高效电机风路结构设计参数优化

郑国丽,　周黎民,　邓尧强,　曹　飞,　黄鹏程

(南车株洲电机有限公司，湖南 株洲　412001)

高效电机风路结构设计参数优化

郑国丽,周黎民,邓尧强,曹飞,黄鹏程

(南车株洲电机有限公司，湖南 株洲412001)

以某异步电动机为例，从通风系统方式、风扇结构、冷却器结构、定转子风道分布、铜条转子与铸铝转子的选用5个方面，结合不同结构的数据分析，说明了高效率节能型电机风路结构设计参数的优化方向。结论对高效节能型电机的风路结构设计具有一定的参考价值。

高效电机； 风路结构； 参数优化

0　引　言

电机作为种种设置配备的动力源，遍及应用于产业、农业、修建及公共设施等各范畴。高效率节能型电机不仅可以节约电能，还可以带动压缩机、水泵、风机等设置配备提高能效水平，继而提高我国整个配备制造业的能效水平，因此高效电机的推广势在必行。高效电机的发展动向为高效率、高功率因数、节约能源、温升低、噪声低、振动小、运行稳定可靠、外形小型化、维修使用方便快捷。

电机向高效率小型化发展，电机的发热问题将成为单机容量增长的主要障碍，是电机设计需要解决的关键技术问题之一[1-5]。本文以某异步电动机为例，通过对电机结构的数据对比分析，详细叙述了几种电机风路结构参数对电机冷却设计的影响。对高效节能型电机的风路结构设计具有一定的参考价值。电机风路结构设计的目的主要有： (1) 降低温升。在有限的空间改变风路，提升散热能力。(2) 提高定子绕组温度分布均匀性。(3) 降低机械损耗，提高效率。基于以上目的，高效节能型电机在设计过程中可以从以下几个方面考虑改进结构： (1) 通风系统方式；(2) 风 扇结构；(3) 冷却器结构；(4) 定转子风道分布；(5) 铜条转子与铸铝转子的选用。本文将着重从这5个方面介绍如何优化提高电机的冷却效果。

1　通风系统方式

电机的通风冷却效果与冷却介质在电机内的运动方式密切相关，不同类别的电机需要选用不同的通风系统以保证电机的有效冷却，使电机各发热部位的温升不超过允许温升标准。为把电机损耗转化的热量全部传给电机周围的冷却空气，要求冷却空气尽量接触电机的发热部件，包括绕组、铁心、结构件等。其风路又要与电机的电路结构和磁路结构相适应。电机内部风路布置有3种方式： (1) 径向通风；(2) 轴向通风；(3) 轴径向混合通风。

针对高效电机，本文着重介绍采用径向通风系统和混合通风系统的不同。电机冷却方式为IC611，冷却装置为空气冷却器，内外风路各形成自循环风路，内风路为双侧对称径向通风系统时，在转子作用下将空气由两侧流入，各自形成独立风路，每一风路分为两支路，一支风路经绕组端部，另一支风路在转子通风槽片的作用下进入转子轴向风道后流经转子和定子径向通风道，两路气流在定子铁心外圆的机座腔内汇合后经带有冷却器管的冷却腔，将热量传递给外风路散发后继续循环。通风系统如图1所示。

图1　径向通风系统示意图

内风路为单侧轴径向混合通风系统时，机座内的风路分为两个并联循环的支路，一路经过绕组一端端部进入定子铁心外圆的机座腔，另一路进入转子轴向风道，流经转子和定子的径向通风槽，与前一路在机座腔汇合后再流向绕组另一端部，在内风扇驱动下送入有冷却管的冷却腔，将热量传递给外风路散发后继续循环。通风系统如图2所示。

图2　轴径向混合通风系统示意图

径向通风和轴径向混合通风方式相比较： (1) 由于径向通风方式无须内置风扇，径向通风系统通风损耗小；(2) 采用径向通风系统，定子绕组沿轴向的温度分布相对均匀；(3) 电机定转子、冷却器结构不变，电机内置风扇，改变冷却器隔板，将径向通风改为混合通风，定子绕组的平均温升明显降低。高效电机选用通风系统时应考虑以上因素，即温升满足要求时应选用径向通风系统，因机械损耗小可提高电机效率并且绕组温度分布均匀，减少温差引起的变形等不利影响；而定转子结构一定，温升超过允许限值时，可采用轴径向混流通风系统提高电机冷却效果。

2　外风扇结构

风扇的正确选择和设计直接关系到整个电机的效率，传统的异步电机大多采用径向离心式风扇，风扇外径大，叶片数目多，导致电机运行时机械损耗大，风扇效率低。因此改善风扇结构是提高电机效率的一种有效方法。

外风路其他结构完全相同，如图3所示。仅改变风扇叶片的倾角进行计算，结果如表1所示。由表1中数据可知，风扇其他结构不变，采用后倾风扇与径向风扇相比，风量增加了23%，机械损耗降低了32%。采用后倾风扇不仅降低了机械损耗，而且风量增加，因此高效电机外风扇应采用后倾离心式风扇。

图3　外风路示意图

倾角β风量/(m3·s-1)风扇机械损耗/kW0°径向1.6344.01770°2.0112.723

3　冷却器结构

冷却器作为电机的热交换装置，其换热能力直接影响电机的冷却效果。对于空冷异步电机采用的空气冷却器，合理排列冷却管，布置管间距及管径、冷却管数对提升电机的散热能力具有重要作用。

冷却器管排列方式为叉排矩形排列，如图4所示。针对两种排列进行比较，排列1： 横向管间距s1=29.5mm，纵向管间距s2=29.5mm，布置548×φ22mm根管；排列2： 横向管间距s1=22mm，纵向管间距s2=19.05mm，布置750×φ16mm根管。计算结果如表2所示，分析结果表明，当内外风路的体积流量一定，散热量相同，排列1的散热面积储备系数远低于排列2，导致了定子绕组平均温升偏高，说明改变冷却器管的布置方式可作为高效电机降低温度水平的一种有效方法。高效电机冷却器设计时应综合考虑散热面积、对流换热系数、散热储备系数等参数。

图4　冷却器叉排示意图

参 数排列1排列2名称热空气冷空气热空气冷空气体积流量Qv/(m3·s-1)1.31252.51.31252.5介质进口温度T1/(℃)1024010240介质出口温度T2/(℃)6062.56062.5散热量Q/kW55.855.8对数平均温差△tm/(K)27.4527.45冷却面积F/m265.566.2传热系数K/(W/m2K)29.7937.7散热面积储备系数ψ/(%)-0.9623绕组平均温升T/K9387

4　定转子风道分布

电机绕组温度的提高一方面会影响所用绝缘结构的性能和寿命，另一方面会引起某些相关零部件材料中的热应力增大，并且绕组沿定子铁心轴向温度分布不均匀，会增加因热膨胀不均引起的变形从而导致绝缘寿命降低。因此电机的温升计算，不仅要求绕组的最高温升低于允许的温升限度，而且需要提高绕组沿轴向温度分布的均匀性。

合理布置定转子通风道，可以使冷却风量按照适当比例沿定转子的冷却风道分别流动，保证冷却介质和定转子中各发热部件具有合适的温升。电机其他结构尺寸不变，仅改变定转子径向风道的宽度和数量并相应的调整铁心分段，进行结果对比。图5为定子铁心内绕组沿轴向温度分布。方案1，每段铁心轴向长50mm，径向风道轴向宽10mm，共分布13个径向风道；方案2，两端铁心长65mm，中间铁心长30mm，径向风道轴向宽8mm，共分布20个径向风道。

图5　绕组沿轴向温度分布

由图5所示，方案1，铁心内绕组最高温度102℃，平均温度93℃，最大温差32K。方案2，铁心内绕组最高温度96℃，平均温度83℃，最大温差13K。可见通过调整定转子的风道分布，绕组最高温度明显降低，并且提高了绕组温度分布的均匀性，因此高效电机设计可通过调整定转子风道分布来调整温度。

5　铜条转子与铸铝转子的选用

笼型转子的导条形式分为两大类，即铸铝转子与铜条转子。导条形式的不同，对电动机的性能影响也不同，所以应该按使用要求和设计需要合理选择。

转子材料的选择，主要考虑提高堵转转矩和降低损耗，从而提高电机效率，两者是矛盾的。若增加堵转转矩，需增加电阻，同时损耗也将增加。损耗直接影响电机效率，因此在满足堵转转矩的情况下应优先考虑效率。随着高效节能电机的推广，采用铜条转子是提高电机效率、降低电机温升的有效措施之一。

电机其他结构不变，仅改变导条形式，比较磁路不变时，采用铜条转子和铸铝转子时电机的损耗和定子绕组温升，结果如表3所示。通过数据对比，采用铜条转子与铸铝转子相比，电机损耗减少了11.4%，绕组平均温升降低了9.6%，可见高效电机可通过改变转子导条形式提高效率、降低温升。

表3　铸铝转子与铜条转子对电机损耗和绕组温升的影响

6　结　语

本文根据某冷却方式为IC611异步电动机的风路结构特点，结合不同结构的数据对比分析，说明了此类电机为提高效率、降低电机温升，则电机风路结构设计参数优化是方向，并得出以下结论：

(1) 电机选用通风系统时，当温升具有一定安全余量时，应尽量选用径向通风系统，因径向通风系统机械损耗小，不仅可以提高电机效率而且绕组温度分布相对均匀。当温升裕度不够，则应考虑采用轴径向混流通风系统提高电机冷却效果。

(2) 电机外风扇采用后倾离心式风扇，相比径向风扇，可使风量增加、损耗降低、效率提高。

(3) 电机冷却器设计时应综合考虑散热面积、对流换热系数、散热储备系数等参数。通过改变冷却器管的布置方式增强电机的散热能力。

(4) 电机设计可通过调整定转子风道分布来调整温度、降低绕组最高温度、提高绕组分布的均匀性。

(5) 电机设计过程中，在满足堵转转矩的情况下应优先考虑效率。采用铜条转子是提高电机效率、降低电机温升的有效措施之一。

[1]丁舜年.大型电机的发热与冷却[M].北京： 科学出版社，1992．

[2]魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换[M].北京： 机械工业出版社，1998.

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[4]王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京： 清华大学出版社，2004.

[5]陶文铨.数值传热学[M].西安： 西安交通大学出版社，2001.

Wind Path Structure Design Parameters Optimization of Efficient Motor

ZHENGGuoli,ZHOULimin,DENGYaoqiang,CAOFei,HUANGPengcheng

(CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Taken an asynchronous motor as an example, combined data analysis of different structures and illustrated the optimization direction of wind path structure design parameters of energy efficient motors, from five aspects including way ventilation system, fan structure, cooler structure, stator and rotor duct distribution, selection of copper rotor and cast aluminum rotor. The conclusions has some reference value for wind path structure design of energy efficient motors.

efficient motor; air duct structure; parameter optimization

2015-02-09

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0062-04