浅谈交流串励电机的风路结构及对电机温升的影响

朱典悝

（ 宁波大叶园林设备有限公司，浙江 余姚 3154000 ）

浅谈交流串励电机的风路结构及对电机温升的影响

朱典悝

（ 宁波大叶园林设备有限公司，浙江 余姚 3154000 ）

基于交流串励电机风路结构设计中进风口、电机周边间隙、挡风板、风扇和出风口等多种要素，以某款电钻为试验基体，比对并分析改动风路结构后的电机温升变化情况，得到最佳选择。

风路；结构；温升；影响

0 引言

在某些电动工具的实际操作和使用中，因工具启动频繁，常伴有过载现象发生，受机械振动、冲击、制动等方面的影响，较易产生电机过热甚至烧机等不良现象。

合理控制电机工作温度可有效降低电机损坏概率，避免由电机发热温度超出电机绝缘材料极限工作温度而引发的电机烧毁的不良后果。本文以此探讨交流串励电机的风路结构设计，以及不同结构对对温升结果的不同影响。

1 概述

为了使工具在正常负载下保持一定范围内的温度，GB 3883．1《手持式电动工具的安全第一部分：通用要求》明确要求了温升测试。一般情况下，交流电机的温升不应超过表1中规定的值。

表1 交流电机绕组的温升限值

通常情况下，对定、转子参数进行配合调整，即可获得满足要求的转子温升和定子温升，但该方法较为繁琐，有时需要多次调整才能满足要求。另外，电机的温升，不仅要求绕组的温升低于允许的限值，还需要提高绕组沿轴向温度分布的均匀性。合理布置电机通风道，可使得冷却风量按照适当比例沿电机冷却风道分别流动，冷却介质和定、转子中的发热部件，使电机散热并具有较为合适的温升。

2 风路结构设计

电动工具的电机风路结构设计涉及五个方面，即：进风口、电机周边间隙、风扇、挡风板和出风口。

1）进风口

在电机体积、成本等前提允许下，原则上进风口的进风面积越大越好，有效降低电机温升的同时提升电机抗过载能力；进风口面积设计为出风口的1．2～1．5倍，进风口宽度一般小于2．8 mm，也可设计为隐形风口。进风口位置应尽量靠近电机换向器，并且要求进风不乱向，特别是隐形风口的设计，开口方向应尽量一边。

2）电机周边间隙

电机周边间隙由定子与转子铁芯间间隙和定子铁芯与机壳间间隙两部分组成。定子与转子铁芯间的间隙对温升影响较大，气流大多从这里通过，带走热量。对于同一规格的定、转子冲片电机，不管电机冲片的叠高如何变化，电机的定、转子间气隙量变化不大；当电机叠高增加时，欲使电机尽快散热，则需增大通过的风速、风量。定子铁芯与机壳间留有一定的风道间隙，气流通过时可对电机本体及机身实施降温。对于筒式机身，由于外形的变化，定子铁芯与机壳间的风道间隙亦随之变化，一般情况下可在1 mm～3 mm之间，功率小者取小值。

图1 定子铁芯与对开式机壳间的风道间隙

对于对开式机身，其定子铁芯与机壳间的风道间隙结构见图1，在靠近定子绕组附近的机壳上，定子铁芯两极位置附近，设置一定宽度的间隙A、间隙B、间隙C，其间隙高度建议取1 mm左右。

3）风扇

风扇的设计要求对电机的温升起到关键作用。风扇一般可分为离心式风扇、轴流式风扇。依据产品的出风需求，通常利用机身的结构与风扇配合，设计出离心与轴流相结合的混流排风形式。另外，叶片的数量、长度、高度、厚度、倾斜方式等，都会对风扇的噪音、效率、风量等产生重大影响。风扇外径与挡风圈或机壳之间的径向距离可取2 mm～3 mm，即可预防过大产生涡流，也可预防过小产生笛音。

4）挡风板

挡风板固定在工具机壳或定子铁芯上，处于风扇与定子之间。通过挡风板归整流经进风口的热风，能较好被风扇排除，达到冷却电机的目的。挡风板内孔可设计为比定子内孔略大1 mm，即单面0．5 mm。挡风板外圈可在一定程度上支撑机壳，防止机壳变形并增加机壳强度，保证整机平稳运行。挡风板与风扇间的轴向距离应为2．0 mm～2．5 mm，不宜过大，也不宜过小。过大致使风在此处形成涡流，不易排出；过小则对电机转子风扇安装尺寸要求过高，出风时风流过激引发哨音。挡风板到定子铁芯端面的距离，一般置有2 mm～3 mm间隙。实际应用时尽量缩短转子长度，在挡风板不触及定子绕组的情况下，该间隙应尽量小。

5）出风口

出风口宽度一般小于6 mm，通常可按5．5 mm设计，以防止塑料件、铝压铸件在开模时被过度放大。在产品结构强度允许条件下，出风口长度应尽可能增加，但超出极限或可导致乱风现象。出风口的形状设计应根据电机运转情况而定。正反转电机，出风口形状应设计为径向辐射式；单向运转电机，出风口形状应设计为倾斜式，以减少风阻和噪音。

3 风路对电机温升影响

图2为筒式机壳的某电钻风路结构剖面，已知额定输入功率为600 W，空载转速为1 200 r/min，与定子间的间隙取了1 mm～3 mm的设计较大值，进、出风口的面积足够大，电机与其他产品共用，参数不可调。

针对该电钻的情况，试做6次风路结构的设计调整，并进行了温升测试，测试结果表2。

图2 筒式机壳的电钻风路结构剖面

表2 不同风路的电机测试状态

表2可以看出，6号对开式机身风路结构其额定输出功率、额定输出转矩、额定输出转速最大，定、转子的温升值最小，效果最好。2号筒式机身风路结构与6号对开式机身风路结构的测试结果较为接近，但在实际中对筒式机身的定子与机身间间隙进行环堵，是较为困难的。

从1号的测试数据来看，额定输出功率、额定输出转矩、定子温升都较低，转子的温升却很高，且定、转子温升值相差巨大。显然，机身与定子间的间隙取了1 mm～3 mm的设计较大值后，大量的冷却风从定子铁芯外流走，减小了定子与转子铁芯间的风速、风量，转子没有得到较有效的冷却。一般情况下，定子温升略低于转子温升，两者差距太大将使得电机的有效材料无法充分运用。

相较于1、2、5、6号的测试结果，序号3、4号在挡风板内孔相较正常设计增大后，额定输出功率、额定输出转速、额定输出转矩最小，定、转子温升值相差较大，且不理想。当在定子后部的绕组附近增加了挡筋，定、转子间的温升差值减小。由此可见，此法可减少从机身与定子间的间隙流过的风量，增加定子与转子铁芯间风的流速及流量；当定子绕组的前部间隙被挡风板环堵后，转子的温升值较高，定子的温升值也相对升高，可见在定子绕组前部留有一定的间隙是必要的。

从5号的测试数据看，除了额定输出转矩相较2号的状态偏低外，额定输出功率、额定输出转速及定、转子的温升都较为理想。对于筒式机身而言，当机身与定子间的间隙偏大时，建议选用此种风路结构。

综合以上分析结果，当电机参数固定，机身的进、出风口的面积足够大的情况下，合理减小定子与机身间间隙以及挡风板的内孔尺寸，可获得较大的电机输出转矩、输出功率及较理想的定、转子温升。

对于筒式机身的电机，采用在挡风板环定子绕组端设计1 mm～3 mm间隙以及在换向器端的定子绕组后增加挡筋的方法，可有效改善定、转子的温升。

4 结语

随着电机的各项参数、机壳结构不同，电机风路的结构设计也有所不同，这需要根据实际情况进行优化。合理的电机风路结构设计，不仅有效降低电机温升，提高定子绕组的温度分布均匀性，还可降低电机的机械损耗，提高效率。

[1]GB 3883．1-2005 手持式电动工具的安全 第一部分：通用要求[S]．北京：中国标准出版社，2005．

图6 无均衡放电电压波形

图7 均衡放电电压波形

3 结语

经实验表明，并行填谷式均衡在充放电过程中，能较好保证电池组的电压一致性，在充电过程中，使得充入电池组的能量大幅增加，在放电过程中，也可使得电池组放电时间增长10%，有效延长电池寿命。运用该种均衡方式对锂电池的推广和应用将有较大的促进作用。

参考文献：

[1] Cao J，Schofield N，Emadi A．Battery balancing methods：A comprehensive review[C]//2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference．IEEE，2008：1-6．

[2] 廖晓军，何莉萍，钟志华，等．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J]．汽車工程，2006，28(10)：961-964．

[3] 侯钢，曹阳，胡越黎，等．高精度低功耗五串锂电池保护系统设计[J]．电动工具，2014(3)：1-6．

[4] 郑敏信，齐铂金，吴红杰．基于双CAN总线的电动汽车电池管理系统[J]．汽車工程，2008，30(9)：788-791．

[5] 吴友宇，梁红．电动汽车动力电池均衡方法研究[J]．汽车工程，2004，26(4)：382-385．

[6] Moore S W，Schneider P J．A review of cell equalization methods for lithium ion and lithium polymer battery systems[R]．SAE Technical Paper，2001．

[7] Isaacson M J，Hollandsworth R P，Giampaoli P J，et al．Advanced lithium ion battery charger[C]//Battery Conference on Applications and Advances，2000．The Fifteenth Annual．IEEE，2000：193-198．

Discussion on the Airflow Structure of AC Series Motor and Its Effect on the Temperature Rise

Zhu dianli
(Ningbo DAYE Garden MachineryCo.,Ltd. Yuyao 315400 China)

Based on various factors of the AC series motor airflow design, such as the air inlet, the gap of the motor, the wind shield, the fan and the air outlet, setting drill as a test example,this paper compares and analyzes the change of the motor temperature rise after the modification of the air flow structure, thus the best choice is obtained.

Airflow;Structure; Temperature rise; Effect

TM344.1

A

1674-2796（2016）06-0004-04

2016-10-11

朱典悝（1971—），男，主要从事的电动和园林工具研发工作。