两种不同通风结构对高压电机性能的影响

贺文凯， 顾德军， 王鸿鹄

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

电机运行时产生的损耗转变成热能经电机冷却系统带走，同时使电机各部件温度升高。电机设计除保证产品满足设计输入的要求外，还须考虑电机通风冷却系统，使电机各部件温度保持在合理的范围内，确保电机安全运行。

按电机内冷却空气流动的方向，空气冷却系统可以分为： (1) 轴向通风；(2) 径向通风；(3) 轴-径向混合通风。不同的通风方式，绕组各点温度分布情况各不相同，这在一定程度上影响到电机最终的冷却效果。选择电机的冷却风路结构时，应综合考虑电机容量、极数、转速、铁心长度及定、转子铁心内、外径等参数，并应考虑到加工成本工时等因素。本文着重介绍在保持两种电机的槽型结构和电磁参数一致的前提下，通过有限元法对两种通风结构时的电机效率、温升状况作了对比分析。

1 径向通风

径向通风是冷却空气由两侧对称进入，如图1所示。冷却空气的主要部分经定子线圈端部→转子轭部风路→转子径向风道→气隙→定子径向风道，最后经定子铁心中部排出。这种通风系统便于利用转子上能够产生风压的零部件(如通风槽片)的鼓风作用，因而得到广泛应用[1]。

图1 径向通风风路组成

由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口处铁心表面的散热效果好，故绕组在该点温度最低。该通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较均匀[2]。铁心部分的绕组温升基本相同，总体来说绕组各部分温升差异很小。其缺点是风扇外径一般都比转子外径小，所以风扇的风压受到限制，该通风系统适用于中等转速的电机，并需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸增大，也增加了加工成本。

2 轴-径向混合通风

混合式通风系统兼有轴向和径向两种通道，但往往偏重一种。以轴向为主的混合式通风系统(转子一端安装离心式风扇)如图2所示。

图2 轴—径向混合通风(一端进风)

冷却空气主要经由定子轭部、定子线圈端部、转子轭部→气隙→转子通风道→定子径向通风道→ 另一端定子线圈端部，最后由风扇排出。该通风方式仍为一端进风，另一端出风。风扇外径不受限制，故可以做得比转子外径大得多，因此能产生较高的风压，通风效果好。但是该通风系统不能用于轴向长度很大的电机，因为其左右两端温差较大，容易出现局部温度较高的现象。目前，国内广泛应用该通风系统于6极、8极、12极的高压异步电机。

3 实例分析

根据以上两种风路的分析，以一台Y500- 4-1250kW-10kV高压电动机为例，槽型结构和电磁参数一致，用流体场有限元方法，对径向通风和混合通风(单侧大风扇)做电机整体通风、风量、风压、风速对比分析，为电机选择通风方式做参考。

混合通风流线图如图3所示。径向通风流线图如图4所示。由两个流线图可知，两种通风结构的风量情况，其中混合通风风扇侧风量比径向通风端部风量大且集中在一侧，但后者风量较均匀，铁心间的径向通风道在靠近两侧风量较大，中间部分风量较小。

图3 混合通风流线图

图4 径向通风流线图

图5 混合通风风压图

图6 径向通风风压图

混合通风风压图如图5所示。径向通风风压图如图6所示。由两个风压图可知，混合通风的风压比径向通风的风压大很多，混合通风风压最大值在风扇侧，径向通风的风压最大值在电机两侧。

混合通风、径向通风的风速图分别如图7、图8所示。从两个风速图中，可以看出风速最大值出现在转子风扇外圆附近，混合通风的风速最大值集中在一侧(风扇侧)，而径向通风的风速最大值集中在电机两侧。

混合通风、径向通风电机端部流体运动矢量图分别如图9、图10所示。通过计算风扇损耗得出，混合通风的风扇损耗为7520.26W，径向通风的风扇损耗为4064.60W。

图7 混合通风风速图

图8 径向通风风速图

图9 混合通风电机端部流体运动矢量图

图10 径向通风电机端部流体运动矢量图

通过有限元的分析,风扇尺寸已给定的情况下得出风量、风扇损耗值对照表，如表1所示。

表1 风量、风扇损耗值对照表

从图3～图10及表1中数据可以看出，针对该两种分布的风扇风量，混流通风(单侧大风扇)的风量、风压大，风量集中在风扇侧，风扇损耗大；径向通风风量、风压稍小，风量分布均匀，风扇损耗小。

基于上述理论分析对比，针对这两种通风方式(混流通风和径向通风)，风量相近的情况下，在Y500- 4900kW 10kV进行样机试制，比较两种通风方式的电机效率、温升及机械损耗的试验值，对照表如表2所示。

从表2数据可以得出，径向通风的效率比混流通风效率高，径向通风温升值比混流通风的值大，径向通风的机械损耗比混流通风的机械损耗小。

混合通风方式适合用在电机需要大风量、大风压的情况下，且铁心长度不宜过长，一般在大型电机中用的比较多；径向通风方式应用比较广泛，其风量分布比较均匀，风扇的损耗较小。

4 结 语

对比了电机的两种通风散热系统。在电机设计过程中，对电机通风散热系统的分析和计算非常重要，关系到电机的温升情况和电机的性能指标，根据电机的实际情况和电机的侧重点选择合适的通风方式。

【参考文献】

[1] 陈世坤.电机设计[M].北京： 机械工业出版社，2000.

[2] 蒲工.异步电动机通风结构与温升分布[J].上海大中型电机，2002(1)： 26-30.