高压永磁同步电动机内风路优化设计

2018-06-08

防爆电机 2018年3期

(河北乾顺节能科技有限公司，河北邯郸 314001)

0 引言

电动机中应设法减少铁心损耗和在定、转子中电阻发热损耗。为了防止绝缘系统的高温对电机的毁坏,主要是消除这些损耗产生的热量。消除热量使用的一种方法是内外风扇的组合方法。在一台全封闭型扇冷式电机中,有两只电机轴带动的风扇，其中一个在电机机座内。它们使空气在转子和定子的端部流通将热量带走。然后这空气由挡风系统引导到端盖的冷却表面。由于对流和传导的联合作用,热量消散到电机外部。一个外风扇吹走了电机机壳上的空气。热量通过机壳传出(机壳与定子直接连接),然后用外风扇强迫对流带走。

1 高压隔爆型三相永磁同步电动机冷却方式

在TBF系列风机用高压隔爆型三相永磁同步电动机，其转子改为永磁体励磁，冷却方式为IC411带内风扇的风路的设计，现对其冷却风路进行优化设计。

1 电机基本定额参数

以400kW-8极典型规格为例进行分析。

(1)相数m：3

(2)额定频率f：50Hz

(3)额定功率P：400kW

(4)额定电压Un：6000V

(5)额定电流In：43.04A

(6)极数：2p=8

(7)额定效率η：96.4%

(8)功率因数cosΦ：0.931

(9)最大转矩倍数Tmax：2.33

(10)起动电流倍数Tst：7.27

(11)起动转矩倍数Tst：2.32

2 发热计算

2.1 以下全部是电机工作额定功率时的损耗

铜耗

Pcu=mI2R=2671.9W

铁耗

PFe=(k1pt1vt1+k2pt2vt2)=4357.7W

杂耗

机械耗按经验值取额定功率的1%

Pj=4000W

3.2 内风扇功率

内离心风扇外形见图1，内外冷却风扇位置见图2。

图1 内离心风扇外形

按比转速n选用，一般额定转速n>1000时选择轴流风扇，否则选离心风扇。

式中，η—风扇的能量效率。对于径向式叶片取η=0.15-0.2。

离心风机的实际空载风压H

H=ηa0ρ(u22-u12)

H=ηa0ρ(u22-u12)=442.38N/m2

对径向式叶片ηa0=0.6

式中，ρ—气体密度，空气1.29kg/m3；u2、u1—风扇叶轮外径和内径的线速度，m/s；D—风扇叶轮外径和内径，m；n—风扇转速，r/min。

离心风机的最大风量Q

Q=0.42u2S2=2.74m3/s

S2≈0.92πD2b=0.26

3.3 发热总量

带内风扇总发热功率Pf

Pf=PCu+PFe+PS+Pj+Pv=17.55kW

去掉内风扇发热功率Pw

Pw=PCu+PFe+PS+Pj=15.01

图2 内外冷却风扇位置

3.4 内风扇

在TBF系列高压隔爆型三相永磁同步电动机里面内风扇的主要作用是为转子散热，因是防爆电动机故内腔里面的空气不与外部环境空气接触。在机壳上开设通风道来让内风扇带动电动机内腔的空气在轴向流通。把内腔空气吹到非轴伸端盖，通过外风扇的空气对流来带走非轴伸端盖上内腔转子交换到端盖上的热量，起到散热的作用。

而永磁电动机的转子励磁为永磁体，其工作时不产生热量，从图2中蓝色椭圆内看内风扇对线圈端部没有起到太大的散热作用。而内风扇旋转则需要2.54kW来驱动。非轴伸端盖因现采用了不带导风槽的平面结构，散热面积不够，从而没有起到理想散热效果。

因风路是在一个密闭的机壳内部循环，风机本身需要的功率大于通过非轴伸端盖散出去热量，使其内风扇本身变成了一个发热源。

3 电机散热面积

电机外壳见图3，机座筒外形见图4。

图3 机壳外形

图4 机座筒外形

机壳外表面积S1

S1=d2πL=3.15m2

通风孔加出线口面积S2

S2=(180×310×4)+(290×180×4)+

(180×180)

=0.3m2

散热筋面积S3(按散热筋两面全部参加散热)散热筋有5种规格

S3=(2×70×38×1245)+(2×70×12×

945)+(2×70×4×403)+(2×70×

4×438)+(2×70×4×180)

S3=8.78m2

机壳外表面槽钢占面积S4

S4=4×244×1250=1.22m2

去掉槽钢后增加散热筋面积S5

S5=2×70×24×1245=4.1m2

带内风扇的散热面积

S内=S1-S2+S3-S4=10.41m2

无内风扇的散热面积

S无内=S1+S3+S5=16.03m2

去掉槽钢后散热面积比

散热面积增加了26%

槽钢的散热面积和带槽钢的总散热面积比

4 电动机的温升

4.1 温升计算

假定电动机是一个均匀的发热体，其比热和散热系数均为长数，电动机各部分温度均匀。

假设电动机向周围介质温差成正比，而与电动机本身温度无关。

基于以上分析和假设，我们可以从电动机产生的热量和使电动机向外散热面积及冷却方式出发来推算电动机的温升。

式中，θ—电动机温升，K；ΔP—电动机损耗之和，W；s—电动机的散热面积，m2；K—计算系数水冷取65;空冷取24.5。

带内风扇和风路温升

去掉内风扇和风路在增加机壳表面的散热筋

4.2 电机的发热曲线

图5 试验样机

图6为TBF隔爆型自启动三相永磁电动机试验样机。根据样机试验得出来温升数据见表1。

图6 TBF隔爆型自启动三相永磁电动机试验样机

时间U相温度(℃)V相温度(℃)W相温度(℃)驱动端轴承温度(℃)非驱动端轴承温度(℃)9.1525.425.525.425.725.99.4534.834.135.339.237.410.1549.550.150.254.656.810.4560.560.960.665.467.411.1563.863.463.660.559.811.4565.965.765.755.358.412.1565.865.565.255.658.6