張煥高 韓志成

摘 要：伴隨著科技經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前高功率密度電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其電機(jī)的散熱問(wèn)題也越來(lái)越備受關(guān)注。基于此，本文通過(guò)對(duì)某廠(chǎng)水泵驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)進(jìn)行水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，進(jìn)而有效降低電動(dòng)機(jī)的總發(fā)熱量，合理分布熱源，提高散熱效率。

關(guān)鍵詞：水冷電動(dòng)機(jī)；水路設(shè)計(jì)；散熱能力

現(xiàn)代電機(jī)大多采用軛磁密較高的電機(jī)，該電機(jī)雖然具有體積小、節(jié)省材料的特性，但是該電機(jī)卻存在散熱差的技術(shù)缺陷?，F(xiàn)階段，很多企業(yè)采用的異步電動(dòng)機(jī)的散熱形式主要是利用散熱風(fēng)扇通過(guò)空氣流動(dòng)的風(fēng)冷系統(tǒng)來(lái)冷卻電機(jī)。但是風(fēng)冷系統(tǒng)只適用于體積較大、功率較小的電機(jī)，對(duì)于高速、大功率及小體積的電機(jī)采用液冷系統(tǒng)可發(fā)揮更好地效果。液體熱容量和導(dǎo)熱能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，因此液冷系統(tǒng)的冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷系統(tǒng)。采用液冷系統(tǒng)不僅可以規(guī)范電機(jī)工作溫度，延長(zhǎng)使用壽命，而且在液冷系統(tǒng)下應(yīng)用高功率高電磁的復(fù)合的電機(jī)可以有效提高材料的利用率；此外液冷電機(jī)還具有損耗小、噪音低的優(yōu)點(diǎn)。所以，合理優(yōu)化水冷電機(jī)的水路設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)降低電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量，提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重大意義。

1 電機(jī)熱量傳遞分析

某水冷電動(dòng)機(jī)的熱量傳遞如下圖1所示。由圖1我們可知，電機(jī)的主要發(fā)熱元件是：定子鐵芯以及定轉(zhuǎn)子繞組，由定子鐵芯所產(chǎn)生的熱量可直接傳遞到機(jī)座，而定子繞組產(chǎn)生的熱量是先傳遞給鐵芯然后再有鐵芯傳遞到機(jī)座，最后再通過(guò)冷卻液進(jìn)行循環(huán)降溫；轉(zhuǎn)子繞組的熱量傳遞主要有兩種路線(xiàn)形式，其一，是由轉(zhuǎn)子兩端的空氣介質(zhì)直接傳遞到機(jī)座。其二，是由氣隙先傳遞給定子鐵芯再通過(guò)定子鐵芯傳遞到機(jī)座。

圖1 電機(jī)熱量傳遞示意圖

高功率密度電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)而言，其電動(dòng)機(jī)定子的軛磁密度較高而且鐵耗也較大。采用液體冷卻的形式可有效降低定子軛部鐵耗產(chǎn)生的熱量，起到很好的電機(jī)散熱效果。依據(jù)這一特征，我們可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整定子齒與軛部的密度，這樣在電動(dòng)機(jī)允許的最大有效尺寸前提下，合理改變定子沖片內(nèi)、外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑及槽型尺寸的方法，適當(dāng)調(diào)整損耗分布情況。通過(guò)對(duì)減小總消耗的優(yōu)化計(jì)算后，電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)和性能如下表1所示。

2 水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水冷電機(jī)的水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是將泵和電機(jī)設(shè)置為一體，由同一根軸直接傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了減少占地面積，可將該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為立式結(jié)構(gòu)。該水泵 的葉輪連接在電機(jī)軸上，隨電機(jī)一起運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的定子安裝在軸承腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子兩端分別安裝在上下軸承內(nèi)。這樣去掉了電機(jī)軸上的散熱風(fēng)扇，由水冷管路冷卻系統(tǒng)進(jìn)行替代。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

其中1.水泵2.引水管 3.水冷電機(jī) 4.環(huán)行管 5.扁管 6.出水管

該冷卻系統(tǒng)的冷卻管路主要由水泵進(jìn)出口的總水頭差進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)水泵開(kāi)始工作時(shí)，冷卻水由水泵出水口經(jīng)引水管、扁管分流，進(jìn)入環(huán)形管的底部位置，排出的冷卻水經(jīng)環(huán)形管頂部和扁管匯流，并從出水管流出這樣完成冷卻系統(tǒng)的水路循環(huán)。

環(huán)形管主要是由多個(gè)支路管相互連接而成的，支路管的數(shù)量對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱情況有直接的影響。如果選用的支路管過(guò)多的話(huà)，雖然增大了換熱面積，但管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生層流流動(dòng)，影響換熱效率；反之如果支路管過(guò)少的話(huà)，管內(nèi)紊流可增大換熱效率但會(huì)縮小換熱面積，使散熱不均勻。因此，支路管的數(shù)量設(shè)置需要進(jìn)行合理地優(yōu)化計(jì)算才行。

另外考慮到電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期使用后會(huì)在水管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，增大水路的阻力，因此在進(jìn)行水路設(shè)計(jì)時(shí)候，需要對(duì)所需的水壓預(yù)留足夠的余量，其中水路的主要參數(shù)如下表2所示，水溫及其物理性能如表3所示。

3 結(jié)論

水冷電機(jī)的冷卻水與電機(jī)的溫差較小，冷卻水量也較小，因此水冷電機(jī)的各個(gè)零部件溫度都相對(duì)較低，比以往傳統(tǒng)的空冷系統(tǒng)散熱效果更好，有效提高了電機(jī)的使用壽命，通過(guò)對(duì)水冷電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算后，改進(jìn)后的計(jì)算參數(shù)均符合電機(jī)的工作要求，經(jīng)投入使用后運(yùn)行良好，有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]傅豐禮，唐孝鎬主編.異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]尚靜，趙猛，劉承軍，等.基于實(shí)踐環(huán)節(jié)的“電機(jī)設(shè)計(jì)”課程[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（5）：45-46.

[3]黃麗芬.《實(shí)用電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》出版[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，（7）：71.

（作者單位：1.浙江吉祥傳動(dòng)設(shè)備有限公司；2.浙江浩龍風(fēng)機(jī)有限公司）