這一部分通風(fēng)散熱的問題[4]。

3.2 帶支架的轉(zhuǎn)子

大型異步電機設(shè)計與制造的過程中，軸上焊筋的轉(zhuǎn)子被稱之為帶支架的轉(zhuǎn)子。在進(jìn)行大型異步電機通風(fēng)散熱優(yōu)化的過程中，對帶支架的轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，要考慮帶支架的轉(zhuǎn)子縱筋數(shù)目不能過多。當(dāng)前，絕大多數(shù)大型異步電機生產(chǎn)廠家選擇6根縱筋的相對較多。如果筋的設(shè)計數(shù)量過多，不僅會浪費生產(chǎn)和設(shè)計的工時，也會浪費大量的焊材和鋼板，還會出現(xiàn)各種問題。當(dāng)筋與軸焊接時，如果焊接處的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，那么會導(dǎo)致軸的物理性能下降。如果筋的數(shù)目增加到8個左右，那么金相結(jié)構(gòu)遭到破壞的區(qū)域有可能形成一周，此時有可能發(fā)生軸斷裂的情況。如果筋的數(shù)量過多，則不利于通風(fēng)。因此，要想有效提高大型異步電機的通風(fēng)效果，需要合理設(shè)計縱筋的數(shù)目，并根據(jù)異步電機的工作需要，在材料、分布以及厚度等各個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.3 內(nèi)外風(fēng)扇以及軸承部位的冷卻

大型異步電機拖動的負(fù)荷通常是一個方向旋轉(zhuǎn)，因此進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計時，越來越多的廠家傾向于生產(chǎn)可以正反旋轉(zhuǎn)的電機，以便利用雙向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇實現(xiàn)通風(fēng)散熱。但是，由于雙向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇能量損耗較大且噪聲大，因此在進(jìn)行異步電機通風(fēng)散熱優(yōu)化的過程中，要著重考慮這種旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇使用的合理性。內(nèi)外風(fēng)扇以及軸承部位的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念下，通過設(shè)計者與客戶之間的協(xié)調(diào)，完成最終的設(shè)計。在設(shè)計與制造過程中，要盡量選擇后傾式內(nèi)外風(fēng)扇。作為電機通風(fēng)系統(tǒng)的核心部件，它只有產(chǎn)生足夠的風(fēng)壓，才能確保氣體能夠順利通過電機部件帶走多余的熱量。采用后傾式風(fēng)扇要考慮到大型異步電機的實際應(yīng)用需求，同時要考慮到具體的應(yīng)用情況，確保其應(yīng)用的合理性。

3.4 實現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)路的最佳搭配

對大型異步電機的內(nèi)外風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化，是實現(xiàn)異步電機通風(fēng)散熱的重要路徑。在針對風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化的過程中，考慮到異步電機的工作特點采取相應(yīng)的方式，才能取得良好的效果。為了更好地實現(xiàn)風(fēng)路的最佳搭配，要對電機內(nèi)部流體場和溫升的實際情況進(jìn)行計算，找出大型異步電機溫升的最高值位置進(jìn)行實驗驗證，以作為外風(fēng)路分析的初始條件，還要綜合考慮影響大型異步電機溫升的環(huán)境因素[5]。最后，分析電機風(fēng)扇外特性，對比多個方案的效率，提出最終的優(yōu)化方案。例如，可以在冷卻器外部路口增設(shè)一些導(dǎo)風(fēng)板，也可以在冷卻器管束外側(cè)添加散熱翅片，以實現(xiàn)內(nèi)外風(fēng)路的最佳搭配。

4 結(jié)語

大型異步電機的設(shè)計與生產(chǎn)是一項較為系統(tǒng)且復(fù)雜的工程，在設(shè)計的過程中不僅要考慮到使用的性能和使用的實際需要，還要優(yōu)化大型異步電機的通風(fēng)散熱效率，才能使大型異步電機維持穩(wěn)定的運行性能，確保使用的穩(wěn)定性。大型異步電機通風(fēng)散熱的方法相對較多，隨著技術(shù)的不斷成熟，可根據(jù)大型異步電機的實際需要，科學(xué)合理地選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案。在制定優(yōu)化方案的過程中，要充分考慮大型異步電機的熱量來源，以針對產(chǎn)生熱量的各個部位進(jìn)行深入分析。在明確熱量來源的基礎(chǔ)上，根據(jù)大型異步電機的各個部位，選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案和優(yōu)化措施，以不斷提高大型異步電機通風(fēng)散熱優(yōu)化的效果。

參考文獻(xiàn)：

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[5]李宗樹，楊萬青.中小型異步電機的通風(fēng)散熱[J].防爆電機，2018（1）：40-42.