充水式潛水電機(jī)按溫升進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法及其應(yīng)用

王靈沼

(天津市電機(jī)總廠，天津 300210)

0 引言

由于充水式潛水電機(jī)內(nèi)部和介質(zhì)都是液體，水的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于空氣，所以普通異步電機(jī)的溫升計(jì)算方法已不適用。在以往的潛水電機(jī)設(shè)計(jì)中，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取熱負(fù)荷、不作溫升計(jì)算。但是國內(nèi)外市場要求單機(jī)的功率逐步增大、價(jià)格競爭也日趨激烈，因此如何計(jì)算電機(jī)溫升、合理選用熱負(fù)荷已成為潛水電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。本文總結(jié)歸納了充水式潛水電機(jī)的溫升計(jì)算方法，并應(yīng)用于電機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和高效節(jié)能的新產(chǎn)品開發(fā)，取得了很好的效果。

1 潛水電機(jī)的溫升計(jì)算

1.1 靜水中的電機(jī)溫升

充水式密封型潛水電機(jī)的特點(diǎn)是電機(jī)內(nèi)部和外部都是水介質(zhì)，而且內(nèi)外部水互不交換。水的導(dǎo)熱性比空氣好得多，電機(jī)可看作是等溫體;電機(jī)周圍的水介質(zhì)按牛頓散熱定律將電機(jī)的熱量帶走;電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子銅耗，鐵耗，機(jī)械耗全都轉(zhuǎn)化為熱能，使電機(jī)的溫度升高;電機(jī)產(chǎn)生的熱量依靠電機(jī)表面向周圍的水介質(zhì)散發(fā)，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，電機(jī)的溫升就趨于穩(wěn)定。因此，電機(jī)的溫升主要取決于電機(jī)的總損耗，以及電機(jī)表面的散熱面積和散熱能力。

用傳熱系數(shù)α來表示表面散熱能力，其物理意義如下:當(dāng)電機(jī)表面與周圍介質(zhì)溫差為1℃時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量[1]。為了便于計(jì)算，散發(fā)的熱量用功率單位來表示，α的單位是kW/(m2·K)。

根據(jù)牛頓散熱定律[1]，單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量:

式中:θ0——靜水中電機(jī)與介質(zhì)的溫差，即電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫升，℃。

式中:P2——電機(jī)的額定功率;

η——電機(jī)效率。

1.2 計(jì)算實(shí)例

例:1222a/2-100(50 Hz，380 V，100 kW)。

根據(jù)德國 RITZ公司的原設(shè)計(jì)，電機(jī)外徑0.229 m，鐵心長度為 1.08 m，定子長度為1.43 m，上導(dǎo)軸承高0.10 m，下導(dǎo)軸承高 0.04 m，止推軸承座高0.085 m，底座高0.123 m，電機(jī)效率計(jì)算值為87.8%。

電機(jī)總的表面積S1為

如加裝熱交換器，其表面積為0.4 m2，傳熱系數(shù)α3為0.16 kW/(m2·K)，則電機(jī)溫升為

單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)表面散發(fā)到周圍介質(zhì)的總熱量Q為

式中:S——電機(jī)表面的面積。

當(dāng)電機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)出的熱量，即

式中:∑P——電機(jī)的總損耗。

由于散熱效果不同，各類表面的傳熱系數(shù)α也不同:不帶散熱筋和冷卻水槽的定子外表面、電機(jī)導(dǎo)軸承、止推軸承座、底座等與介質(zhì)水直接接觸的外表面的α1為0.3 kW/(m2·K);帶散熱筋的定子表面及與水接觸的散熱筋和水槽的所有表面α2為0.22 kW/(m2·K);熱交換器外表面的α3為 0.16 kW/(m2·K)。

因此，電機(jī)的溫升為

1.3 電機(jī)溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比

現(xiàn)將機(jī)座號從“6～30”典型規(guī)格電機(jī)溫升的計(jì)算值和試驗(yàn)值列于表1。

表1 典型規(guī)格電機(jī)溫升的計(jì)算值和試驗(yàn)值對比表

表1包括了德國RITZ公司1215～1166系列和天津市電機(jī)總廠YQST1系列的低壓電機(jī)和高壓電機(jī)，也包括了2極和4極電機(jī)，功率范圍為5.5～1 900 kW，因此有廣泛的代表性。從表1電機(jī)溫升的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比可看到，兩者誤差不超過5 K，因此本計(jì)算方法可作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。

此外，表1表明，如果電機(jī)的熱負(fù)荷(AJ)不超過450 A2/mm3時(shí)，電機(jī)在靜水中的溫升一般不會超過45 K。國標(biāo)GB/T2818規(guī)定:當(dāng)環(huán)境水溫20℃時(shí)，聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值為45 K。

1.4 電機(jī)表面水流速度對電機(jī)溫升的影響

對在額定負(fù)載下的同一電機(jī)，使不同流速的水通過電機(jī)表面，并對電機(jī)的溫升進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)電機(jī)表面的水流速度對電機(jī)溫升有很大的影響:在一定的流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加，溫升有不同程度的降低。如果將在靜水中電機(jī)的溫升作為基準(zhǔn)，則不同流速時(shí)的溫升系數(shù)C見表2。

所以，在不同表面流速下的電機(jī)溫升為

表2 溫升系數(shù)C

1.5 電機(jī)內(nèi)部的溫升分布情況

以上計(jì)算的是定子繞組的平均溫升。測試發(fā)現(xiàn)，電機(jī)繞組內(nèi)部的溫升分布一般情況如下:在鐵心上端部的三分之一處溫度最高，約比平均溫升高5℃，上部溫度略高于下部。

1.6 降低電機(jī)溫升的方法

如果電機(jī)的溫升超過溫升限值，可以采用下述方法降低電機(jī)溫升:(1)提高電機(jī)效率，增大定子繞組線徑、加大導(dǎo)條截面積;(2)在電機(jī)剛度足夠條件下，加長鐵心、減少匝數(shù);(3)在最大外徑允許的情況下，電機(jī)表面增加冷卻水槽和冷卻筋;(4)在止推軸承與底座之間增加熱交換器，增加散熱面積;(5)大機(jī)座號的電機(jī)，可以在轉(zhuǎn)子下方加裝泵輪，加強(qiáng)電機(jī)內(nèi)部水循環(huán)，增強(qiáng)冷卻效果;(6)在井徑許可條件下，在電機(jī)外部加裝導(dǎo)流罩，增加電機(jī)表面的水流速度，加強(qiáng)冷卻。

2 電機(jī)溫升與熱負(fù)荷關(guān)系的探討

在以往的潛水電機(jī)設(shè)計(jì)中只是憑經(jīng)驗(yàn)來選用熱負(fù)荷和電流密度;通常認(rèn)為潛水電機(jī)的溫升與熱負(fù)荷成正比。

從前面討論的溫升計(jì)算和表1的數(shù)據(jù)對比中，可得出以下結(jié)論:

(1)潛水電機(jī)的溫升主要與電機(jī)的效率、熱負(fù)荷、冷卻結(jié)構(gòu)、表面的水流速度有關(guān)。

例如1218a/2-37的熱負(fù)荷330 A2/mm3，溫升為35.3 K;同樣屬于8”電機(jī)的YQST1200-65，因?yàn)槠湫矢?，外徑大，所以熱?fù)荷雖然達(dá)到434 A2/mm3，溫升卻只有 33.3 K。

(2)同系列、同一機(jī)座號中不同功率的電機(jī)的溫升基本上與熱負(fù)荷成正比:功率越大，熱負(fù)荷越高，溫升也越高。

例如:1215a/2的15 kW和5.5 kW，熱負(fù)荷比是 360/244=1.475，溫升比是 29.7/20.5=1.449;1222a/2的100 kW和30 kW熱負(fù)荷比是303/253=1.198，溫升比是 35.8/30.5=1.173;1228/2的120kW和75kW熱負(fù)荷比是320/273=1.172，溫升比是 38.5/31.9=1.206。

(3)不同機(jī)座號、不同系列的電機(jī)溫升與熱負(fù)荷無明顯的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)該通過溫升計(jì)算估算溫升，并選用合理的熱負(fù)荷。

3 溫升計(jì)算在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)

以1222a/2-100電機(jī)為例，表1中該電機(jī)的溫升試驗(yàn)值為35.8 K，所以其溫升尚有裕量。

在改進(jìn)設(shè)計(jì)中(型號設(shè)定為1222/2)，仍采用原來的定、轉(zhuǎn)子沖片，但作出調(diào)整，具體調(diào)整，以及兩個(gè)方案的電機(jī)性能的計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 改進(jìn)設(shè)計(jì)電機(jī)的性能數(shù)據(jù)

從表3可看到:(1)兩個(gè)方案的電機(jī)性能基本相同;(2)改進(jìn)方案的熱負(fù)荷雖然高于原設(shè)計(jì)，但電機(jī)溫升沒有超過聚乙烯絕緣繞組線的溫升限值45 K;(3)改進(jìn)電機(jī)的節(jié)材相當(dāng)明顯，每臺降低成本10%以上。

由于1215～1166設(shè)計(jì)比較保守，所以都有改進(jìn)設(shè)計(jì)的可能。

3.2 新產(chǎn)品設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)90年代開始，潛水電機(jī)制造廠對產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代:提高電機(jī)性能、增大單機(jī)容量并提高電機(jī)軸向承載能力。為了與國際水平接軌、滿足市場需求，開始進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計(jì)了YQST系列潛水電機(jī)。在研究電機(jī)溫升計(jì)算的基礎(chǔ)上，選用電機(jī)的熱負(fù)荷，結(jié)果電機(jī)性能和單機(jī)容量均高于國標(biāo)GB/T2818的要求:6”電機(jī)最大功率由15 kW提高到45 kW;8”電機(jī)最大功率由45 kW提高到75 kW;10”電機(jī)最大功率由100 kW提高到150 kW;12”電機(jī)最大功率由180 kW提高到220 kW。全系列電機(jī)效率平均提高了1.5%，功率因數(shù)提高了2%。

表3中列出了YQST250-100的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過比較不難看出:YQST250-100的設(shè)計(jì)更加合理、高效、節(jié)能、節(jié)材，而且由于鐵心長度的縮短，電機(jī)剛度增加，運(yùn)行更加可靠。

1222改進(jìn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品以及YQST系列產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，取得了很好的社會效果和經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)語

本文提出的充水式潛水電機(jī)的溫升計(jì)算方法是可行的。電機(jī)溫升主要取決于電機(jī)的效率、熱負(fù)荷和電機(jī)的散熱效果。應(yīng)用溫升計(jì)算可以合理選用熱負(fù)荷，從而設(shè)計(jì)出節(jié)能、節(jié)材的電機(jī)。必須采用有效方法降低電機(jī)的溫升。對于不同溫升的電機(jī)應(yīng)采用不同耐溫等級的繞組線，確保繞組線在允許的工作溫度下長期運(yùn)行。在熱負(fù)荷不超過450 A2/mm3情況下，充水式潛水電機(jī)的溫升一般不會超過45 K。

[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[2]德國RITZ公司.潛水電機(jī)的熱計(jì)算[G].1981.