箱式高压三相异步电动机外风扇选用浅论

2020-12-23陈君哲陆依帆陈建军

上海大中型电机 2020年4期

陈君哲，陆依帆，陈建军

(1. 上海思源高压开关有限公司； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

IC611结构的箱式高压三相异步电机，广泛应用于电力、钢铁、石化、冶金等行业，是一个量大面广的高压电机产品，是大型电机生产制造厂的主导产品。电机主要由定子、转子、空空冷却器、内风扇、外风扇、导风罩等部件组成，结构示意图(见图1)。近年来，随着电机市场竞争的日益激烈，为了降低电机设计制造成本，箱式高压电机向着小体积、大容量、高积热、高效率的方向发展。为此需要优化电机的通风散热结构，提高电机的通风散热效率，以满足电机热负荷提高的情况下，控制电机温升在合理的范围内，满足用户的使用要求。

1.转子；2.定子；3.冷却器；4.导风罩；5.内风扇；6.外风扇图1 电机通风散热结构示意图

电机的发热量来源于电机的总损耗，包括定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗、风摩耗、杂散损耗等。其中风摩耗由两部分组成，一是转子铁心表面与气体旋转摩擦而产生的损耗；二是转子风扇旋转而产生的损耗。电机的散热主要有三个途径：一是通过电机内部循环风路，将电机定子，转子及其他部位产生的热量带至冷却器内部空间，经过热交换，传递至冷却管里的外部空气并被带至外部大气环境中；二是热传导至电机外表面，以对流换热方式将热量扩散至电机周围环境中；三是电机整体作为辐射体，通过热辐射方式将一部分热量传递至周围大气中。

优化电机通风散热结构时，应注意将电机内部循环风路的风阻控制在合理范围之内。应确保电机的内部循环风路有足够的循环风量，使其能将电机定转子部位的热量传递到空空冷却器，通过热交换排放到电机周围的大气中。如果电机的内部循环风路的风量不够，即使空空冷却器的换热容量足够大，外部循环风量也充足，电机内部的热量还是无法及时传递至外部环境，最终会造成电机温升过高，这一点在低速电机中表现更为突出。如某公司曾试制型号为YKK630-10P 900 kW 6 kV的电机，电机的总损耗约50 kW。空空冷却器采用矩形排管(见图2)，总管数703根，冷却器计算换热容量70 kW。但电机内部循环风路风阻过大，内部循环风路循环不畅，热量积聚在电机定转子部位，无法传递到冷却器进行热交换，导致电机温升过高，试验温升84 K，不合格(B级温升考核)；后空空冷却器改用M形排管(见图3)，总管数640根，冷却器计算换热容量55 kW，电机内部循环风路风阻减小了，内部循环风量增大。经过试验，试验温升70 K，温升降低了14 K。

图2 矩形排管冷却器

图3 M形排管冷却器

1 电机外风扇的特性分析

高压箱式电机外风扇是电机的关键部件，为电机外风路流动提供动力，正确选择使用外风扇十分重要。外风扇的性能直接影响电机的温升、效率、噪声、成本等。如电机外风扇的几何尺寸过大，虽然有利于降低电机的温升，但风扇的功耗大、电机的效率低，同时电机的通风噪声也会增大，如电机外风扇的几何尺寸过小，则相反。

IC611结构的高压箱式电机使用的外风扇均为离心风扇，主要有以下三类：

第一，后倾式离心风扇(见图4)，叶片出口角β2<90°。此类风扇全压系数低、效率高、噪声小，是高压电机中最常用的外风扇类型。

图4 后倾式离心风扇

第二，前倾式离心风扇(见图5)，叶片出口角β2>90°。此类风扇全压系数高，但效率低、噪声小，此类风扇基本上很少使用，主要应用于大型低速且需要降低噪声的电机。

第三，径向式离心风扇(见图6)，叶片出口角β2=90°，此类风扇全压系数介于前两者之间，但效率低，噪声大，此类风扇也很少使用，只应用于需双向旋转的电机。

图6 径向式离心风扇

离心风扇所能产生的压力P与流量Q之间的关系称为外特性，离心风扇的实际外特性可以用P-Q外特性曲线表示(见图7)。

图7 离心风扇P-Q外特性曲线

风扇的空载运行点是当风扇没有风量(Q=0)时，所能产生的静压力(P0)，如果将叶轮外径的所有孔口都加以封闭，可得到这种运行状态。风扇空载运行时产生的静压力(P0)可用式1计算。

P0=0.0 027ρηn2(D2-d2)

(1)

式中：P0为静压力，Pa；n为电机转速，r/min；D为风扇外径，m；d为风扇内径，m；ρ为气体密度，kg/m3；η为气体动效率，径向叶轮取0.6，后倾叶轮取0.5。

风扇在“短路”运行时，其外部风阻为0，此时风扇所产生的外压力P=0，而经过风扇的风量达到最大值(Qm)，可用式2计算。

Qm=0.148KnD2b

(2)

式中：Qm为风扇可产生的最大风量，m3/s；n为电机转速，r/min；D为风扇外径，m；b为风扇出口宽度，m；K为风量系数，径向叶轮取0.42，后倾叶轮取0.35。

当风扇运行工作时，风扇的功耗可用式3计算。

W=0.001P0Qm/F

(3)

式中：W为风扇的功耗，kW；P0为静压力，Pa；Qm为风扇可产生的最大风量，m3/s；F为风扇效率，取值范围0.3～0.4。

当已知外风扇的外特性及外部循环风路的风阻特性时，可用作图法求出外风扇运行的实际风量。图7中两曲线的交点代表外风扇的工况点，即外风扇的实际工作点，由于风扇的最高效率一般发生在Q=0.5Qm附近，因此外风扇的工况点最好在Q=0.5Qm附近。

2 外风扇的设计选用

如何正确的选择箱式高压电机的外风扇？通常来说，应先进行电机的通风散热计算分析，确定电机外部通风管路工况点的风量及风压；再结合已知的电机转速，进行外风扇的设计计算，并最终确定风扇的几何尺寸，包括风扇的外径、内径、宽度、叶片数量、进出口角等。电机是十分成熟的工业产品，电机设计通常是系列化、通用化、标准化的设计，一个系列电机产品通常有几十个规格，外风扇作为电机的一个部件，每一个规格的电机相应设计一个外风扇显然是不可能、也不经济的。因此在电机进行系列设计时，外风扇必须进行系列化通用化设计，尽量减少外风扇规格数量。

一般来说，设计一个高效、低噪声、P-Q曲线平坦的离心风扇是十分困难的，通常需设计制造一个模型机，反复进行性能测试改进，定型，然后根据通风机设计的相似性原理进行系列设计。我国的风机设计人员已进行了大量的基础科研工作，设计制造了大量的通风机系列产品，如T4-72系列通风机等。我们在进行外风扇设计时，应在上述成熟的系列通风机叶轮基础上进行优化改进设计，使其适合电机外部通风管路的工况，这样既能保证设计风扇的优良性能，同时也可降低叶轮制造模具的投入、降低制造成本，具有较高的经济性。

电机的外部循环风路的管路较短，风阻主要来源于冷却管的入口压力损失及气体在冷却管内流动时沿程阻力损失。总体来说，电机外部通风管路所需压力并不高，但风量较大，是一个中压大流量的工况。因此在进行外风扇的设计选型时，应适当控制风扇的外径，增大宽度，这样既能满足风量要求，同时可降低风扇的功耗及通风噪声。

3 试验与验证

2019年，某公司为适应市场需求，开发研制了新一代YXKK系列箱式IC611结构的电机，中心高355～630 mm，转速375～1 500 r/min，功率250～6 300 kW，电压6 kV/10 kV。在此系列电机的设计过程中，进行了电机的通风散热计算分析，合理确定了外部通风管路所需的风量及风压。在借鉴T4-72-12系列通风机叶轮资料基础之上，进行了优化设计，按照系列化、通用化的原则，全系列电机共设计11个规格的外风扇。750 r/min以上高速电机选用后倾式离心风扇；750 r/min以下的低速电机及双向旋转的电机选用径向离心风扇，风扇的外径φ500～φ900 mm、宽度150～225 mm、出口角β2为40～50°、弧形前盘。

设计完成后，进行了不同规格多批量电机试制，试验结果表明，电机的温升、效率均符合设计指标。大部分电机的噪声均在声压级85 dB(A)以下，少数高速电机在增加消音装置后，噪声也控制在声压级85 dB(A)以下，外部通风管路的进出风温差在15～35 K之间。

为了验证电机外部通风管路的实际工况点，电机试验时，在电机的外风扇(图1序号6)的进风口用手持式风轮测速仪测量了进风口的平均风速，实测了进风口的面积，计算出了外部通风管路的实际通风量。这样的实测工作，在不同中心高及不同转速电机上进行了二十多次。经过对数据统计分析，并与按式(2)的计算值对比，发现电机外部通风管路的实际风量Q约等于(0.4～0.5)Qm，与计算值具有很高的一致性。

为了验证电机外风扇功耗式(3)计算的适用性，选取部分规格的试制样机进行验证试验。试验过程如下：在电机做完试验后，拆下图1中序号6外风扇，保持其他部件不变，重新试验，再次测量试验电机的风摩耗。按照以上试验方法，同一电机两次试验风摩耗实测值之差，应该是所测电机外风扇的实测功耗。将实测功耗与按式(3)的计算值进行对比分析，在风扇效率F=0.3～0.4时，式(3)的计算结果基本接近实测值。具体数据见表1。