大中型异步电机的通风散热

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(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

大中型异步电机的通风散热

李宗树，杨万青

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

针对目前高效电机在电磁负荷较低的情况下，有些规格电机的温升仍居高不下，对通风散热结构进行剖析，旨在通过改善通风散热，在维持能效指标的前提下提高电磁负荷，以达到既高效，又节省有效材料的目的。另外，对本行业普通采用的结构，如转子支架纵筋的数目，探讨改进的渠道；同时，抛出可供行业研讨的通风散热结构。

通风散热；热交换；能效限制；传导；辐射

0 引言

异步电机(本文均指“封闭式三相异步电动机”)的通风散热对电机的技术指标、经济指标及全方位的质量指标均起到至关重要作用。因为它不像电磁设计，利用行业中现有的、比较成熟的设计程序，就可以找到比较理想的设计方案，它需要依赖一些专项试验、对比、分析才能找到较优方案。由于异步电机现有的通风散热方式可以互相仿效、借鉴，规模较小的企业很难，或者不愿开展此项专题的试验研究，使得某些局部不完善之处，一直在本行业中沿用着。加之近20余年在材料、加工工艺及设计技术上的改进，通风散热结构也该“水涨船高”。因此对有些传统的、不尽完善之处，对提高性能、质量又有潜力可挖的局部结构，仍需业内人士进一步探讨。

1 通风散热设计现状

通过对大中型异步电机通风散热结构进行分析，得出设计现状

(1)异步电机的散热途径有：传导、辐射及对流。

(2)异步电机的通风元件有：内、外风扇、风罩、挡风板、通风槽板及热交换器等。

(3)异步电机的风路：内风路有：轴向、径向、轴径向，见图1、图2、图3。

图1内风路为轴向的异步电机

图2内风路为径向的异步电机

图3内风路为轴径向的异步电机

外风路，随冷却方式不同有：IC611、IC616、IC511、IC81W及IC15、IC17几种，见图4、图5、图6、图7、图8。

图4 IC611自带置于上部热交换器的异步电机

图5 IC616外加置于电机上部自带风机的热交换器的异步电机

图6 IC511带有沿机座周围均匀分布的热交换器及异步电机

图7 IC81W带空/水冷却热交换器的异步电机

图8异步电机

风路点评：内风路，铁心不太长时，轴向(图1)较好。瑞士BBC测试，尽管温度场不如径向均匀，但在电磁负荷相近的情况下，其最高发热部位并比不径向(图2)的高。

图2宜用在2、4极电机上。因此种通风方式内风扇外径不能大于定子内径。2、4极电机转速高，可以弥补内风扇外径小的不足之处。混合通风(图3)宜用在低速电机上。

外风路，热交换器沿机座周围均匀分布的结构(图6)风路分布均匀，冷却效果较好，其中心高于其余几种，可以采用将底脚抬高(安装方式为IMB20)的措施解决。

空/水冷(图7)、他冷(图8a)、管道通风(图8b)在使用部门同意的情况下是最为理想的通风方式：冷却效果好、噪声低。

图4(IC611)、图5(IC616)是目前大中型异步电机生产厂家广泛采用的结构，若采用消声措施，与内风路匹配得当。任何转速上选用此结构均能收到满意的效果。

对于静止的导风元件，设计时应考虑：在电机运行时产生的风阻及噪声要小，其结构还要顾及到便于清理污垢。内、外风扇宜选用轴流式、离心式中的后倾式。

2 有待探讨、改进之处

通风散热方式、风路结构及其选用，已是设计人员熟知之事，毋需赘述。以下侧重阐述容易被忽略，且对质量、性能又有较大影响的几处结构。

2.1 定子绕组端部绑扎

目前，本行业在定子绕组端部绑扎的操作上，几乎均采用玻璃丝绳一绑了之，见图9(a)，不加垫块。若设计时将Xi(线圈端部的间隙，设计时，在程序中按设计员选定的数值输入电脑中)选的偏小，绕组端部包扎的层数偏多，端部间隙Xi(绕组端部线圈间的间距)几乎就不存在了。端部在整个绕组中占有一定的比例，特别是高压2、4极电机，它要占整个绕组的40%～60%。如果这部分散热不好，定子绕组的温升将会“莫名其妙”地增高。

德国西门子公司纽伦堡电机厂，在对高压电机定子绕组的端部绑扎中，为了使线圈间有足够的通风散热间隙，加垫块，见图9(b)。并随电机的极数、规格的不同，垫块的规格有6、7种之多。在绑扎的操作中，应仔细、认真。

图9成型绕组端部绑扎示意图

2.2 带支架的转子

轴上焊筋的转子，称为带支架的转子。轴上焊的筋，有纵筋(有的厂家称其为“辐铁”)及横筋，横筋也兼做隔风板，见图10。带支架的转子，其纵筋的数目不宜太多，目前生产厂家选用6根的较多。6根筋，偏多。当轴的直径为φ200～350mm时，选用3根或4根30～40mm厚的筋即可。筋的数目多，除浪费工时、焊条、厚钢板外，还有以下两个缺点

(1)筋与轴相焊时，焊接处的金相结构要发生变化，使轴在该处的物理性能下降。若筋的数目增至6～8个，金相结构遭到破坏的区域就可能连成一周，轴就有可能在此处断裂。有不止一个厂家在返修的电机中，转轴没在最细的轴伸处断裂，而在较粗的焊筋处断裂。

(2)不利于通风。两筋之间的空间为通风道。筋的数目多，势必要增大风阻，影响通风效果。

将纵筋的数目由6～8个减到3～4个的理论依据就是借助横筋补强，三种内风路中的径向及轴径向都要在纵筋间加隔风板，将它的厚度选为4mm～8mm，与纵筋焊牢，即可起到补强作用。

轴向通风时，横筋可以设计环状(图10)。无论那种形状的筋，金工加工的外径的名义(公称)尺寸及公差要与转子铁心外径相同，以方便金工加工时测量带筋轴外径。

图10筋与轴相焊时，轴的金相结构遭到破坏示意图

西屋加拿大生产的2700kW 6极绕线转子电机带筋的轴，一端有隔风板作为补强的横筋，纵筋只用了3根40mm的厚钢板。

焊筋轴金工加工前要经过时效处理，在630℃温度下保温4h，炉温降至200℃～300℃时出炉自然冷却。若焊缝较大，应该分2～3次焊成，且每次焊后都要时效处理。焊接操作时，焊件的温度越高越好，尽量在大于200℃温度下焊成。焊条尽量选用G506的。

2.3 内、外风扇均应选用后倾式的

大中型电机拖动的负荷绝大多数是一个方向旋转的。但是生产厂家及电机的使用部门，出于管理上方便，不必在旋转方向上分心，都愿意生产、选用可以正反转的电机，可以双向旋转的风扇，其损耗、噪声都比后倾式的大。这就需要双方从节能、文明生产的整体利益出发达成共识。

2.4 注意轴承部位的冷却

采用脂润滑滚动轴承的异步电机，其机械故障绝大部分出在轴承处。轴承部位温度偏高是其发生故障的主要原因之一。因此，带有内循通风的电机，在风路设计上不要忽略对轴承部位通风、冷却。例如，若热气流不可避免地要流经轴承附近的空腔时，可借助挡风板减弱它对轴承部位的直接吹拂。

用测温枪在轴承外盖处测得的温度不宜高于50℃；用埋入端盖或轴承套中的Pt100测得的温度不宜高于70℃。

3 内、外风路的最佳搭配

若外风路选用图6，与图4、图5相比，风路短，风阻也小。当内风路选用图2的结构时，可以考虑将轴上的纵筋焊成倾斜式，让它兼做内风扇，见图11。此时定、转子上的径向通风道的宽度应由传统的10mm改为20mm。裸露在径向通风道中的铜排，就是一个离心式风扇，轴上扭斜式的焊筋，实际上就是一个轴流式风扇。在这两个风扇的联合作用下，本结构的通风散热效果不会比带专设内风扇(采用本结构时，轴上的内风扇及定子上的挡风板都可以取消)的结构差的太大。

图11选用图2风路(图b)、图3风路(图a)时筋的布置

4 结语

(1)异步电机尽管问世百余年，仍存在改进的空间。李克强总理在2016年的政府工作报告中“创新”一词出现四十余次；20国杭州峰会上，中国抛出的治理经济的“中国药”—创新、开放、联动、包容，将“创新”列为首位。我们在电机的局部上做些改进，不言创新，至少也与“创新”这一国策合拍。

(2)合理的通风散热结构将会带来可观的效益。在相互效仿的同时，不要放过一点点地改进余地，应学习德国“不厌其烦”的工作作风。

(3)通风散热结构的改进，需依赖试验。借鉴哪家的结构也不如自己研制的可信度高；并且适用于本厂的加工工艺。

(4)从提高电机寿命着眼，通风散热结构的设计，一要使定、转子的温度场尽量均匀；二要顾及到轴承部位的冷却。

[1] 杨万青，陈兴卫.电机实用设计技术.北京：机械工业出版社，2014.

[2] Kovacevic I.and Streck A.Squirrel Motors for 400 to 1000 kW.BROWN BOVERI REVIEW.

EntilationandHeatDissipationofLarge-andMedium-SizedAsynchronousMotor

LiZongshuandYangWanqing

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

Based on the current conditions of low electromagnetic load in high-efficiency motor and high temperature-rise in some of these motors, this paper analyzes its ventilation cooling structure. It aims to improve electromagnetic load in maintaining the index of energy efficiency by improving ventilation and heat dissipation, so as to achieve the purpose of improving efficiency and saving effective material. In addition, for the ordinarily-adopted structure in this industry, such as the number of longitudinal bars of rotor spider, this paper discusses its improved channel, and simultaneously gives the ventilation cooling structure for industry research.

Ventilation and heat dissipation；heat exchange；energy efficiency limit；conduction；radiation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.16

TM306

B

1008-7281(2017)06-0050-004

李宗树男1985年生；毕业于佳木斯大学机械设计制造及其自动化专业，现从事高压电机设计工作.

2017-09-16