譚德明

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠(chǎng)有限公司，上海 200240)

0 引言

近年來(lái)，在“雙碳經(jīng)濟(jì)”和“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的大背景下，煤炭及石油化工等行業(yè)蓬勃發(fā)展。鑒于上述行業(yè)工況的特殊性，驅(qū)動(dòng)設(shè)備所采用的電機(jī)大多為封閉式結(jié)構(gòu)防爆電機(jī)。隨著驅(qū)動(dòng)設(shè)備的需求向“大、精、專(zhuān)”轉(zhuǎn)變，適配電機(jī)的單機(jī)容量和體積也在不斷增大。電機(jī)的熱損與其長(zhǎng)度因子的立方成正比，而散熱僅與其長(zhǎng)度因子的平方成正比[1]。因此，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)于電機(jī)功率提升有著極為重要的影響。

目前，石化行業(yè)的中、小型電機(jī)(含高、低壓電機(jī))多為表面冷卻，常見(jiàn)的冷卻方式為IC411/IC416，電機(jī)采用散熱筋形式的鑄鐵或鋼板機(jī)座，電機(jī)內(nèi)部受空間所限一般不設(shè)立內(nèi)部風(fēng)路。電機(jī)損耗所產(chǎn)生的發(fā)熱通過(guò)熱傳導(dǎo)等方式傳遞到機(jī)座上的散熱筋，并通過(guò)外部風(fēng)路進(jìn)行冷卻。但隨著電機(jī)容量的增大，僅依靠表面散熱筋已無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)的散熱需求。在這種情況下，即便電機(jī)的熱、磁負(fù)荷等參數(shù)取值不高，也容易造成電機(jī)溫升不合格并且不容易調(diào)整處理。為增加電機(jī)的冷卻能力，封閉式防爆電機(jī)的冷卻方式從單一的IC411冷卻方式逐步發(fā)展出IC511冷卻方式(分布管冷電機(jī))，即通過(guò)提高電機(jī)的散熱表面積來(lái)提高電機(jī)的換熱能力。后續(xù)隨著電機(jī)容量的進(jìn)一步增大，又發(fā)展出IC81W冷卻方式的隔爆型空-水冷卻電機(jī)，即通過(guò)冷卻介質(zhì)的改變來(lái)提高電機(jī)次級(jí)冷卻介質(zhì)的冷卻能力，從而提高電機(jī)單機(jī)容量及散熱能力。

對(duì)于高壓電機(jī)而言，通常有內(nèi)、外兩個(gè)冷卻循環(huán)風(fēng)路。外風(fēng)路相對(duì)簡(jiǎn)單，一般為一次單向風(fēng)路，外風(fēng)路的冷卻水平一般代表著電機(jī)整機(jī)的冷卻能力。為了提升電機(jī)的容量，除了要關(guān)注外風(fēng)路外，還要合理的設(shè)計(jì)內(nèi)循環(huán)風(fēng)路(內(nèi)風(fēng)路)，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)的整機(jī)冷卻能力確定后，內(nèi)風(fēng)路是否合理對(duì)“發(fā)揮”電機(jī)的散熱能力影響至關(guān)重要。

本文以上海電機(jī)廠(chǎng)有限公司生產(chǎn)的YB710M1-2 1800 kW 10 000 V隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行論述，如何通過(guò)改進(jìn)電機(jī)內(nèi)風(fēng)路的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到改善電機(jī)冷卻效果的目的。

1 電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)

YB710-2電機(jī)的冷卻方式為IC511(分布管冷)，電機(jī)分內(nèi)、外兩個(gè)風(fēng)路。外風(fēng)路由同軸離心風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣經(jīng)電機(jī)的冷卻管冷卻電機(jī)。內(nèi)風(fēng)路為徑向通風(fēng)，定、轉(zhuǎn)子鐵心帶有徑向通風(fēng)道，定、轉(zhuǎn)子通風(fēng)道為對(duì)齊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心帶有軸向通風(fēng)孔，內(nèi)風(fēng)扇為軸流風(fēng)扇。徑向通風(fēng)方式的特點(diǎn)是：冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)部沿定、轉(zhuǎn)子鐵心徑向通風(fēng)道流動(dòng)，兩側(cè)風(fēng)路隨鐵心中心對(duì)稱(chēng)。內(nèi)風(fēng)路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

該電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其溫升過(guò)高，E法=100.7 K，R法=103.6 K(本次試驗(yàn)要求：ETD法≤85 K，R法≤90 K)。為解決該電機(jī)的溫升問(wèn)題，對(duì)電機(jī)的風(fēng)路進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2 原因分析及判斷

2.1 電磁數(shù)據(jù)方面

由于該規(guī)格電機(jī)為上電首次制造試驗(yàn)，沒(méi)有相同規(guī)格電機(jī)結(jié)果供參考。該電機(jī)鐵心分段與TMEIC電機(jī)相同，均為24+6分段。故選相同冷卻方式的YB630M3-2電機(jī)及選取相近沖片外徑的STMKK500-2電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。本電機(jī)熱負(fù)荷為2 297，與其它兩個(gè)型號(hào)電機(jī)熱負(fù)荷相近，而兩臺(tái)對(duì)比電機(jī)溫升均合格，因此判斷電磁方案沒(méi)有問(wèn)題。參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)對(duì)照表

2.2 外風(fēng)路方面

外風(fēng)路主要由外風(fēng)扇和機(jī)座周?chē)睦鋮s管組成，冷卻效果取決于風(fēng)扇的大小及冷卻管的數(shù)量。為了解決溫升高的問(wèn)題，首先對(duì)外風(fēng)路的換熱量進(jìn)行核算，判斷外風(fēng)路是否滿(mǎn)足冷卻要求。

(1)

式中：Pvtot為電機(jī)總散熱量；Q2r為電動(dòng)機(jī)所需的外風(fēng)路風(fēng)量；C2為空氣的比熱容，可按表2選??；Δθ2為外風(fēng)路空氣溫升，本系列電機(jī)按工程經(jīng)驗(yàn)Δθ2取25 K。

表2 空氣比熱與空氣溫度關(guān)系表

電機(jī)總損耗為78 kW，按照空氣比熱容1.13估算，電機(jī)外風(fēng)路所需風(fēng)量為2.76 m3/s。電機(jī)機(jī)座共布有散熱管326根，管子內(nèi)徑φ26，管壁厚度2 mm，電機(jī)的風(fēng)路總截面積為0.173 m2，按冷卻風(fēng)量2.76 m3/s計(jì)算，管路出口處風(fēng)速測(cè)量值應(yīng)為16 m/s。通過(guò)對(duì)外冷卻風(fēng)路的冷卻管風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，其風(fēng)速平均值為9.99 m/s。因此判斷外風(fēng)路冷卻能力不夠，需要更換外風(fēng)扇，經(jīng)計(jì)算，將風(fēng)扇外徑由原來(lái)的φ400 mm增大到φ450 mm，風(fēng)扇葉由120 mm加寬到170 mm。改進(jìn)后的外風(fēng)扇工作風(fēng)量為3.63 m3/s，可以滿(mǎn)足冷卻要求。外冷卻風(fēng)路測(cè)量位置見(jiàn)圖2，風(fēng)速數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖2 冷卻管測(cè)量位置

表3 風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

2.3 內(nèi)風(fēng)路方面

從電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上判斷，電機(jī)內(nèi)風(fēng)路采用的是徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)。內(nèi)風(fēng)扇采用的是軸流風(fēng)扇，尺寸略小于定子內(nèi)徑，已經(jīng)沒(méi)有繼續(xù)增大的可能，且內(nèi)風(fēng)扇采用的機(jī)翼型扇葉，通風(fēng)性能良好，不存在風(fēng)量不夠的問(wèn)題。鐵心分段與TMEIC系列相同，采用24+6，定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道數(shù)量相同。而TMEIC系列2極電機(jī)轉(zhuǎn)子僅在鐵心中間位置有通風(fēng)道。兩者相比，僅轉(zhuǎn)子通風(fēng)道數(shù)量不同，從內(nèi)風(fēng)路結(jié)構(gòu)上看也不存在內(nèi)風(fēng)路不通暢的問(wèn)題。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)(E法=100.7 K，R法=103.6 K)可以看出，R法測(cè)得的溫升高于E法測(cè)得的溫升，這種情況與常規(guī)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果有所差異。R法通過(guò)測(cè)量線(xiàn)圈的平均電阻變化測(cè)得溫升，鐵心部位的線(xiàn)圈溫度應(yīng)略高于端部的線(xiàn)圈溫度[2]，因此通常情況都是E法測(cè)得的溫升高于R法溫升。通過(guò)溫升差別，可以判斷線(xiàn)圈端部的電阻值應(yīng)略高于鐵心部位的電阻值，也就說(shuō)明線(xiàn)圈端部的溫度高于線(xiàn)圈鐵心部位的溫度。因此從試驗(yàn)結(jié)果判斷：電機(jī)的線(xiàn)圈端部存在溫升異常。

由于電機(jī)風(fēng)路計(jì)算十分繁雜，并且誤差較大，很難滿(mǎn)足電機(jī)工程設(shè)計(jì)的需要，必須經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和模擬分析。首先對(duì)內(nèi)風(fēng)路進(jìn)行工程經(jīng)驗(yàn)上的對(duì)比分析。從電機(jī)的冷卻風(fēng)路上判斷，電機(jī)內(nèi)風(fēng)路的冷卻空氣依次經(jīng)過(guò)擋風(fēng)板、軸流內(nèi)風(fēng)扇、鐵心部位進(jìn)行冷卻。冷卻空氣經(jīng)過(guò)軸流風(fēng)扇后不會(huì)改變流動(dòng)方向去冷卻線(xiàn)圈端部，主要流向轉(zhuǎn)子鐵心。擋風(fēng)板為導(dǎo)風(fēng)筒式結(jié)構(gòu)，將線(xiàn)圈端部包住了一部分，在線(xiàn)圈鼻部位置會(huì)形成局部渦流導(dǎo)致該位置冷卻不良。與TMEIC系列2極電機(jī)相比，該電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道較多，每個(gè)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道均相當(dāng)于一個(gè)離心風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)冷卻空氣流經(jīng)鐵心，鐵心部位會(huì)占用較多的冷卻空氣，內(nèi)風(fēng)路流經(jīng)線(xiàn)圈端部的冷卻空氣比例就會(huì)變少，影響線(xiàn)圈端部的冷卻。

綜合以上分析可知，由于線(xiàn)圈端部冷卻空氣風(fēng)量較少以及局部渦流，造成線(xiàn)圈端部冷卻不良，產(chǎn)生局部高溫。

2.4 驗(yàn)證仿真

為了驗(yàn)證對(duì)該電機(jī)溫升高的原因的分析是否正確，建立了內(nèi)風(fēng)路的三維模型，進(jìn)行模擬分析。為此建立了三種模型：模型1為原導(dǎo)風(fēng)筒式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，模型2為直擋風(fēng)板搭在繞組端部結(jié)構(gòu)，模型3為對(duì)比TMEIC系列2極電機(jī)，減少轉(zhuǎn)子通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)。采用流體仿真軟件STAR-CCM+進(jìn)行CFD仿真。去掉軸流風(fēng)扇后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量1 700萬(wàn)。邊界條件根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況設(shè)定到計(jì)算模型中。模型進(jìn)口邊界條件設(shè)定為Mass Flow Inlet，出口邊界條件設(shè)定為Pressure Outlet，參考?jí)毫? Pa。進(jìn)口Mass Flow通過(guò)下式確定。

Qm=P·(1-η)/C·ΔT

(2)

式中：Qm為冷卻氣體的質(zhì)量流量(kg/s)；P為電機(jī)額定功率(kW)；η為電機(jī)效率；C為空氣比熱容(J·kg-1·K-1))；ΔT為電機(jī)內(nèi)風(fēng)路冷卻空氣設(shè)計(jì)溫升(℃)。

對(duì)于本電動(dòng)機(jī)的計(jì)算模型，設(shè)定同步轉(zhuǎn)速下計(jì)算工況77.97 kW對(duì)應(yīng)的空氣流量物性參數(shù)見(jiàn)表4，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5，風(fēng)速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 三種模型計(jì)算結(jié)果

表4 空氣物性參數(shù)

表5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

模型1的線(xiàn)圈鼻部附近存在渦流，驗(yàn)證了對(duì)內(nèi)風(fēng)路的判斷。模型2可以看出改進(jìn)內(nèi)風(fēng)路后冷卻空氣從直接流經(jīng)線(xiàn)圈鼻部，并且在端部的流速有明顯提高，整個(gè)線(xiàn)圈端部都得到了較好的冷卻。從分析結(jié)果中不難看出，通過(guò)對(duì)內(nèi)風(fēng)路的改進(jìn)，內(nèi)風(fēng)路的整體風(fēng)阻減少，端部冷卻風(fēng)量提高冷卻效果增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)模型1和模型3的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TMEIC系列2極電機(jī)減小轉(zhuǎn)子通風(fēng)道雖然整體風(fēng)阻變化不大，但是由于鐵心部位風(fēng)量減少，端部風(fēng)量增大，端部溫升也不會(huì)太高。這也說(shuō)明了TMEIC系列2極電機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)溫升高的原因，也間接驗(yàn)證了TMEIC系列2極電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)風(fēng)路優(yōu)化對(duì)電機(jī)溫升的影響，建立簡(jiǎn)單的單槽模型進(jìn)行模擬分析。對(duì)定子嵌線(xiàn)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的溫度仿真計(jì)算。各部件材料設(shè)置見(jiàn)表6。輸入的損耗值見(jiàn)表7。

表6 各部件材料

表7 電機(jī)各個(gè)損耗值 單位：kW

從圖4、圖5中看出改進(jìn)前端部溫升較高，鐵心部分溫升較低，改進(jìn)后線(xiàn)圈溫度較為平均。改進(jìn)后平均溫升降低10.9 K(見(jiàn)表8)，證明只改進(jìn)內(nèi)風(fēng)路對(duì)電機(jī)溫升也會(huì)有較大影響。

圖4 模型1溫度云圖

圖5 模型2溫度云圖

表8 溫度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 內(nèi)風(fēng)路的優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)

圖6 改進(jìn)后風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)分析結(jié)果，在不改變電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)下，對(duì)電機(jī)的內(nèi)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化。更改擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，將擋風(fēng)板由導(dǎo)風(fēng)筒型改為直板型結(jié)構(gòu)，擋風(fēng)板搭接在線(xiàn)圈端部，改進(jìn)后的風(fēng)路可以使內(nèi)風(fēng)路的冷卻空氣循環(huán)時(shí)首先流經(jīng)線(xiàn)圈端部，直接提升了線(xiàn)圈的冷卻效果。將擋風(fēng)板與線(xiàn)圈端部之間的空隙用硅橡膠風(fēng)道嵌條密封，內(nèi)風(fēng)扇與線(xiàn)圈之間通過(guò)綁扎環(huán)氧板來(lái)減小通風(fēng)間隙，減少內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)量的散失。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)不僅有利于冷卻線(xiàn)圈端部，而且能增大擋風(fēng)板處進(jìn)風(fēng)面積，在軸向上還能節(jié)省空間，可以進(jìn)一步加長(zhǎng)鐵心，有利于電機(jī)增容。

4 改進(jìn)后的效果(見(jiàn)圖7)

圖7 溫升結(jié)果對(duì)比

對(duì)電機(jī)內(nèi)、外風(fēng)路優(yōu)化后再次進(jìn)行溫升試驗(yàn)，溫升大幅度降低，達(dá)到預(yù)期的效果。通過(guò)對(duì)比溫升結(jié)果可以看到，平均電阻法的溫升降低了25.3 K，檢溫計(jì)法溫升結(jié)果降低了10.9 K。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了關(guān)于電機(jī)溫升過(guò)高的原因判斷，說(shuō)明電機(jī)的冷卻效果對(duì)電機(jī)溫升影響極大。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)及模擬驗(yàn)證可知，該優(yōu)化方案行之有效，能有效提高內(nèi)風(fēng)路效率，提高電機(jī)的冷卻效果，對(duì)該系列電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。也為降低徑向風(fēng)路電機(jī)的溫升積累了經(jīng)驗(yàn)。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理的設(shè)計(jì)內(nèi)風(fēng)路對(duì)降低電機(jī)的溫升有重要意義。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要合理借鑒成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，也要運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真等設(shè)計(jì)手段，這樣才能設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的產(chǎn)品。