增安型三相异步电动机空水冷却器设计

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(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳 473000)

增安型三相异步电动机空水冷却器设计

郭林，李金玉，赵现伟

(卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳 473000)

对空水冷却器的设计进行了探讨，从设计目的、工艺技术及材料的选取和对比及设计重点进行详细分析，验证了合理的空水冷却器对延长电机电气性能，提高电机效率起到了至关重要的作用。

增安型电机；空水冷却器；设计

0 引言

增安型三相异步电动机是在正常运行条件下不会产生电弧、火花或危险高温的电机结构上再采取一些机械、电气和热的保护措施，避免在正常或过载条件下出现电弧或火花，确保其防爆安全性。为防止其正常运行中产生危险温度，及时快速散热能有效降低危险程度。因此合理的冷却器设计至关重要。

1 空水冷却器设计目的及目标

电机正常运行时，由于损耗而发热，电机内部温度升高，通过冷却器进行热交换，把电机内部产生的热量由冷却器循环水带出，使电机定子绕组的温度满足要求，从而保证电机正常运行。其设计目标：(1)完成冷却器设计；(2)确定冷却器总体尺寸和外部接口；(3)完成冷却器换热计算；(4)完成冷却器五性分析。

2 空水冷却器设计输入及要求

以增安型三相异步电动机YAKS 500-4 1600kW 6kV为例。

(1)根据电机技术任务书，确定电机额定运行技术参数；

(2)根据电机技术任务书，对电机额定运行时冷却器功能指标进行分解，冷却器参数指标要求见表1。

表1 冷却器参数指标要求

(3)根据电机技术任务书和流体分析计算，确定冷却器设计输入参数，输入参数见表2。

表2 冷却器设计输入参数

3 空水冷却器设计准则

3.1 空水冷却器采用成熟技术和工艺

(1)冷却器采用空气-水热交换技术；

(2)冷却器与机座固定牢固,安装拆卸方便；

(3)冷却器安装排气、排液接口；

(4)冷却器设置吊环，方便吊装、翻转；

(5)冷却器冷却管进行耐压强度计算，安全系数不低于2.5；

(6)冷却器水工作水压按不低于0.4MPa设计，试验水压不低于工作水压的2倍。

3.2 元器件、零部件及材料的选择

(1)冷却器元器件择优选用已纳入国标、国军标的材料；

(2)标准件选用依据国家标准，通用性强，互换性好；紧固件表面镀镍；

(3)冷却器材料既满足冷却器换热传热需要，又防止腐蚀；

(4)密封材料需耐老化，密封可靠。

3.3 空水冷却器换热容量

依据JB/T 2728.1—2010中的规定，冷却器的换热容量留有不小于20%换热裕量。

4 空水冷却器设计

4.1 空水冷却器结构设计

4.1.1 空水冷却器结构型式

目前，电机空水冷却器采用的冷却管、散热片结构型式为挤片式、绕片式、套片式等，其中套片式应用最为广泛，其优点在于套片式结构形式散热面积大，冷却效果显著。因此，冷却器采用良好散热面积的套片式结构。

4.1.2 空水冷却器结构组成

空水冷却器主要由管程和壳程两部分组成。壳程使冷却器形成冷却风路，管程形成循环水路，管程主要零部件:支架、冷却管、套片、承管板、两端水箱和密封等。冷却器管程结构详图见图1，冷却器壳程结构详见图2。

图1空水冷却器管程结构详图

图2空水冷却器壳程结构详图

4.1.3 空水冷却器布置

空水冷却器安装在电机机座上，质量分布均匀，增加电机整体稳定性，降低电机振动。

4.2 空水冷却器换热原理

在电机内部，转子两端的风扇把电机两端的空气压入定子、转子内部，经过发热的转子及定子绕组，空气吸收热量温度升高，从定子通风道进入冷却器。热风经流入循环水的冷却管冷却降温，变为冷风后再进入电机两端。如此循环往复，把电机内部产生的热量由冷却循环水带出。使电机内部温度始终保持在允许的范围内，从而保证电机的正常运行。电机内部风路循环见图3。

图3电机内通风散热示意图

4.3 空水冷却器材料选用

4.3.1 空水冷却器材料技术要求

(1)冷却器管程的冷却管、套片导热能力强，满足冷却器热交换需要。

(2)冷却器管程的冷却管、水箱、承管板适用于冷却水质要求，防止腐蚀、锈蚀。

(3)冷却器承压能力满足设计压力要求。

4.3.2 冷却管材料对比与选用

铜管、不锈钢管、钛管是目前应用广泛的冷却管材料，其特点和性能，见表3。

表3 冷却器冷却管主要材料

由表3可知：不锈钢管、铜管均适用。但铜管导热系数高，换热性能优于不锈钢管，因此冷却管选用铜管。铜管BFe30-1-1防腐防锈能力优于铜管BFe10-1-1，因此冷却管选用铜管BFe30-1-1。

4.3.3 冷却翅片材料对比与选用

铜翅片、铝翅片是目前应用在核电机冷却器上的主要材料，其特点和性能见表4。

表4 冷却器翅片主要材料

由表4可知，铜翅片导热系数约为铝翅片导热系数的1.75倍，换热性能优于铝，所以冷却套片选用铜翅片T2。

4.3.4 空水冷却器其它零部件材料选用

(1)冷却器其它零部件主要有承管板、前后水箱和支架。通过冷却管材料对比分析，得出冷却管选用铜管BFe30-1-1，翅片选用T2。所以承管板和前后水箱等部件均采用铜质材料，即与水接触材料为同一材料，各部件之间不产生电位差，可防止产生电位腐蚀。冷却器支架采用碳钢焊接制成，冷却器其它部件安装固定在支架上，形成统一整体。

(2)冷却器密封件选用三元乙丙橡胶，安装在水箱与承管板之间，防止漏水。

(3)紧固件选用碳钢材料，表面镀镍。

4.4 空水冷却器冷却管、套片布置

4.4.1 空水冷却器冷却管布置

(1)冷却管呈等边三角形排列布置：研究数据和测试数据表明，呈等边三角形排列布置冷却管，空气流动阻力均匀，冷却管、套片散热均匀，管子和套片综合散热系数高。

(2)根据机座接口尺寸，冷却器接口尺寸1365×130，可根据散热面积，散热是否均匀来选取管子布局。冷却管选用φ16×1，6排15列，冷却器管子45根。冷却管布置示意图见图4。

图4冷却管布置示意图

4.4.2 空水冷却器套片间距布置

据冷却器换热计算公式P=K×S×△t，冷却器换热容量与冷却器散热面积成正比，套片面积决定了冷却器的散热面积，初步确定套片间距为2.5mm。

4.5 空水冷却器结构外形尺寸

据以上冷却器结构型式，材料选用，冷却管及套片布置情况，冷却器接口参数如下

(1)外形尺寸(mm)：长×宽×高=1938×1536×1260；

(2)重量：900kg；

(3)进出水管法兰直径：DN80。

4.6 空水冷却器技术性能参数

4.6.1 空水冷却器换热计算

(1)据冷却器的外形尺寸，以及冷却管套片材料、布置排列，进行冷却器换热性能计算，计算结果见表5。

表5 冷却器换热计算结果

冷却器换热计算结果表明，冷却器在进水温度≤33℃，电机内部循环冷却风量2.9 m3/s条件下，计算冷却器能够达到总的换热容量为98kW，冷却器的耗水量为20/h。

4.6.2 空水冷却器技术参数

根据冷却器换热计算报告，电机额定运行时冷却器主要技术参数见表6。

表6 冷却器技术参数

5 空水冷却器故障模式及五性分析

5.1 故障模式

空水冷却器故障模式主要表现形式为：冷却器换热容量没有达到电机换热要求、冷却器变形、冷却器漏水、冷却器腐蚀、冷却管堵塞等。

5.2 空水冷却器五性分析

5.2.1 安全性分析

冷却器管程零部件采用耐腐蚀材料，防止冷却管被腐蚀而漏水，从而保护电机不产生损坏。

5.2.2 可靠性分析

5.2.2.1 空水冷却器结构可靠性分析

(1)冷却器壳程通过螺栓紧固在机座上，不产生振动，平稳可靠；

(2)冷却器壳程支架采用整体焊接，保证冷却器整体强度。冷却管与承管板采用涨接，防止松动；

(3)冷却器壳程上设置吊环孔，方便吊装；

(4)冷却器上设置排气孔和排水孔，方便排气和排水；

(5)对冷却器每根冷却管进行水压试验，试验压力为工作压力的1.5倍，保证冷却管能够承受足够压力；冷却器装配后，再进行水压试验，试验压力为工作压力的2倍，不漏水为合格；保证冷却管使用安全可靠。

5.2.2.2 空水冷却器功能可靠性分析

(1)冷却器采用散热结构良好、导热面积大的套片结构，有效降低电机温升；

(2)冷却器在额定转速下换热裕量为24%，耗水量20t/h，不小于20%换热裕量要求；

(3)冷却管选用1mm厚的铜管，经计算冷却管承受的压力可达12.08MPa，安全系数为15；

(4)冷却器冷管件选用铜材，防止电位腐蚀而导致冷却器漏水、损坏；

(5)冷却器采用三元乙丙橡胶密封，并经耐老化试验，防止冷却器在连接处漏水；

(6)冷却器冷却介质为工业自来水，防止冷却管被堵塞。

5.3 测试性分析

冷却器安装漏水监控仪，可实时监测冷却器的运行状况。

5.4 维修性分析

在电机壳程不拆卸的条件下，可对冷却器管程进行拆卸、维修。

6 结语

对于采用空水冷却器的增安型三相异步电动机来说，高效的热交换对电机的安全运行至关重要，能够保证电机内部定子表面温度不高，合理的空水冷却器能够满足电机电气性能，提高电机效率，延长电机使用寿命。随着现代技术的快速发展,会有更好的空水冷却器设计方法来解决电机的散热问题。

[1] GB/T 1993—96.旋转电机冷却方法[S].

[2] 丁舜年.大电机的发热与冷却.北京：科学出版社，1992.

[3] 陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社，2004.

[4] 鲍里先科亚科夫列夫[苏].电机中的空气动力学与热传递.北京：机械工业出版社，1985.

DesignofAir-WaterCoolerforIncreased-SafetyThree-PhaseInductionMotor

GuoLin,LiJinyu,andZhaoXianwei

(Wolong Electric Nanyang Explosion-proof Group Co.,Ltd.,Nangyang 473000, China)

This paper discusses the design of air-water cooler, and chiefly analyzes the design goal, processing technology, material selection and comparison, design focus. It is verified that the air-water cooler with suitable structure play a crucial role to prolong electric performance and increase efficiency of motor.

Increased-safety motor；air-water cooler；design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.02

TM302

A

1008-7281(2017)06-0004-004

郭林男1985年生；毕业于内蒙古农业大学，硕士研究生，现从事电机设计工作.

2017-08-28