供水水泵电机散热系统分析

李双凤，陈锦华

（1.650051 云南省 昆明市 昆明理工大学设计研究院有限公司；2.650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院)

0 引言

目前，市政管网虽然得到较大发展，但资源配置却不平衡。老旧小区普遍采用市政自来水直供或屋顶水箱供水的形式，在用水高峰期，市政自来水压力不足，难以满足住户用水需求；使用屋顶水箱供水方式的老旧小区，屋顶水箱因无法及时维护，长时间使用会出现大量污垢、滋生细菌，导致二次水体污染。目前老旧小区供水设备改造，对于需要加压供水的小区，可选择具有液位检测装置、消毒装置、浊度、余氯以及安防等功能的一体化供水设备，既能满足小区供水要求，也能避免二次污染[1]。

为满足水箱容量，老旧小区放置一体化供水设备的空间一般较小，电机内部发热、有效散热区域不足成为电机散热的难点[2-3]，并且电机长时间运行导致温度上升[4-5]、电机内部绝缘材料寿命缩短，使得发热量增加。采用高效电机散热系统可有效提高电机的稳定性和可靠性，其中风冷和液冷是电机常用的散热方式。风冷成本低、可靠度高、安装方便；水冷系统散热效率可达到风冷的50 倍左右，但复杂程度高于风冷[6-7]。

由于设备密度过大，散热效果不理想，电机温度过高致使其寿命缩短，运行效率降低。本文使用SolidWorks 软件对水泵电机自然冷却、强迫对流以及强迫水冷进行三维建模。大多数一体化供水设备均由不锈钢焊接而成，不具备隔热功能，因此，选择不同的设备间温度，使用ANSYS Icepak 软件对3 种散热系统进行分析，分析设备间温度变化对各散热系统的供水水泵电机温升的影响，选择受环境温度影响较小的散热系统为电机进行散热。

1 理论分析

导热、辐射换热和对流换热是热量传递的3 种基本方式，热量从高温区域传递至低温区域是热量传递的基本规律[8]。热量传递的计算公式为

式中：Q——热流量，W；K——换热系数，W/(m2·℃)；A——换热面积，m2；Δ——冷热介质间的温差，℃。

对流换热是设备散热的主要方式，流动的气体或液体与设备散热部件表面之间接触，不同温度发生热量交换。本文使用的对流换热分为自然对流、强迫空气对流以及强迫水冷对流，如表1 所示[9]。自然对流具有无噪音、经济可靠等特点；强迫对流主要通过风机或水泵驱动散热介质，冷流体与发热部件发生热量交换进行冷却。

表1 不同流换热系数及特性Tab.1 Heat transfer coefficient and characteristics of different flow

2 建立模型

2.1 几何模型

本文以1 台2.2 kW 水泵电机为研究对象，建立电机三维模型，为下一步计算电机的温度场分布提供依据。首先建立空气自然对流（自然风冷）电机模型，该模型只加有散热片；再建立强迫空气对流（风冷）电机模型，模型除散热片外还有风扇；最后建立强迫对流（水冷）电机模型，该电机模型外壳内部布置有水路系统，模型如图1 所示。

图1 不同散热系统水泵电机Fig.1 Pump motor for different thermal dissipation

风冷散热系统一般是在电机壳表面布置翅片，散热面积越大散热效果越好，可通过增加散热翅片数量增加换热面积、提高散热效率，并且具有制造工艺简单、成本较低、可靠度高等优点。电机选择使用自然风冷，通过电机壳与空气自然对流进行散热，不需要额外动力装置。强迫风冷使用最多的是风扇系统制冷，提高电机散热效率[10]。

水冷散热系统通常在电机壳内部设置密封的环形水路，电机壳安装时，进水与出水位置与水泵进水和出水位置一致。水泵启动时，电机壳内的水开始循环，冷却水进入机壳水路对电机进行冷却。水冷电机采用折返水路，具有结构简单、制造工艺简便、散热均匀等优点[11-12]，如图2 所示。水路展开图如图3 所示。使用ANSYS 对水路中的流体进行仿真，可清晰看到流体的流向，如图4 所示。

图2 折返型水路结构Fig.2 Retractable waterway structure

图3 水路展开图Fig.3 Waterway expansion plan

图4 流体流向图Fig.4 Flow direction

电机发热主要元件有定子绕组和定子铁心，电机机座热量由定子铁心直接传递而来，定子绕组热量先传递到铁心再传递到机座；电机发热中定子绕组铜耗占比最大[13-14]。电机主要参数见表2。

表2 电机材料系数表Tab.2 Motor material coefficients

2.2 理论模型

为节省计算时间、提高准确性，对绕组进行符合实际情况的简化，去除机壳上的一些细小特征，忽略接触面之间的热阻，电机的热耗全部转化为热量。分析机壳、定子、绕组，等效模型如图5 所示。

图5 简化几何模型Fig.5 Simplified geometric model

对机壳、定子、绕组采用非结构化六面体划分网格。设备间环境温度分别设为20、25、30、35、40、45、50、55、60℃。强迫风冷散热以及水冷散热总热功耗为246.1 W。对散热器采用非结构化六面体划分网格，如图6 所示。

图6 散热器模型的网格划分Fig.6 Grid division of radiator model

首先对自然风冷电机进行仿真实验，设备间环境温度设置为20℃，风向从电机后端盖向电机前端盖；机壳上半部分温度高，下半部分温度较低，计算出电机壳温度为83.7 ℃，电机温度分布如图7所示。

图7 电机温度分布图Fig.7 Motor temperature distribution diagram

由图7 可知，机壳温度远大于实验给定的设备间环境温度，且该温度对电机损害较大，因此自然风冷不能用于该电机的散热。

对使用强迫风冷以及强迫水冷电机进行仿真实验。设备间环境温度为20℃时，使用风扇强迫散热，风向从机壳后端盖向前端盖，机壳温度为37.57℃。使用强迫水冷对电机进行散热，介质为水，水由进水口进入流向出水口，机壳温度为32.82℃。强迫风冷以及强迫水冷电机温度远远低于自然风冷电机温度，故使用强迫风冷和强迫水冷2 种系统进行仿真实验，电机温度分布如图8 所示。

图8 电机温度分布图Fig.8 Motor temperature distribution diagram

3 不同散热系统的温度测试

3.1 电机强迫风冷系统实验

使用电机为强迫风冷散热系统进行实验，模拟设备间环境温度分别为20、25、30、35、40、45、50、55、60 ℃时对电机壳温度的影响，机壳温度如图9所示。设备间外部环境温度发生变化后，在空气流动较差的设备间相应温度随之改变。设备间环境温度每上升5℃，对应机壳温度也大约上升5℃。由此可知，电机中的风冷散热系受环境温度影响较大。

图9 风冷散热机壳温度Fig.9 Air cooled cooling motor temperature

3.2 电机强迫水冷系统实验

使用电机为强迫水冷散热系统进行实验，流体介质为水且初始温度为25℃，模拟设备间环境温度分别为20、25、30、35、40、45、50、55、60℃时对电机壳温度的影响，如图10 所示，随着设备间环境温度的上升，电机壳温度始终稳定在33℃左右，可知强迫水冷散热系受环境温度影响很小。

图10 水冷散热机壳温度Fig.10 Temperature of water cooling enclosure

4 结论

通过实验对水泵电机自然冷却、强迫对流（风冷）以及强迫对流（水冷）3 种不同散热系统进行分析，分析室温变化对使用不同散热系统的水泵电机的影响得出以下结论：

（1）使用自然冷却的电机在环境温度为20℃时温升明显，温度为83.7℃，温度过高会缩短设备寿命、降低可靠性，因此该电机不能使用自然冷却系统。

（2）使用强迫对流（风冷）作为电机散热系统，在环境温度为20℃时，温升明显小于自然冷却系统，温度为37.57℃，但是受环境温度影响较大。

（3）使用强迫对流（水冷）作为电机散热系统，在环境温度为20℃时，温升比强迫对流（风冷）系统低约5℃，受环境温度影响最小。

综上所述，对于老旧小区供水管网的改造，可供放置一体化供水设备的面积较小，对于空间狭窄、散热较差的设备间而言，使用强迫水流为电机散热可有效降低电机温度，延长设备使用寿命，保障供水水泵在高效区运行。