大型异步电机通风散热优化设计

李滔　廖力康　江鑫坤　秦登

摘 要：随着电机制造技术的不断发展，电机的结构越来越復杂，并且不断向着大型化方向发展。由于电机的体型越来越大，电机内部单位体积的发热量随之增加，因此对电机通风散热的要求不断提高。大型异步电机对通风散热的高要求决定了其在应用与设计过程中要对通风散热进行优化设计。但是，从现有的异步电机优化设计来看，由于异步电机通风散热的方式可以相互借鉴，因此一些小型企业在研发大型异步电动机的过程中并不注重对通风散热进行优化设计，导致大型异步电动机在通风散热方面存在不完善之处。这不仅制约着异步电动机工作效率的提升，也难以践行绿色可持续发展的理念。基于此，针对大型异步电动机的通风散热优化设计进行分析和探讨。

关键词：大型异步电机;通风散热;发热量

中图分类号：TM343 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0038-03

Abstract： With the continuous development of motor manufacturing technology， the structure of motor is more and more complex， and it is developing towards large-scale direction. The heating capacity per unit volume of large motor also increases， so the requirement for motor ventilation and heat dissipation is higher. The high requirements of large asynchronous motor for ventilation and heat dissipation determine that the ventilation and heat dissipation should be optimized in the application and design process of large asynchronous motor. However， from the current optimization design of asynchronous motor， because the ventilation and heat dissipation methods of asynchronous motor can be used for reference from each other， some small enterprises do not pay attention to the optimization design of ventilation and heat dissipation in the process of developing large asynchronous motor， which leads to the imperfection of ventilation and heat dissipation of large asynchronous motor， And it exists for a long time in the industry， which not only restricts the improvement of the efficiency of asynchronous motor， but also fails to implement the concept of green sustainable development.Based on this， this paper analyzes and discusses the ventilation and heat dissipation optimization design of large asynchronous motor.

Keywords： large asynchronous motor;ventilation and heat dissipation;calorific capacity

1 大型异步电机相关概述

1885年，意大利物理学家、电气工程师费拉里斯发明了异步电机。经过100多年的发展，异步电机已经成为推动社会和国民经济发展的重要工业设备。当前，社会的各个行业生产都已经离不开异步电机。异步电机主要是通过气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，将机电能量转换为机械能量的交流电机[1]。按照转子结构的不同，异步电机可以分为鼠笼式异步电机和绕线式异步电机。由于异步电机生产量巨大且在各个行业和领域都有广泛应用，因此异步电机的产品种类繁多，规格和各种配套机械十分完善，推动了社会生产力的发展。

2 大型异步电机通风散热的基本问题

2.1 大型异步电机的通风方式分析

大多数异步电机主要以空气作为冷却介质构建冷却系统，主要有自冷、扇冷、管道通风冷却、自由循环式通风、封闭循环式通风以及热管冷却等多种方式。通常，扇冷主要分为自扇冷和他扇冷，其中自扇冷是最常见的通风方式。

在应用过程中，根据电机内部冷却空气的流通方向，大型异步电机的通风方式又可以分为径向、轴向和径向-轴向混合式3种[2]。

如果采用径向通风冷却的方式，通常通过装在电机两端的两个风扇，在风力的作用下使外径转子和转子外径大致相同。冷空气由电极两端进入时，通过电机铁芯中部风道，经由基座中部排除。这种对称性系统能够确保大型电机内部温度的均匀性，因此在大型异步电机中应用较为广泛。

如果采用轴向通风系统，则可以安装直径相对较大的风扇，且可以加大风压和风量，也可以减少轴向长度，从而缩短电机加工时间，降低大型异步电机的设计与制造成本。但是，这种通风方式存在一定的缺陷，主要体现在沿轴向冷却的过程中存在降温冷却不均匀的情况，不利于转子上部件的鼓风作用。

采用径向-轴向混合式通风，适用于8级以上的较低速电机。對于大型异步电机来说，异步电机的冷却关键技术在于通风元件及其派生结构的设计。

2.2 异步电机内部热量来源分析

从内在因素来看，异步电机的各种损耗是异步电机产生发热现象的主要因素。因此，要想分析计算出异步电机内部通风散热的实际情况，就要分析其发热情况。通过计算得出各种损耗的数据以及这些内部热量在异步电机的分布情况，才能更好地进行通风散热优化[3]。

具体来说，异步电机损耗通常可以分为以下几个类别。①铁损耗。铁损耗主要分为基本损耗和附加损耗。异步电机通常只考虑定子铁芯中的基本铁损耗。②铜损耗。铜损耗主要是电机的定子铜损耗和转子铜损耗。也有一些电机的转子用铝做成，这一部分热量损耗是由于铝损耗而来的，也称之为铝损耗。③杂散损耗。杂散损耗是指除了电机中的铁损耗、铜损耗以及机械损耗之外的其他所有损耗，主要分布在电子铁芯和转子铁芯等处。④机械损耗。机械损耗包含的部分较多，主要有轴承损耗和通风损耗。轴承损耗是电机顶端由于轴承摩擦而产生的热量，并将带来的损耗散布在电机轴承和端盖两个部分。通风损耗是在冷却空气的过程中电机内部由于运动而产生的摩擦带来的损耗。

2.3 异步电机的稳定温升

由于异步电机在运行过程中会因各种损耗而产生热量，因此在电机启动的初期阶段会导致异步电机本身温度升高，且温度上升的速度较快。随着异步电机温度的不断提高，异步电机和周围介质之间的温差会不断加大，导致异步电机向外散出的热量越来越多，致使能够提高异步电机温度的热量减少。此时，异步电机温度升高的速度逐渐减慢。异步电机在运行过程中会将产生的热量传递给周围的介质，最终达到一种稳定的状态。此时，异步电机在每秒钟产生的热量等于每秒钟向周围介质散出的热量，这一温度被称之为异步电机的稳定温度。

要想有效解决异步电机的冷却问题，提高异步电机的冷却性能，应当分析异步电机的冷却介质、冷却方式和风路系统，确保选用合适的介质带走异步电机中产生的各种热量，以及采用这些介质在异步电机中使用的流通方式。

3 大型异步电机通风散热优化分析

3.1 定子绕组端部绑扎

在进行大型异步电机通风设计与优化的过程中，定子绕组端部主要用玻璃丝进行捆绑操作，过程中没有用到垫块。采用这种简单的绑扎方式，容易产生绕组端部包扎层数过多的问题，可能会导致端部之间的间隙几乎不存在。针对大型异步电机定子绕组端部绑扎过程，为了确保线圈之间有足够的缝隙实现通风散热，德国西门子公司纽伦堡电器厂在绑扎过程中选择加入垫块。随着电机级数的不断增加，不同的电机规格可选择的垫块规格种类相对较多。在绑扎操作过程中加入垫块，有效解决了这一部分通风散热的问题[4]。

3.2 带支架的转子

大型异步电机设计与制造的过程中，轴上焊筋的转子被称之为带支架的转子。在进行大型异步电机通风散热优化的过程中，对带支架的转子进行优化设计时，要考虑带支架的转子纵筋数目不能过多。当前，绝大多数大型异步电机生产厂家选择6根纵筋的相对较多。如果筋的设计数量过多，不仅会浪费生产和设计的工时，也会浪费大量的焊材和钢板，还会出现各种问题。当筋与轴焊接时，如果焊接处的结构发生变化，那么会导致轴的物理性能下降。如果筋的数目增加到8个左右，那么金相结构遭到破坏的区域有可能形成一周，此时有可能发生轴断裂的情况。如果筋的数量过多，则不利于通风。因此，要想有效提高大型异步电机的通风效果，需要合理设计纵筋的数目，并根据异步电机的工作需要，在材料、分布以及厚度等各个方面进行优化设计。

3.3 内外风扇以及轴承部位的冷却

大型异步电机拖动的负荷通常是一个方向旋转，因此进行散热优化设计时，越来越多的厂家倾向于生产可以正反旋转的电机，以便利用双向旋转的风扇实现通风散热。但是，由于双向旋转的风扇能量损耗较大且噪声大，因此在进行异步电机通风散热优化的过程中，要着重考虑这种旋转风扇使用的合理性。内外风扇以及轴承部位的结构，如图1所示。在节能环保和可持续发展理念下，通过设计者与客户之间的协调，完成最终的设计。在设计与制造过程中，要尽量选择后倾式内外风扇。作为电机通风系统的核心部件，它只有产生足够的风压，才能确保气体能够顺利通过电机部件带走多余的热量。采用后倾式风扇要考虑到大型异步电机的实际应用需求，同时要考虑到具体的应用情况，确保其应用的合理性。

3.4 实现内外风路的最佳搭配

对大型异步电机的内外风路进行优化，是实现异步电机通风散热的重要路径。在针对风路进行优化的过程中，考虑到异步电机的工作特点采取相应的方式，才能取得良好的效果。为了更好地实现风路的最佳搭配，要对电机内部流体场和温升的实际情况进行计算，找出大型异步电机温升的最高值位置进行实验验证，以作为外风路分析的初始条件，还要综合考虑影响大型异步电机温升的环境因素[5]。最后，分析电机风扇外特性，对比多个方案的效率，提出最终的优化方案。例如，可以在冷却器外部路口增设一些导风板，也可以在冷却器管束外侧添加散热翅片，以实现内外风路的最佳搭配。

4 结语

大型异步电机的设计与生产是一项较为系统且复杂的工程，在设计的过程中不仅要考虑到使用的性能和使用的实际需要，还要优化大型异步电机的通风散热效率，才能使大型异步电机维持稳定的运行性能，确保使用的稳定性。大型异步电机通风散热的方法相对较多，随着技术的不断成熟，可根据大型异步电机的实际需要，科学合理地选择相应的优化方案。在制定优化方案的过程中，要充分考虑大型异步电机的热量来源，以针对产生热量的各个部位进行深入分析。在明确热量来源的基础上，根据大型异步电机的各个部位，选择相应的优化方案和优化措施，以不断提高大型异步电机通风散热优化的效果。

参考文献：

[1]孙德强，吴楠.机车大功率直驱永磁牵引电机新型通风散热结构设计[J].铁道机车与动车，2019（10）：8-11.

[2]付余.一种新型机车牵引电机通风散热分析及风路优化[J].装备制造技术，2017（3）：97-99.

[3]李宗树，杨万青.大中型异步电机的通风散热[J].防爆电机，2017（6）：51-53.

[4]刘庆，王超，田德见.大中型高效电机后倾式离心风扇的优化设计[J].电气控制与应用，2020（47）：87-92.

[5]李宗树，杨万青.中小型异步电机的通风散热[J].防爆电机，2018（1）：40-42.